0 引言

    脈沖發(fā)生器是電力電子、工業(yè)控制,、機器人等領(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,，文獻(xiàn)[2]基于運放,、三極管等分立模擬器件設(shè)計了一種PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動電源，文獻(xiàn)[4]提出了基于HCS12單片機增強型定時器復(fù)用I/O輸出頻率和占空比可控PWM信號的開發(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)計了一種通用死區(qū)可配置的PWM信號發(fā)生器，實現(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,，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，當(dāng)信號通道較少時微處理器能滿足要求,，當(dāng)PWM信號多于4路時,，由于處理器指令順序執(zhí)行，會產(chǎn)生較大延遲,，從而使PWM信號波形不穩(wěn)^[3],。因此，可采用FPGA進(jìn)行PWM信號發(fā)生器的設(shè)計，F(xiàn)PGA指令是并行執(zhí)行,，信號通道的增多不會影響脈沖信號的速度和穩(wěn)定性,，從而實現(xiàn)高精度的控制^[6]，文獻(xiàn)[3]和[7]利用FPGA設(shè)計了能同時輸出多路PWM信號的設(shè)備,，分別應(yīng)用在不同的場合。上述脈沖信號發(fā)生器均只能獨立單機運行,，不能通過總線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場控制系統(tǒng)實現(xiàn)靈活快速的配置,，因此文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種基于CAN的脈沖信號輸出方法及裝置，通過CAN報文更新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],，對基礎(chǔ)控制設(shè)備提出了新的應(yīng)用要求,。傳統(tǒng)的單機脈沖發(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，針對該問題,，本文設(shè)計了一種基于高速實時工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖信號發(fā)生器,，采用EtherCAT實現(xiàn)設(shè)備與外部控制系統(tǒng)的通信，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和穩(wěn)定的控制,。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    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,，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于工控設(shè)備對實時性要求較高,，本文選用實時以太網(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)，具有實時性強,、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,。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)場信號接口,。其中,，EtherCAT通信控制器通過EtherCAT通信接口接收指令信號，并對指令信號進(jìn)行解析，生成解析信號,；微處理器根據(jù)解析信號配置脈沖信號的輸出模式并輸出對應(yīng)模式下的脈沖信號,，脈沖信號經(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的帶負(fù)載能力,，輸出的脈沖信號經(jīng)現(xiàn)場信號接口輸出到現(xiàn)場側(cè)設(shè)備,。

    脈沖發(fā)生器采用EtherCAT總線通過EtherCAT通信控制器與主機通信，EtherCAT通信控制器用于實現(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。微處理器用于實現(xiàn)脈沖輸出卡的邏輯計算,、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,，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,，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,，并輸出診斷信號給微處理器，診斷信號經(jīng)光耦進(jìn)行電氣隔離后輸入微處理器,，從而實現(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經(jīng)過輸出防護(hù)電路后通過現(xiàn)場信號接口發(fā)送至現(xiàn)場側(cè)設(shè)備,。

2 硬件設(shè)計

2.1 CPU最小系統(tǒng)

    基于設(shè)備自主可控的因素,，脈沖信號發(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，并控制報警電路,，當(dāng)出現(xiàn)故障時,，實現(xiàn)報警功能。LS1C內(nèi)部集成RTC功能,，因此在RTC_Clk管腳連接外部時鐘源32.768 kHz晶振,，并提供RTC電池，保持掉電狀況下的精確計時,。SDRAM通過并行總線連接至LS1C,，用于存儲處理器運行過程中的數(shù)據(jù)和加載的程序等。LS1C具備多種啟動方式,，配置對應(yīng)管腳選擇啟動方式，本設(shè)計中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,，加載PMON引導(dǎo)系統(tǒng)。

2.2 EtherCAT通信電路

    EtherCAT通信電路實現(xiàn)EtherCAT信號的收發(fā)功能,，如圖3所示,，包括ET1100、PHY,、EEPROM,、時鐘、網(wǎng)絡(luò)變壓器,、RJ45接口等部分,。ET1100是實現(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報文，從報文中提取發(fā)送給自己的命令數(shù)據(jù)并將其存儲在內(nèi)部存儲區(qū),，并將本地數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲區(qū)寫到相應(yīng)的子報文中,，實現(xiàn)外部命令與從站本地數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換，然后ET1100通過PHY_1將EtherCAT報文發(fā)送給下一設(shè)備,。

    EEPROM存儲器與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ET1100的設(shè)備配置信息,。ET1100連接兩個MII接口,，并輸出時鐘信號PHY_Clk、復(fù)位信號Reset給PHY器件,。由于ET1100為降低處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲,，對MII接口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,，對PHY芯片的選擇提出了約束條件^[10]，本設(shè)計中選用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,，實現(xiàn)與PHY芯片的通信。

2.3 輸出驅(qū)動電路

    脈沖輸出電路包括光耦,、驅(qū)動電路和保護(hù)電路,，如圖4所示。光耦實現(xiàn)現(xiàn)場側(cè)設(shè)備與內(nèi)部電路的電氣隔離,。驅(qū)動電路實現(xiàn)脈沖信號的功率放大功能,，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，為每路輸出提供獨立的主動限流功能,，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,，功率繼電器輸出診斷信號,，并通過光耦反饋到CPU芯片實現(xiàn)故障診斷功能。

3 軟件設(shè)計

    脈沖信號發(fā)生器的工作流程如圖5所示,，系統(tǒng)上電后,，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括UART,、SPI,、通用定時器、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、時基,、周期等參數(shù),；處理器根據(jù)配置參數(shù)對設(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，對其進(jìn)行解析,、計算,，并輸出對應(yīng)的脈沖信號。在輸出信號的同時,，設(shè)備采集故障信息,，如果有故障，設(shè)備進(jìn)行報警處理,，并將報警數(shù)據(jù)寫入寄存器和EtherCAT報文,。

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

    工作模式確定設(shè)備的脈沖信號輸出模式,，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模式,。脈沖輸出模式為脈沖發(fā)生器輸出一個指定幅值和高電平持續(xù)時間的脈沖,，其余時間均為低電平。脈寬調(diào)制模式為脈沖發(fā)生器持續(xù)輸出脈沖信號,，其中脈沖幅值和周期固定,，脈沖的高電平持續(xù)時間根據(jù)接收到的EtherCAT信號可自動調(diào)節(jié)。脈沖串模式為脈沖發(fā)生器輸出指定個數(shù)的脈沖,，其中脈沖幅值,、周期和高電平持續(xù)時間均在收到的EtherCAT信號中指定。延時模式為當(dāng)脈沖發(fā)生器接收的數(shù)字量輸入信號變化時（包括上升沿或下降沿）,，延時指定的時間再輸出相應(yīng)的脈沖信號,，其中數(shù)字量輸入信號變化方式、延時時間,、輸出的脈沖信號類型通過脈沖發(fā)生器接收到的EtherCAT報文數(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>

    脈沖信號發(fā)生器具有兩個EtherCAT通信接口,，通過EtherCAT通信接口可將多個脈沖發(fā)生器組網(wǎng)構(gòu)成一個系統(tǒng),，實現(xiàn)脈沖信號輸出通道的擴(kuò)展功能，其中每個脈沖發(fā)生器為一個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。

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

5 試驗

    本文基于實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT設(shè)計了脈沖信號發(fā)生器,，具備4種工作模式，分別對其進(jìn)行試驗,，結(jié)果如圖8所示,，其中，圖(a)展示脈沖輸出模式試驗結(jié)果,，輸出1 s高電平信號,，其他時間均為低電平；圖(b)展示脈寬調(diào)制（PWM）模式試驗結(jié)果,，輸出周期為1 s,，占空比60%的脈沖信號；圖(c)展示脈沖串模式試驗結(jié)果,，輸出3個脈沖,，周期為1 s，占空比為60%,；圖(d)展示延時模式試驗結(jié)果,，通道2采集高電平信號，通道1采集脈沖信號,，可看出,，在高電平1 s后，脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為1 s,、占空比為50%的3個脈沖信號,。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的脈沖信號發(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,。

6 結(jié)論

    本文針對傳統(tǒng)脈沖信號發(fā)生器通信能力弱的問題,，基于實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和龍芯LS1C處理器設(shè)計了一種具備高速通信能力的脈沖信號發(fā)生器。設(shè)計的脈沖發(fā)生器具備4種工作模式,，可應(yīng)用于機器人運動控制,、車輛控制,、電力電子以及工業(yè)控制等多種應(yīng)用場合。

參考文獻(xiàn)

[1] 齊悅,，楊耕,，竇曰軒，等.PWM控制下多電平混合逆變電路的脈寬調(diào)制及拓?fù)浞治鯷J].電工技術(shù)學(xué)報,，2003,，18(2)：13-17，26.

[2] 鐘少強.PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動電源：中國,，201610819177.3[P].2016-09-12.

[3] 范啟富,，張文鋒，溫超.基于FPGA的多功能多路舵機控制器的實現(xiàn)[J].控制工程,，2008,，15(6)：696-698.

[4] 馮道寧，劉昭度,，葉陽.3種基于HCS12定時器的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,，2012，34(2)：140-143.

[5] 張躍玲,，汪健,，趙忠惠，等.一種嵌入式SOC系統(tǒng)中通用死區(qū)可配置PWM波生成電路,，中國,，201610842367.7[P].2016-09-22.

[6] POORANI S，URMILAPRIYA T,，KUMAR K,，et al.FPGA base fuzzy logic controller for electric vehicle[J].The Institution of Engineers,，2005,，45(5)：1-14.

[7] 楊曉峰，李要乾,，鄭瓊林,，等.基于DSP-FPGA的模塊化多電平換流器PWM脈沖方案對比[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2015,，39(5)：61-68.

[8] 何丹丹,，紀(jì)立君，張進(jìn)明,，等.一種信號輸出方法及裝置,，中國，201710134107.9[P].2017-03-08.

[9] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[R].2016.

[10] Beckhoff,，EtherCAT slave controller ET1100 hardware data sheet[Z].2010.

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）