EtherCAT总线接口在数控系统中的实现

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1、华中科技大学硕士学位论文EtherCAT总线接口在数控系统中的实现姓名：张勇申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：朱志红2011-01-17华中科技大学硕士学位论文摘要数控系统对控制精度和实时性要求的日益提高，传统的模拟接口已经不能满足现代数控技术发展的要求。以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、能实现办公自动化与工业控制网络的无缝集成和可持续发展潜力大等优点，是工业控制网络发展的必然趋势。本文的研究目的就是将工业以太网EtherCAT技术与ARM嵌入式技术相结合，以满足数控系统高速高精度的控制要求。本文首先论述了数控技术及总线技术的国内外发展状况，介绍了Ethe

2、rCAT技术的协议规范和通信原理，分析了将EtherCAT总线应用于数控系统中所具有的优势。其次，提出“嵌入式x86工控机+EtherCAT主站协议卡”的方案来实现EtherCAT主站系统，EtherCAT主站协议卡通过PCI总线与嵌入式x86工控机进行数据交互。这种方案的优点是数控系统软件不用处理EtherCAT通信以及分布时钟，较好的解决了系统实时性问题，同时减轻了工控机核心处理器的负担。再次，详细阐述了EtherCAT主站协议卡各模块的硬件电路、数字逻辑的设计，包括电源模块、基于FPGA的数据交换模块、EtherCAT协议处理模块。基于FPGA的数据模块实现PCI接口、双口RAM和SP

3、I接口；EtherCAT协议处理模块完成EtherCAT通信功能。然后，设计了EtherCAT主站系统的软件，包括主站卡控制程序和固化协议程序。主站卡控制程序实现数控系统上层应用访问双口RAM的功能；固化协议程序实现EtherCAT的周期性、非周期性通信以及分布时钟等功能。最后，利用设计的EtherCAT主站和德国BECKHOFF公司的从站伺服驱动器AX5206搭建了测试平台，验证了本课题设计的EtherCAT主站软、硬件方案的可行性及各项功能的有效性。关键词：EtherCAT；主站卡；PCI；数控系统I华中科技大学硕士学位论文AbstractAsNCsystems’demandsforco

4、ntrolaccuracyandreal-timeishigherandhigher,traditionalanaloginterfacecannolongermeettherequirementsofthedevelopmentofmodernNCtechnology.Ethernetiswidelyappliedwithlowcostandhighcommunicationspeed,andisrichinbothsoftwareandhardwareresources,soitcanaccomplishtheseamlessintegrationofofficeautomationan

5、dindustrialcontrolnetwork.Besidesitssustainabledevelopmentpotentialisgreat.Fortheaboveadvantages,Ethernetistheinevitabletrendofdevelopmentofcontrolnetworkindustry.TheaimofthethesisistocombineindustrialethernetEtherCATtechnologywitharmembeddedtechnologytomeetNCsystems’demandsforhighspeedandhighpreci

6、sionincontrolling.Atfirst,thedevelopmentsituationofNCtechnologyandbustechnologyisintroduced,andtheEtherCATtechnologyprotocolanditscommunicationmechanismisresearched,thentheadvantagesareanalyzedwhenEtherCATbusisappliedinNCsystem.Secondly，Aproposalwhichadopts“embeddedx86industrialpersonalcomputer+Eth

7、erCATmasterprotocolcard”toimplementthemastersystemisputforward,andEtherCATmasterprotocolcardmakesdatainteractivewithembeddedx86industrialpersonalcomputerviaPCIbus.TheadvantageofthisproposalisthatCNCsoftware