基于netX芯片实现实时以太网通讯的研究与开发

论文摘要

随着微电子和电力电子技术的发展,运动控制系统己经从模拟控制发展到全数字控制,其性能不断提高,在工业自动化设备中获得了广泛应用。基于实时以太网的运动控制系统以其高可靠性、快速性和稳定性成为运动控制系统的发展趋势,德国倍福公司提出了EtheCAT实时以太网技术。该技术提高了运动控制系统的实时性,具有灵活的拓扑结构,优越的网络性能,较低的构建成本等特点,适合应用于运动控制领域。目前,该实时以太网受到了运动控制开发商的广泛关注。本文从理论研究和产品开发的角度出发,利用基于netX芯片的开发模块comX和Atmega128单片机开发了EtherCAT实时以太网从站模块comEIO。论文首先研究了常用的实时以太网通信协议,通过对其通信原理及特点进行对比,选择了EtherCAT实时以太网,重点分析了EtherCAT的工作原理及其技术特点。然后,结合comEIO模块的功能和EtherCAT实时以太网通讯的要求,在深入研究netX芯片、基于netX芯片的开发模块comX和Atmega128单片机的基础上,完成了Atmega128单片机和Altera公司的CPLD组成的主控制电路、comX与单片机的接口电路、电源电路、输入输出电路以及其它外围接口电路的设计。通过Atmega128单片机编写应用程序,完成与comX的通信操作。单片机给comX发送热启动参数,使comX上电后,加载EtherCAT实时以太网固件,完成过程数据的收发,从而实现EtherCAT实时以太网从站模块comEIO的功能。最后,采用Beckhoff公司的TwinCAT软件做软主站,comEIO、NXIO和cifX做从站,搭建EtherCAT实时以太网主从站控制系统测试平台,利用实时以太网分析仪netANALYZER,抓取EtherCAT实时以太网报文,结合网络报文分析工具Wireshark对采集到的数据进行分析,从EtherCAT报文中可以分析出EtherCAT实时以太网的网络延迟和时间抖动等数据,以及EtherCAT实时以太网设备的一些优越性能。从数据中分析出comEIO与cifX的性能完全一致,可以完成数据的通讯功能,从而证明comEIO从站模块完全满足EtherCAT实时以太网的通讯要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 实时以太网的研究现状和前景分析
• 1.3 课题研究的内容
• 第2章 实时以太网通讯原理
• 2.1 常用实时以太网通信原理
• 2.1.1 PROFINET 实时以太网
• 2.1.2 Modbus-IDA 实时以太网
• 2.1.3 Ethernet Powerlink 实时以太网
• 2.1.4 EPA 实时以太网
• 2.1.5 EtherCAT 实时以太网
• 2.2 实时以太网的选择
• 2.2.1 优化的协议数据
• 2.2.2 灵活的拓扑结构
• 2.2.3 优越的网络性能
• 2.2.4 EtherCAT 取代PCI
• 2.2.5 开放的EtherCAT
• 2.3 本章小结
• 第3章 comEIO 从站模块的硬件设计
• 3.1 comEIO 的器件选型及特性
• 3.1.1 netX 网络控制器
• 3.1.2 基于netX 芯片的开发模块comX
• 3.1.3 ATmega128 单片机
• 3.1.4 Altera 的MAXII CPLD
• 3.2 comEIO 的硬件电路
• 3.2.1 单片机控制系统
• 3.2.2 Altera 的CPLD 及其电路
• 3.2.3 单片机与comX 的接口电路
• 3.2.4 电源电路设计
• 3.2.5 输入输出电路设计
• 3.3 comEIO 电路板设计
• 3.3.1 电路原理图设计
• 3.3.2 生成网络表
• 3.3.3 印制电路板PCB 设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 comEIO 从站模块的软件开发
• 4.1 comEIO 的软件设计原则
• 4.2 comEIO 模块的软件开发环境
• 4.2.1 AVR 单片机的嵌入式系统开发工具
• 4.2.2 CPLD 的Quartus 软件概述
• 4.3 comEIO 主程序框架及其介绍
• 4.3.1 comEIO 初始化程序设计
• 4.3.2 comX 模块内部数据结构
• 4.3.3 CPLD 芯片程序的编写
• 4.3.4 comEIO 应用程序的编写
• 4.3.5 comEIO 在TwinCAT 中的配置文件
• 4.4 comEIO 从站模块的软硬件调试
• 4.5 本章小结
• 第5章 comEIO 从站模块及通讯的性能分析
• 5.1 测试实验设备及工作原理
• 5.1.1 netANALYZER 工作原理
• 5.1.2 TwinCAT 软件系统
• 5.2 comEIO 实验测试平台的搭建与实现
• 5.2.1 测试平台的搭建
• 5.2.2 测试平台的实现
• 5.3 EtherCAT 网络性能的分析
• 5.4 comEIO 从站模块的性能分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录1 EtherCAT 系统配置文件
• 附录2 单片机程序
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢