实时工业以太网EtherCAT主站的研究与设计

发布时间：2017-06-09 02:10

  本文关键词：实时工业以太网EtherCAT主站的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着工业控制要求日益提高,传统现场总线越来越多的表现出传输速率低、数据量小等问题,而另一方面,计算机和高速以太网通信技术产业正迅猛发展。新一代的现场总线引入以太网技术即实时工业以太网己成为近年工业领域的研究与应用热点。其中,实时工业以太网EtherCAT因其出色的高速性、实时性、灵活性等技术特点而备受关注。但目前EtherCAT技术基本被国外企业垄断,国内较少拥有自主技术。通过分析工业以太网的优势以及EtherCAT技术特点,并结合了国内外的发展情况,选择工业以太网EtherCAT作为研究课题,并以TI的Beaglebone开发板为硬件平台,设计基于EtherCAT的嵌入式主站。通过研究分析工业以太网EtherCAT的协议,对EtherCAT通信协议的物理层、数据链路层和应用层的具体内容进行介绍,深入解析了FMMU、同步管理器、同步通信模式和COE等多个协议要点。根据协议内容,使用UML建模分析工具对EtherCAT主站软件进行解耦,并设计主站软件架构及程序实现。对EtherCAT协议栈层与EtherCAT服务层的设计思路与设计方案给出了详细的解析,并对里面的每个模块具体内容进行了详细设计。最后文章给出了本设计的验证方案。由自主研制的主站与基于EtherCAT的三洋R-Advanced系列伺服构建完整网络,由本主站控制伺服状态机达到运行状态以验证本设计的可行性,并通过Wireshark抓包软件进行验证。另外通过控制通过在SYNC同步模式下控制伺服电机的运行以验证本主站的同步性功能。最后使用Hilscher公司的网络分析工具NetAnalyzer对本设计进行性能分析。
【关键词】：EtherCAT 统一建模语言 软件架构 嵌入式主站
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题背景11
• 1.2 工业以太网11-15
• 1.2.1 实时工业以太网介绍12-13
• 1.2.2 实时工业以太网对比分析13-15
• 1.3 EtherCAT国内外研究现状15-17
• 1.3.1 工业4.0时代17
• 1.4 课题研究意义17
• 1.5 本文的主要内容17-19
• 第二章 EtherCAT协议19-39
• 2.1 EtherCAT概述19-21
• 2.2 EtherCAT物理层21
• 2.3 EtherCAT数据链路层21-30
• 2.3.1 EtherCAT数据帧22-25
• 2.3.2 EtherCAT现场总线内存管理单元25-26
• 2.3.3 EtherCAT同步管理器26-28
• 2.3.4 EtherCAT分布时钟28-30
• 2.4 EtherCAT应用层30-38
• 2.4.1 COE介绍31-32
• 2.4.2 COE状态机32-33
• 2.4.3 PDO映射33-34
• 2.4.4 同步模式34-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 EtherCAT主站开发方案设计39-50
• 3.1 EtherCAT主站软件架构设计39-48
• 3.1.1 EtherCAT主站软件系统需求分析39-42
• 3.1.2 EtherCAT主站软件架构设计42-43
• 3.1.3 EtherCAT协议栈层方案设计43-46
• 3.1.4 EtherCAT服务层方案设计46-48
• 3.2 硬件平台介绍48-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 EtherCAT主站协议栈设计与实现50-59
• 4.1 数据帧模块50-52
• 4.2 报文封装与解析模块52-54
• 4.3 发送队列与接收存储器54-56
• 4.4 发送接收调度模块56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 EtherCAT主站服务层设计与实现59-68
• 5.1 ESC寄存器模块与COE模块59-62
• 5.2 从站管理器62
• 5.3 逻辑空间管理器62-64
• 5.4 节拍器与任务模块64-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 系统测试与试验结果68-76
• 6.1 EtherCAT主站可行性测试与分析68-73
• 6.2 EtherCAT主站性能测试与分析73-75
• 6.3 本章小结75-76
• 总结与展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82

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本文编号：434237