基于嵌入式Linux的EtherCAT主站系统开发

发布时间：2017-05-18 16:32

  本文关键词：基于嵌入式Linux的EtherCAT主站系统开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统现场总线过缓的通信速率已成为伺服控制系统发展的“瓶颈”,严重阻碍了伺服控制系统的发展。EtherCAT的出现,彻底解决了这一问题,它凭借超高的通信速率等诸多优势,很快在控制运动领域占据了主导地位。但当前的EtherCAT主站主要基于PC机开发,其质量和体积过大,在很多场合并不适用,因此本文开发了基于ARM平台的EtherCAT主站。本文首先详细剖析了EtherCAT技术及原理,然后搭建了基于ARM9和DM9000以太网控制芯片的EtherCAT主站硬件平台,并进行了软件代码的整体设计,把整个代码分为3层,共5个模块,进行软件的层次化开发。最底层的EtherCAT驱动程序,负责完成硬件数据帧的收发、实现对EtherCAT协议的支持；EtherCAT主站协议运行于内核层,负责实现EtherCAT数据链路层的工作,包括邮箱通信、过程数据通信等基本通信操作,并通过CoE接口实现了对CANopen应用层协议的支持；最上层的应用程序基于CoE应用层开发,完成了对伺服电机的驱动控制,实现了速度控制和位置控制两种操作模式；最后在本文开发的基于嵌入式Linux的EtherCAT主站平台上,设计了通信实验和电机运动控制实验,检验EtherCAT主站的通信功能和应用功能。实验结果表明,本文设计的嵌入式EtherCAT主站已完全实现通信功能,并可对电机进行简单控制,控制周期可达5ms。本文最大的创新性是基于ARM平台开发了EtherCAT主站,这个领域国内外均很少有人涉及。鉴于ARM的巨大优势,随着ARM硬件性能的不断提升,基于嵌入式平台的伺服控制系统定会获得广泛应用。本文正是基于此,开发了嵌入式EtherCAT主站,旨在该领域先行一步,并为后续的开发提供平台。
【关键词】：EtherCAT 主站 嵌入式 通信 运动控制
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP273;TP368.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题背景与研究意义11-15
• 1.1.1 课题背景11-14
• 1.1.2 研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.3 全文内容大纲17-19
• 第2章 EtherCAT网络协议分析及整体设计19-35
• 2.1 EtherCAT系统构成20-23
• 2.1.1 主站构成20-21
• 2.1.2 从站构成21-23
• 2.2 EtherCAT网络协议工作原理23-29
• 2.2.1 EtherCAT帧结构24-25
• 2.2.2 EtherCAT寻址方式25-26
• 2.2.3 同步管理器26-28
• 2.2.4 EtherCAT状态机28-29
• 2.2.5 EtherCAT应用层协议29
• 2.3 EtherCAT主站整体设计29-35
• 2.3.1 EtherCAT主站功能分析29-31
• 2.3.2 EtherCAT主站硬件平台搭建31-33
• 2.3.3 EtherCAT主站软件架构设计33-35
• 第3章 EtherCAT主站代码的设计与实现35-53
• 3.1 EtherCAT-capable驱动程序的设计35-38
• 3.1.1 DM9000网卡驱动程序的编写35-37
• 3.1.2 EtherCAT协议驱动程序的实现37-38
• 3.2 通信模块的设计与实现38-45
• 3.2.1 统一数据格式39
• 3.2.2 建立EtherCAT数据报文39-40
• 3.2.3 读写原语功能设计40-43
• 3.2.4 读写操作的具体实现43-45
• 3.3 功能模块的设计与实现45-50
• 3.3.1 邮箱通信46-47
• 3.3.2 过程数据通信47-48
• 3.3.3 错误处理48
• 3.3.4 从站状态机的处理48-49
• 3.3.5 EEPROM模块和从站配置49-50
• 3.4 EtherCAT通信总结50-53
• 第4章 基于CoE的运动控制系统设计53-67
• 4.1 CoE结构和功能分析53-58
• 4.1.1 对象字典54-55
• 4.1.2 服务数据对象55-56
• 4.1.3 过程数据对象56-57
• 4.1.4 其他服务对象57-58
• 4.2 CoE通信服务58-61
• 4.2.1 PDO通信服务58-59
• 4.2.2 SDO通信服务59-61
• 4.3 主从站通信接口设计61-63
• 4.3.1 从站硬件选型61-62
• 4.3.2 通信接口设计62-63
• 4.4 基于CML的运动控制模式实现63-67
• 4.4.1 伺服控制系统的3种运行模式63-65
• 4.4.2 速度控制模式65
• 4.4.3 位置控制模式65-67
• 第5章 基于嵌入式EtherCAT主站的实验设计67-77
• 5.1 EtherCAT主站通信实验设计67-71
• 5.1.1 测试流程67-70
• 5.1.2 测试结果及分析70-71
• 5.2 EtherCAT主站电机控制实验设计71-74
• 5.2.1 电机速度控制实验72-73
• 5.2.2 电机位置控制实验73-74
• 5.3 总结74-77
• 第6章 总结与展望77-79
• 6.1 本文工作总结77
• 6.2 未来工作展望77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85

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