《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖發(fā)生器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
林 浩,,韓慶敏,宋 棟,陳 海
中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所,北京100083
摘要: 脈沖發(fā)生器廣泛應(yīng)用于電力電子、運(yùn)動(dòng)控制、車輛控制等場合,是設(shè)備驅(qū)動(dòng)和控制的基礎(chǔ)通用部件,,但目前脈沖發(fā)生器的網(wǎng)絡(luò)通信能力較弱,無法滿足高速控制需求,,難以集成到智能制造系統(tǒng),。針對(duì)該問題,,基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和龍芯LS1C處理器設(shè)計(jì)了一種脈沖信號(hào)發(fā)生器,通過EtherCAT實(shí)現(xiàn)高速,、實(shí)時(shí)通信功能,,并可靈活地配置成鏈形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。脈沖信號(hào)發(fā)生器可工作在4種工作模式,,滿足多種控制需求,。最后,通過實(shí)驗(yàn)測試了脈沖發(fā)生器的工作模式和精度,。
中圖分類號(hào): TN782
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180998
中文引用格式: 林浩,韓慶敏,,宋棟,,等. 基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖發(fā)生器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(10):64-67,,72.
英文引用格式: Lin Hao,Han Qingmin,,Song Dong,,et al. Pulse generator with real-time industrial ethernet[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(10):64-67,,72.
Pulse generator with real-time industrial ethernet
Lin Hao,Han Qingmin,,Song Dong,,Chen Hai
The 6th Research Institute of China Electronics Corporation,Beijing 100083,,China
Abstract: The pulse generator is the basic equipment for device drivers and control, widely used in many occasions, such as power electronics, motion control, vehicle control, etc. However, the used pulse generator is weak in communication, which cannot meet high-speed control requirements or be used in the intelligent manufacturing application. To solve the above problem, this paper designed a pulse generator with real-time industrial ethernet EtherCAT and Loongson processor LS1C. The designed pulse generators can form the daisy chain and ring topology by EtherCAT. And the pulse generator is very flexible and suited for many different applications with its four operation modes. Finally, experiment results are presented to demonstrate the operation modes and performance.
Key words : real-time industrial ethernet,;EtherCAT;pulse generator

0 引言

    脈沖發(fā)生器是電力電子,、工業(yè)控制,、機(jī)器人等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種儀器設(shè)備[1-3]。脈沖發(fā)生器通常采用模擬電路,、微處理器等進(jìn)行設(shè)計(jì),,文獻(xiàn)[2]基于運(yùn)放、三極管等分立模擬器件設(shè)計(jì)了一種PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源,,文獻(xiàn)[4]提出了基于HCS12單片機(jī)增強(qiáng)型定時(shí)器復(fù)用I/O輸出頻率和占空比可控PWM信號(hào)的開發(fā)方案,,解決了由于硬件限制導(dǎo)致PWM輸出通道不足的問題。文獻(xiàn)[5]基于嵌入式SoC設(shè)計(jì)了一種通用死區(qū)可配置的PWM信號(hào)發(fā)生器,,實(shí)現(xiàn)了靈活的控制策略配置,。采用分立模擬器件搭建的電路產(chǎn)生PWM信號(hào),,元器件較多,電路較為復(fù)雜,,調(diào)試?yán)щy,。微處理器或SoC等產(chǎn)生PWM信號(hào),當(dāng)信號(hào)通道較少時(shí)微處理器能滿足要求,,當(dāng)PWM信號(hào)多于4路時(shí),,由于處理器指令順序執(zhí)行,會(huì)產(chǎn)生較大延遲,,從而使PWM信號(hào)波形不穩(wěn)[3],。因此,可采用FPGA進(jìn)行PWM信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),,F(xiàn)PGA指令是并行執(zhí)行,,信號(hào)通道的增多不會(huì)影響脈沖信號(hào)的速度和穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制[6],,文獻(xiàn)[3]和[7]利用FPGA設(shè)計(jì)了能同時(shí)輸出多路PWM信號(hào)的設(shè)備,,分別應(yīng)用在不同的場合。上述脈沖信號(hào)發(fā)生器均只能獨(dú)立單機(jī)運(yùn)行,,不能通過總線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活快速的配置,,因此文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于CAN的脈沖信號(hào)輸出方法及裝置,通過CAN報(bào)文更新PWM輸出頻率和占空比,,但是CAN總線通信速率通信較慢,,難以應(yīng)用在高速控制需求的場合。

    隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進(jìn)和開展,,網(wǎng)絡(luò)化,、智能化、數(shù)字化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)逐漸廣泛應(yīng)用[9],,對(duì)基礎(chǔ)控制設(shè)備提出了新的應(yīng)用要求,。傳統(tǒng)的單機(jī)脈沖發(fā)生器或基于總線的脈沖發(fā)生器不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高速通信和快速響應(yīng)需求,針對(duì)該問題,,本文設(shè)計(jì)了一種基于高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖信號(hào)發(fā)生器,,采用EtherCAT實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外部控制系統(tǒng)的通信,從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和穩(wěn)定的控制,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    脈沖發(fā)生器用于為工控現(xiàn)場側(cè)設(shè)備提供脈沖控制信號(hào),,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于工控設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高,,本文選用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行通信,,EtherCAT是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、拓?fù)潇`活,、同步精度高,、線纜冗余、具備功能安全協(xié)議功能等特點(diǎn),。脈沖發(fā)生器包括微處理器最小系統(tǒng),、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口,、光耦合器(以下簡稱光耦),、固態(tài)功率繼電器以及現(xiàn)場信號(hào)接口。其中,,EtherCAT通信控制器通過EtherCAT通信接口接收指令信號(hào),,并對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行解析,生成解析信號(hào),;微處理器根據(jù)解析信號(hào)配置脈沖信號(hào)的輸出模式并輸出對(duì)應(yīng)模式下的脈沖信號(hào),,脈沖信號(hào)經(jīng)光耦進(jìn)行電氣隔離后輸出到固態(tài)功率繼電器;固態(tài)功率繼電器用于提高脈沖信號(hào)的帶負(fù)載能力,,輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場信號(hào)接口輸出到現(xiàn)場側(cè)設(shè)備。

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    脈沖發(fā)生器采用EtherCAT總線通過EtherCAT通信控制器與主機(jī)通信,,EtherCAT通信控制器用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信的介質(zhì)訪問控制功能,,負(fù)責(zé)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀,實(shí)現(xiàn)EtherCAT主站與從站應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換,。微處理器用于實(shí)現(xiàn)脈沖輸出卡的邏輯計(jì)算,、協(xié)調(diào)控制等功能。

    脈沖發(fā)生器的EtherCAT通信控制器與通信接口包括兩種方式:MII接口和EBUS接口,。當(dāng)采用MII接口時(shí),,EtherCAT通信控制器通過MII接口連接PHY芯片,并通過RJ45接口與外部進(jìn)行通信,。當(dāng)采用EBUS接口時(shí),,EtherCAT通信控制器直接采用EBUS總線與外部通信。

    固態(tài)功率繼電器可實(shí)現(xiàn)輸出電路的保護(hù)功能,,包括過熱保護(hù),、短路保護(hù)等,并輸出診斷信號(hào)給微處理器,,診斷信號(hào)經(jīng)光耦進(jìn)行電氣隔離后輸入微處理器,,從而實(shí)現(xiàn)輸出電路的診斷功能,提高脈沖發(fā)生器的工作可靠性,。固態(tài)功率繼電器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過輸出防護(hù)電路后通過現(xiàn)場信號(hào)接口發(fā)送至現(xiàn)場側(cè)設(shè)備,。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU最小系統(tǒng)

    基于設(shè)備自主可控的因素,脈沖信號(hào)發(fā)生器選用龍芯處理器LS1C0300A,LS1C是基于GS232處理器核,,提供豐富的外設(shè)接口,。采用LS1C的最小系統(tǒng)電路框圖如圖2所示,包括電源,、調(diào)試口JTAG,、串口UART、存儲(chǔ)器SDRAM,、Nand Flash,、SPI Flash、串行通信SPI接口,、復(fù)位電路以及通用的GPIO接口等部分,。其中SPI接口連接至EtherCAT從站控制器ET1100;GPIO連接至脈沖輸出電路和診斷電路,,并控制報(bào)警電路,,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,。LS1C內(nèi)部集成RTC功能,,因此在RTC_Clk管腳連接外部時(shí)鐘源32.768 kHz晶振,并提供RTC電池,,保持掉電狀況下的精確計(jì)時(shí),。SDRAM通過并行總線連接至LS1C,用于存儲(chǔ)處理器運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)和加載的程序等,。LS1C具備多種啟動(dòng)方式,,配置對(duì)應(yīng)管腳選擇啟動(dòng)方式,本設(shè)計(jì)中Nand_D4與Nand_D5引腳分別連接至高電平和低電平,,設(shè)置LS1C從SPI Flash啟動(dòng),,加載PMON引導(dǎo)系統(tǒng)。

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2.2 EtherCAT通信電路

    EtherCAT通信電路實(shí)現(xiàn)EtherCAT信號(hào)的收發(fā)功能,,如圖3所示,,包括ET1100、PHY,、EEPROM,、時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)變壓器,、RJ45接口等部分,。ET1100是實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片,處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀,,并為從站控制裝置提供數(shù)據(jù)接口,。ET1100通過PHY_0接收EtherCAT報(bào)文,,從報(bào)文中提取發(fā)送給自己的命令數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū),并將本地?cái)?shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)寫到相應(yīng)的子報(bào)文中,,實(shí)現(xiàn)外部命令與從站本地?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換,,然后ET1100通過PHY_1將EtherCAT報(bào)文發(fā)送給下一設(shè)備。

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    EEPROM存儲(chǔ)器與EtherCAT通信控制器通過IIC總線連接,。ET1100通過IIC接口與EEPROM連接通信,,EEPROM存儲(chǔ)ET1100的設(shè)備配置信息。ET1100連接兩個(gè)MII接口,,并輸出時(shí)鐘信號(hào)PHY_Clk,、復(fù)位信號(hào)Reset給PHY器件。由于ET1100為降低處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲,,對(duì)MII接口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),,對(duì)PHY芯片的選擇提出了約束條件[10],本設(shè)計(jì)中選用MICREL公司的KSZ8051MLL,。ET1100的配置引腳與MII引腳復(fù)用,,為了清晰說明本電路的工作模式,在圖3中單獨(dú)展示關(guān)鍵配置引腳,,分別將P_MODE[0]和P_MODE[1]引腳連接至地,,選擇使用ET1100的端口0和端口1,并將P_CONF(0)和P_CONF(1)引腳連接至地,,設(shè)置端口0和端口1使用MII接口,,實(shí)現(xiàn)與PHY芯片的通信。

2.3 輸出驅(qū)動(dòng)電路

    脈沖輸出電路包括光耦,、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路,如圖4所示,。光耦實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場側(cè)設(shè)備與內(nèi)部電路的電氣隔離,。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的功率放大功能,選用ST公司的小封裝高效能工業(yè)智能固態(tài)功率繼電器VNI2140J,,可實(shí)現(xiàn)每路的輸出電流1 A,,滿足工業(yè)使用要求。VNI2140J內(nèi)置負(fù)載斷路保護(hù)功能,,為每路輸出提供獨(dú)立的主動(dòng)限流功能,,防止負(fù)載失效導(dǎo)致的系統(tǒng)電源電壓降低,提供地線失效保護(hù)和診斷功能,,當(dāng)負(fù)載過大或出現(xiàn)短路時(shí),,功率繼電器輸出診斷信號(hào),并通過光耦反饋到CPU芯片實(shí)現(xiàn)故障診斷功能,。

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3 軟件設(shè)計(jì)

    脈沖信號(hào)發(fā)生器的工作流程如圖5所示,,系統(tǒng)上電后,首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,包括UART,、SPI,、通用定時(shí)器、GPIO,、ET1100,、Flash、SDRAM等外設(shè),。然后通過ET1100接收設(shè)備的配置參數(shù),,包括工作模式、時(shí)基,、周期等參數(shù),;處理器根據(jù)配置參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置,接收EtherCAT主站的控制數(shù)據(jù),,包括占空比,、周期、延遲等,,對(duì)其進(jìn)行解析,、計(jì)算,并輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào),。在輸出信號(hào)的同時(shí),,設(shè)備采集故障信息,如果有故障,,設(shè)備進(jìn)行報(bào)警處理,,并將報(bào)警數(shù)據(jù)寫入寄存器和EtherCAT報(bào)文。

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    主站設(shè)置的參數(shù)包括工作模式,、占空比,、時(shí)基、延時(shí),、周期等參數(shù),。占空比說明輸出的脈沖信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間占脈沖周期的比例;周期說明輸出脈沖信號(hào)的頻率,;時(shí)基說明脈沖信號(hào)的最小時(shí)間分辨率,;延時(shí)說明在信號(hào)使能后脈沖信號(hào)經(jīng)過延遲時(shí)間后再輸出。

    工作模式確定設(shè)備的脈沖信號(hào)輸出模式,,包括4種工作模式:脈沖輸出模式,、脈寬調(diào)制(PWM)模式、脈沖串模式以及延時(shí)模式,。脈沖輸出模式為脈沖發(fā)生器輸出一個(gè)指定幅值和高電平持續(xù)時(shí)間的脈沖,,其余時(shí)間均為低電平,。脈寬調(diào)制模式為脈沖發(fā)生器持續(xù)輸出脈沖信號(hào),其中脈沖幅值和周期固定,,脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間根據(jù)接收到的EtherCAT信號(hào)可自動(dòng)調(diào)節(jié),。脈沖串模式為脈沖發(fā)生器輸出指定個(gè)數(shù)的脈沖,其中脈沖幅值,、周期和高電平持續(xù)時(shí)間均在收到的EtherCAT信號(hào)中指定,。延時(shí)模式為當(dāng)脈沖發(fā)生器接收的數(shù)字量輸入信號(hào)變化時(shí)(包括上升沿或下降沿),延時(shí)指定的時(shí)間再輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào),,其中數(shù)字量輸入信號(hào)變化方式,、延時(shí)時(shí)間、輸出的脈沖信號(hào)類型通過脈沖發(fā)生器接收到的EtherCAT報(bào)文數(shù)據(jù)決定,。通過上述4種工作模式,,脈沖發(fā)生器能夠滿足不同現(xiàn)場設(shè)備的工作需求。

4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

    脈沖信號(hào)發(fā)生器具有兩個(gè)EtherCAT通信接口,,通過EtherCAT通信接口可將多個(gè)脈沖發(fā)生器組網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸出通道的擴(kuò)展功能,其中每個(gè)脈沖發(fā)生器為一個(gè)EtherCAT從站,。組網(wǎng)方式包括菊花鏈形和環(huán)形,,分別如圖6和圖7所示。

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    多個(gè)脈沖發(fā)生器組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)時(shí),,網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障或者鏈路斷開時(shí),,EtherCAT主站可通過環(huán)網(wǎng)的兩端分別訪問其余脈沖信號(hào)發(fā)生器,從而提高系統(tǒng)的可靠性,。

5 試驗(yàn)

    本文基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT設(shè)計(jì)了脈沖信號(hào)發(fā)生器,,具備4種工作模式,分別對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn),,結(jié)果如圖8所示,,其中,圖(a)展示脈沖輸出模式試驗(yàn)結(jié)果,,輸出1 s高電平信號(hào),其他時(shí)間均為低電平,;圖(b)展示脈寬調(diào)制(PWM)模式試驗(yàn)結(jié)果,,輸出周期為1 s,占空比60%的脈沖信號(hào),;圖(c)展示脈沖串模式試驗(yàn)結(jié)果,,輸出3個(gè)脈沖,周期為1 s,,占空比為60%,;圖(d)展示延時(shí)模式試驗(yàn)結(jié)果,,通道2采集高電平信號(hào),通道1采集脈沖信號(hào),,可看出,,在高電平1 s后,脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期為1 s,、占空比為50%的3個(gè)脈沖信號(hào),。試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器能夠根據(jù)主站的配置產(chǎn)生4種模式的脈沖信號(hào),。

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6 結(jié)論

    本文針對(duì)傳統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)生器通信能力弱的問題,,基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和龍芯LS1C處理器設(shè)計(jì)了一種具備高速通信能力的脈沖信號(hào)發(fā)生器。設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器具備4種工作模式,,可應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,、車輛控制、電力電子以及工業(yè)控制等多種應(yīng)用場合,。

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作者信息:

林  浩,,韓慶敏,,宋  棟,陳  海

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所,,北京100083)

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