基于EtherCAT协议的实时主站系统研究和开发
发布时间：2020-12-12 21:33
传统现场总线由于分类标准繁多无法统一、传输数据量小等缺点越来越难以满足不断发展的工业控制需求,基于以太网技术的工业现场总线逐渐成为一个重要的发展方向。EtherCAT是一种实时可靠的工业现场总线技术,具有系统结构简单、传输速度快、效率高等优点。本论文设计了一套EtherCAT主站协议栈的完整方案,分别使用RTX和Xenomai实时扩展内核提升了Windows和Linux两个系统平台下主站系统的实时性能,并提出一种时钟漂移补偿计算方法提高了主从系统间的同步精度。本文首先研究了EtherCAT总线协议,深入解析物理层、数据链路层和应用层多个协议要点,包括物理传输标准、数据帧结构、寻址方式、通信服务命令、分布时钟、状态机、存储同步管理通道以及CoE协议。通过对EtherCAT协议和主从站通信需求的深入分析,实现了由主站协议栈和网络通信硬件组成的EtherCAT主站系统。主站协议栈根据功能划分为四个模块:协议配置模块、通信运行模块、网络驱动模块和应用层接口模块。各模块根据设计要求互相配合,实现从站各状态下配置协议通道、控制从站状态转换、在从站运行期间收发过程数据帧控制从站输出的功能。深入研究了...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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图 4-2 RTX/Windows 延迟测试结果4.1.2 Xenomai/Linux 实时系统Linux 是一个高可靠性、高可移植性、可剪裁、免费的操作系统，最大的特点是源代码完全公开，具有功能强大、开发工具多等特点。Linux 系统存在快速执行服务程序而关闭中断的机制，高优先级任务无法抢占低优先级任务运行，增加了中断响应和任务调度时间，极大地破坏了实时性。同时 Linux 系统时钟粒度粗糙，系统调度任务能达到的最小周期相对过大，接近 1ms 左右，而一般伺服系统的最小控制周期已经远远低于 1ms。同时如果系统时钟粒度设置太小，会增大系统资源开销降低系统吞吐率[64]。因此配置一个实时 Linux 系统是开发 EtherCAT 实时主站的前提条件之一。Linux 实时改造方法包括修改 Linux 内核源码和双内核法[65]。修改内核源码可以通过安装 Preempt_RT 实时补丁实现操作[66]。双内核法是在 Linux 内核外扩展一个用于执行实时任务的微内核，两个内核在同一个硬件平台配合工作，对原有内核的修改小，保
图 4-4 Xenomai 1ms 延迟测试结果分析该测试结果，在 1ms 调度情况下没有出错，平均延迟时间小于 1.5μs，最间低于 16μs。根据该测试结果可知，Xenomai/Linux 实时系统稳定可靠，具有时性能，能够满足高速高精度的工业运动控制领域的实时性需求。 实时网络通信在工业控制计算机平台上常使用集成网卡完成网络数据链路层和物理层的通为保证主站软件网络通信收发 EtherCAT 数据帧的实时性，需要将系统平台的设备添加到相应的实时扩展系统中，配置实时的网络通信协议栈。RTX 和 X络通信及网卡驱动配置安装方式互不相同，分别介绍如下。（1）RTX 子系统提供有实现实时网络通信的接口函数，同时提供有网卡设备件。网卡设备默认为 Windows 的硬件设备，在 RTX 属性控制面板或 Wind理器的网卡驱动安装界面中选取 INF 文件即可转换到 RTX 子系统下。程序开发过程中，RTX 网卡初始化函数需要输入目标网卡设备的型号、PCI 总
【参考文献】：
期刊论文
[1]嵌入式Linux实时性改造技术综述[J]. 刘剑,仲宇,王琦. 航天控制. 2018(02)
[2]探讨以太网在工业领域的应用[J]. 闫洪猛. 电子世界. 2018(06)
[3]基于EtherCAT总线的工业机器人控制系统设计[J]. 王力宇,曹其新,董忠. 组合机床与自动化加工技术. 2017(10)
[4]基于Linux系统的EtherCAT主站的设计与实现[J]. 尹华山,孟凡军,安康康. 仪表技术. 2017(06)
[5]EtherCAT主站协议SoE的研究与实现[J]. 常玉冬,王超. 组合机床与自动化加工技术. 2016(11)
[6]EtherCAT时钟同步技术研究[J]. 刘辉,林威,王培盛,张钦宇. 计算机测量与控制. 2014(11)
[7]Linux实时抢占补丁研究及实时性能测试[J]. 张晓龙,郭锐锋,陶耀东,刘生. 计算机工程. 2014(10)
[8]EtherCAT精确时钟同步技术的实现[J]. 陈灏,宋宝,唐小琦. 组合机床与自动化加工技术. 2014(05)
[9]实时工业以太网技术的研究[J]. 魏亚鹏,韩卫光. 组合机床与自动化加工技术. 2013(07)
[10]EtherCAT时钟同步技术的研究与应用[J]. 俞士磊,樊留群,夏斌,朱志浩. 制造业自动化. 2013(12)
硕士论文
[1]基于国产PLC的从站固件开发及CoE协议的应用研究[D]. 尹敏.西安电子科技大学 2017
[2]高速高精多通道数控系统中基于FPGA的EtherCAT主站设计[D]. 张越盈.合肥工业大学 2017
[3]实时工业以太网EtherCAT主站的研究与设计[D]. 李俊杰.广东工业大学 2016
[4]基于RTX系统的实时并行处理技术研究[D]. 杨建.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[5]基于EtherCAT的伺服从站研发[D]. 李英姿.山东大学 2015
[6]嵌入式平台的EtherCAT主站开发[D]. 周开城.华中科技大学 2015
[7]EtherCAT从站软件的设计与实现[D]. 任计羽.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[8]基于EtherCAT工业以太网嵌入式主站研究[D]. 李晓曦.华南理工大学 2014
[9]EtherCAT在实时系统下的实现[D]. 吴丽菲.华南理工大学 2014
[10]基于EtherCAT工业以太网的现场控制系统主站设计与应用研究[D]. 杨林.南京理工大学 2014
本文编号：2913310
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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图 4-2 RTX/Windows 延迟测试结果4.1.2 Xenomai/Linux 实时系统Linux 是一个高可靠性、高可移植性、可剪裁、免费的操作系统，最大的特点是源代码完全公开，具有功能强大、开发工具多等特点。Linux 系统存在快速执行服务程序而关闭中断的机制，高优先级任务无法抢占低优先级任务运行，增加了中断响应和任务调度时间，极大地破坏了实时性。同时 Linux 系统时钟粒度粗糙，系统调度任务能达到的最小周期相对过大，接近 1ms 左右，而一般伺服系统的最小控制周期已经远远低于 1ms。同时如果系统时钟粒度设置太小，会增大系统资源开销降低系统吞吐率[64]。因此配置一个实时 Linux 系统是开发 EtherCAT 实时主站的前提条件之一。Linux 实时改造方法包括修改 Linux 内核源码和双内核法[65]。修改内核源码可以通过安装 Preempt_RT 实时补丁实现操作[66]。双内核法是在 Linux 内核外扩展一个用于执行实时任务的微内核，两个内核在同一个硬件平台配合工作，对原有内核的修改小，保
图 4-4 Xenomai 1ms 延迟测试结果分析该测试结果，在 1ms 调度情况下没有出错，平均延迟时间小于 1.5μs，最间低于 16μs。根据该测试结果可知，Xenomai/Linux 实时系统稳定可靠，具有时性能，能够满足高速高精度的工业运动控制领域的实时性需求。 实时网络通信在工业控制计算机平台上常使用集成网卡完成网络数据链路层和物理层的通为保证主站软件网络通信收发 EtherCAT 数据帧的实时性，需要将系统平台的设备添加到相应的实时扩展系统中，配置实时的网络通信协议栈。RTX 和 X络通信及网卡驱动配置安装方式互不相同，分别介绍如下。（1）RTX 子系统提供有实现实时网络通信的接口函数，同时提供有网卡设备件。网卡设备默认为 Windows 的硬件设备，在 RTX 属性控制面板或 Wind理器的网卡驱动安装界面中选取 INF 文件即可转换到 RTX 子系统下。程序开发过程中，RTX 网卡初始化函数需要输入目标网卡设备的型号、PCI 总
【参考文献】：
期刊论文
[1]嵌入式Linux实时性改造技术综述[J]. 刘剑,仲宇,王琦. 航天控制. 2018(02)
[2]探讨以太网在工业领域的应用[J]. 闫洪猛. 电子世界. 2018(06)
[3]基于EtherCAT总线的工业机器人控制系统设计[J]. 王力宇,曹其新,董忠. 组合机床与自动化加工技术. 2017(10)
[4]基于Linux系统的EtherCAT主站的设计与实现[J]. 尹华山,孟凡军,安康康. 仪表技术. 2017(06)
[5]EtherCAT主站协议SoE的研究与实现[J]. 常玉冬,王超. 组合机床与自动化加工技术. 2016(11)
[6]EtherCAT时钟同步技术研究[J]. 刘辉,林威,王培盛,张钦宇. 计算机测量与控制. 2014(11)
[7]Linux实时抢占补丁研究及实时性能测试[J]. 张晓龙,郭锐锋,陶耀东,刘生. 计算机工程. 2014(10)
[8]EtherCAT精确时钟同步技术的实现[J]. 陈灏,宋宝,唐小琦. 组合机床与自动化加工技术. 2014(05)
[9]实时工业以太网技术的研究[J]. 魏亚鹏,韩卫光. 组合机床与自动化加工技术. 2013(07)
[10]EtherCAT时钟同步技术的研究与应用[J]. 俞士磊,樊留群,夏斌,朱志浩. 制造业自动化. 2013(12)
硕士论文
[1]基于国产PLC的从站固件开发及CoE协议的应用研究[D]. 尹敏.西安电子科技大学 2017
[2]高速高精多通道数控系统中基于FPGA的EtherCAT主站设计[D]. 张越盈.合肥工业大学 2017
[3]实时工业以太网EtherCAT主站的研究与设计[D]. 李俊杰.广东工业大学 2016
[4]基于RTX系统的实时并行处理技术研究[D]. 杨建.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[5]基于EtherCAT的伺服从站研发[D]. 李英姿.山东大学 2015
[6]嵌入式平台的EtherCAT主站开发[D]. 周开城.华中科技大学 2015
[7]EtherCAT从站软件的设计与实现[D]. 任计羽.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[8]基于EtherCAT工业以太网嵌入式主站研究[D]. 李晓曦.华南理工大学 2014
[9]EtherCAT在实时系统下的实现[D]. 吴丽菲.华南理工大学 2014
[10]基于EtherCAT工业以太网的现场控制系统主站设计与应用研究[D]. 杨林.南京理工大学 2014
本文编号：2913310
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