發(fā)布時間：2018-03-28 23:07

  本文選題：EtherCAT　切入點：FPGA　出處：《合肥工業(yè)大學》2017年碩士論文

【摘要】：計算機、微電子技術的日新月異使得各行各業(yè)經歷了變革性的洗禮,在制造業(yè)具有舉足輕重地位的數(shù)控技術也趕上了這時代的潮流,突破了原有的格局,朝著開放多通道式、網(wǎng)絡互聯(lián)化、智能化發(fā)展,而數(shù)控系統(tǒng)的傳統(tǒng)通信接口的弱實時性、復雜的現(xiàn)場配置、固件升級困難等缺陷漸漸成為制約其向高速高精多通道發(fā)展的障礙。目前,以太網(wǎng)技術在工業(yè)領域中嶄露頭角,越來越多的數(shù)控系統(tǒng)通信接口 結合了 以太網(wǎng)技術,EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)工業(yè)實時以太網(wǎng)由德國倍福推出,將以太網(wǎng)技術執(zhí)行到了底層設備級,更兼具了高傳輸速率、高同步性、低延時、多拓撲等特性。針對數(shù)控技術中的通信接口問題,本文提出了基于FPGA實現(xiàn)實時以太網(wǎng)EtherCAT主站的設計方案。首先,結合數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展狀況查閱現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史,指出傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)通信接口的局限性,并提出新的要求。研究近年來出現(xiàn)的實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的技術背景和國際標準,通過對比主流的實時以太網(wǎng)解決方案,闡述EtherCAT在自動化加工、數(shù)控領域中表現(xiàn)出的技術優(yōu)勢。其次,深入研究EtherCAT技術的協(xié)議原理,包括拓撲結構、尋址方式、分布式時鐘同步原理、應用層協(xié)議等,為實現(xiàn)EtherCAT主站做好理論基礎。根據(jù)研究背景,對主站整體方案實現(xiàn)進行規(guī)劃和設計。根據(jù)主站需求,設計了以FPGA為核心的硬件電路,分別闡述了各個功能模塊的設計選型并附有原理圖,為主站的實現(xiàn)提供了可靠有效的實現(xiàn)平臺。再次,FPGA作為EtherCAT主站實現(xiàn)的主體平臺,協(xié)議棧主體、網(wǎng)卡驅動等NIOSⅡ軟核中實現(xiàn),其他配合模塊以VHDL實現(xiàn)。提出一種亦基于FPGA的以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的時鐘同步策略和雙網(wǎng)口的硬件冗余提高可靠性和處理異警情況的措施的設計思路,基于FPGA可以更加精確的實現(xiàn)時間戳的捕獲的特性;利用PI控制器原理建立時鐘同步算法并構建時鐘頻率補償模塊以優(yōu)化穩(wěn)定主時鐘晶振。利用雙網(wǎng)口的硬件結構實現(xiàn)主站的冗余,提高系統(tǒng)可靠性,并給出了從站異常狀態(tài)下主站的處理流程。最后,構建系統(tǒng)測試平臺,包括EtherCAT的FPGA主站控制器,臺達數(shù)字交流伺服驅動器ASDA-A2-E750W和電機ECMA-C10807RS。通過測試實驗表明,以本文設計主站主導的EtherCAT通信系統(tǒng)具有良好的實時性、同步性及穩(wěn)定性。
[Abstract]:With the rapid development of computer and microelectronics technology, various industries have experienced a revolutionary baptism. Numerical control technology, which plays an important role in the manufacturing industry, has also caught up with the trend of the times, breaking through the original pattern and moving towards the open multi-channel mode. Network interconnection, intelligent development, and the traditional communication interface of CNC system, such as weak real-time, complex field configuration, difficulty in firmware upgrade, etc, gradually become the obstacle to the development of high-speed and high-precision multi-channel. Ethernet technology is emerging in the industrial field. More and more CNC system communication interfaces combine Ethernet technology with Ethernet for Control Automation technology. Industrial real-time Ethernet is introduced by Germany, and the Ethernet technology is executed to the bottom device level. It also has the characteristics of high transmission rate, high synchronization, low delay, multi-topology and so on. Aiming at the problem of communication interface in numerical control technology, this paper proposes a design scheme of real-time Ethernet EtherCAT master station based on FPGA. According to the development of CNC system, the history of fieldbus is consulted, the limitation of communication interface of traditional NC system is pointed out, and the new requirements are put forward. The technical background and international standard of real-time Ethernet fieldbus are studied in recent years. By comparing the mainstream real-time Ethernet solutions, this paper expounds the technical advantages of EtherCAT in the field of automatic machining and numerical control. Secondly, the protocol principle of EtherCAT technology, including topology structure and addressing method, is studied in depth. The principle of distributed clock synchronization, application layer protocol and so on, are used to lay the theoretical foundation for the realization of EtherCAT master station. According to the research background, the overall scheme of master station is planned and designed. According to the demand of master station, the hardware circuit based on FPGA is designed. The design and selection of each functional module are described and the schematic diagram is attached. The realization of the main station provides a reliable and effective implementation platform. Again, as the main platform of EtherCAT master station, the protocol stack main body, network card driver and other NIOS II soft core are realized. Other cooperation modules are implemented by VHDL. A design idea of clock synchronization strategy of Ethernet fieldbus based on FPGA and hardware redundancy of double network port to improve reliability and deal with abnormal alarm situation is presented. Time stamp capture can be realized more accurately based on FPGA. The clock synchronization algorithm is established by using Pi controller principle and the clock frequency compensation module is constructed to optimize and stabilize the master clock crystal oscillator. The redundancy of the master station is realized by using the hardware structure of the double network port and the system reliability is improved. Finally, the system test platform, including EtherCAT FPGA master controller, Delta digital AC servo driver ASDA-A2-E750W and motor ECMA-C10807RS, is constructed. The design of EtherCAT communication system with master station in this paper has good real-time, synchronization and stability.
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG659

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