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基于X86平台的EtherCAT主站控制器研究与设计

蒋杰  
【摘要】:在20世纪90年代工业控制技术得到了迅速发展,工业控制领域上提出了以现场总线的方式解决工业现场数据传递问题。但随着工业控制要求日益提高,传统现场总线的缺点逐渐显现,因此国内外企业将研究方向转向了具有开放性强、结构简单等优点的工业以太网,其中以Ether CAT为代表的实时工业以太网因其拓扑结构灵活、实时性好等优势得到了广泛认可和关注。因此本文开展了基于X86平台Ether CAT主站控制器的研究设计,主要研究内容如下:本文首先概述了工业以太网国内外研究现状,将主流的六种实时工业以太网进行了详细的对比和分析,并对Ether CAT技术的发展历程和国内外的研究现状进行了论述。深入研讨了Ether CAT协议结构和运行原理等方面,根据Ether CAT主站控制的需求和X86架构的优点,确定了Ether CAT硬件平台方案。在主站的软件系统结构设计方面,详细的比较了两种主流开源主站软件框架,选择并移植了Ig H Ether CAT Master开源协议框架。最后为了保证主站的实时性,基于Xenomai双内核机制构建了实时Linux操作系统。其次,针对Ether CAT主站实时性和同步性关键技术点分别做出了详细的研究和探讨。在EtherCAT主站的实时性方面,主站内核层采用Linux和Xenomai双内核机制,Linux内核管理系统的非实时任务,Xenomai微内核管理的实时任务的执行。在Ether CAT主站的同步性方面,详细阐述了主从同步方式的区别,并在理论上对实时偏移补偿和漂移补偿进行了研究,提高Ether CAT主站的同步性。在通信程序设计上利用Linux的libxml2开源程序库,实现了对从站XML文件的解析。基于伺服和运动控制Ci A402行规,设计了Ether CAT主站和伺服电机之间的通信协议。最后,利用Ether CAT主站和三洋R-Advanced系列的伺服,搭建了系统测试平台,测试了Ether CAT主站同步性和实时性。理论分析和实验测试结果表明本文开发的基于X86平台的EtherCAT主站具有良好的实时性和同步性,验证了该方案的可行性。


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