dsp视角下ethercat工业以太网从站驱动构设

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1、DSP视角下EtherCAT工业以太网从站驱动构设1绪论1.1课题研究背景随着计算机技术和微电子技术的发展，数控技术为满足机械加工行业的需要，将朝着运行高速化、加工高精化、控制智能化、功能复合化、通讯网络化的向发展。自上个世纪八十年代以来，国内许多大专院校和科研院所对引进的数控技术进行了消化吸收，使得国产数控系统有了长足的发展，但与国外的先进技术相比还有巨大的差距[2]。为了缩短与国外先进数控产品的差距，实现公司产品由单一的伺服控制器设备向多元化发展的目标，北京金保孚电气传动技术有限公司（以下简称金保孚公司）成立了新型数控系统的研发项目。该

2、数控系统将釆用TI最新推出的ARM+DSP内核的TMS320C6A8168作为主控芯片，以满足各种实时计算的需要；采用EtherCAT(EthemetforControlandAutomationTechnology)作为数控系统与伺服系统、I/O模块之间的通讯网络，实现信息实时、快速的传输；采用内置式PLC技术；采用基于TMS320F28335具有高精度编码器反馈的伺服系统。本课题是在我校研究生联合培养基地北京金保孚电气传动技术有限公司完成的，是金保孚公司该数控系统研发项目的子课题之一。通过对EtherCAT协议的应用研究，完成公司项目中

3、通讯网络从站部分的驱动设计，实现数控系统与伺服系统、I/O模块之间实时、快速的信息传输。1.2工业以太网国内外发展概况工业控制领域总线技术的竞争，形成了当今如Profibus、CAN、Modbus等不同总线标准并存的局面。这一局面限制了用户对总线产品的选择，使得实现各种总线之间的互联和互操作成为了当务之急。由于工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，用户对统一的通讯协议和网络的要求日益迫切。互联网技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层尽可能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础架构，但目前的现场总线尚不能满足这些要

4、求。幵放的以太网是30多年来发展最成功的网络技术，世界上超过93%的网络节点均为以太网。将以太网通讯技术应用于工业自动化领域可能带来的经济性、灵活性、高速性以及传输大数据量的功能，受到了越来越多的现场总线控制网络设备开发者和制造商的重视，工业以太网由此应运而生。通过表1-1[3]，可以很直观的看到工业以太网和现场总线的协议模型与ISO/OSI模型和TCP/IP协议以太网模型的联系和不同。工业以太网即应用于工业控制领域的以太网技术，它在技术上与商用以太网兼容，但又必须满足工业控制网络通讯的需求。概括来说，主要包括两方面，一是对以太网进行适应于

5、工业环境的改造，如表1-2[3]所示；二是针对以太网通讯不确定性，必须在通讯协议上进行必要的研究和修改，使其符合以太网标准的同时又能满足工业应用的实时性的要求。目前为止，可将工业以太网的实时响应时间做到同现有现场总线相当，约5~10ms。(1)应用广泛：工业以太网采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，不同的厂商的设备容易互联，适合于解决控制系统中不同厂商设备互操作的问题。(2)成本低廉：使用普通的以太网卡，价格仅为现场总线网卡的十分之一；同时以太网技术大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发费用。(3)通讯

6、速率高：传统现场总线通讯速率最高仅12Mbps，而已广泛应用的以太网已支持100Mbps的通讯速率，更高可实现IGbps甚至lOGbps。对于响应时间小于5ms的应用，如伺服运动控制应用场合，在100节点以下，要求实时响应时间低于Ims，同步传送和抖动小于Ips。在这种应用场合里，工业以太网已经不能胜任，各大公司和标准组织纷纷提出各种工业以太网实时性的技术解决方案，这便是实时工业以太网。所谓实时以太网，就是基于ISO/IEC8802-3协议的基础上，通过对其进行必要的改进或增加一些措施，使其在满足可与标准以太网无缝连接的同时，具有工业控制领

7、域实时通信的能力。2003年5月，IEC/SC65C专门成立的odbus/TCP、EtherCAT以及我国的EPA等[4][5]。它们采用不同的实时性解决方案，如EtherNet/IP、MODBUS/TCP在TCP/IP之上进行标准的实时改造；PROFIV2采用经优化处理和提供旁路实时通道的通讯协议模型；EPA、PROFIV3、EtherPoInterconnect)的相关原则、方法和模型，EtherCAT规范定义了OSI自顶向下的所有层次功能，同时包涵有用户自定义应用功能。OSI的中间第3至6层被合并至数据链路层或应用层里，同样地，Eth

8、erCAT的应用层还提供了现场总线的相关功能。如图所示，为EtherCAT的参考模型，在其应用层还嵌入了SERCOS和CANopen标准协议。SERCOS协议是全球工人的、用于高