基于EtherCAT总线的陀螺飞轮通信系统设计与实现

发布时间：2020-05-23 20:09

【摘要】：随着航天技术的不断发展,航天器小型化引起了国内外许多机构和研究者的关注。陀螺飞轮是一种集成了姿态控制和测量功能的新型设备。它能够输出三轴姿态控制力矩,同时感应航天器两轴姿态角速度。现有的陀螺飞轮样机系统采用上位机和下位机结合的控制方式,上、下位机之间通过研华系列PCL板卡进行通信,成本较高,结构复杂。针对以上不足,本文基于EtherCAT总线,设计并实现了陀螺飞轮通信系统。首先,针对EtherCAT通信协议,分析了其运行原理和数据帧结构。EtherCAT报文可以通过网段寻址,逻辑寻址,设备寻址与从站准确匹配;主从站通信根据时间关键与否可分为非周期性邮箱数据通信和周期性过程数据通信;主站将从站配置到运行状态即可与从站进行EtherCAT通信。其次,完成了Windows系统下的EtherCAT主站设计,包括网卡驱动模块,配置模块,数据通信模块。网卡驱动模块主要通过调用WinPcap中的库函数实现,可以配置网卡,发送和接收数据;配置模块,主要通过构造并发送接收数据帧来对从站各寄存器进行配置,将从站由初始化状态转换至运行状态;数据通信模块,通过定时器周期性采集陀螺飞轮数据信息,输出控制量。然后,完成了RTX系统下的EtherCAT主站设计。RTX系统能够对Windows操作系统进行实时性扩展,有效解决了Windows平台的实时性问题。RTX系统下的EtherCAT通信同样包含网卡驱动模块,配置模块,数据通信模块。其中,网卡驱动模块通过修改IntervalZero官方提供的网卡开源驱动程序实现;配置模块只需采用RTX系统下的发送和接收函数即可,状态转换过程完全相同;数据通信模块需要利用RTX系统下的定时器实现。最后,搭建了系统实验平台并进行测试。主站和从站之间通过交换机连接,并与另一台计算机相连。测试了两种系统下的系统时钟精度和稳定性,并分别测试网卡驱动模块、配置模块和数据通信模块的功能。通过Wireshark软件监测网卡发送并接收的EtherCAT数据帧,利用示波器测量相应管脚电压值,根据主站接收的数据进行分析,各种实验结果均表明主从站之间可以正常进行EtherCAT通信,可保证陀螺飞轮系统数据通信需求。
【图文】：

图 2-1 EtherCAT 运行原理图 2-2 EtherCAT 帧格式表 2-1 给出了 EtherCAT 数据帧结构定义。表 2-1 EtherCAT 数据帧结构定义

EtherCAT帧格式表2-1给出了EtherCAT数据帧结构定义
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2

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本文编号：2677886