【摘 要】
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飞速发展的网络通信技术成为工业控制领域发展新的动力源,工业以太网得以崭露头角,逐渐以速度快、精度高、数据量大、成本低且应用广等优势让网络化、数字化成为工业控制自动化领域的新的发展方向。Ether CAT技术作为众多实时工业以太网中实时性能最好、拓扑结构最灵活的一个,成为了目前工控领域最热门的研究应用方向。但由于国内起步晚,Ether CAT主站的份额长期被外国软件占据,不低的授权和采购成本让许多中
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飞速发展的网络通信技术成为工业控制领域发展新的动力源,工业以太网得以崭露头角,逐渐以速度快、精度高、数据量大、成本低且应用广等优势让网络化、数字化成为工业控制自动化领域的新的发展方向。Ether CAT技术作为众多实时工业以太网中实时性能最好、拓扑结构最灵活的一个,成为了目前工控领域最热门的研究应用方向。但由于国内起步晚,Ether CAT主站的份额长期被外国软件占据,不低的授权和采购成本让许多中小型生产企业望而却步,削弱了中下游产业转型升级的动力。本课题与银川合宜科技有限公司合作,针对目前常用的主站方案所存在的高成本、低灵活性等问题,面向他们中小企业开发一款成本低廉、灵活可靠的Ether CAT主站,与总线型驱动器组成一套先进工业控制系统。为此,本文主要做了以下的工作:首先,本文结合设计对象的需求制订了一个主站设计方案,提出以ARM核心的STM32F407处理器配合PHY作为Ether CAT主站的硬件平台;围绕ARM主控芯片,设计出主站各个模块的硬件电路,包括串口调试模块、电源模块和以太网外设模块等。其次,详细分析SOEM开源协议栈的原理和结构,将其修改剪裁后移植到硬件平台上;摒弃掉多线程处理的操作系统,编写中间模块为上层协议提供以太网外设的驱动接口,让主站协议栈可以直接在裸机上运行,进一步提升实时性和稳定性;设计编写诸如主站的启动运行循环、从站状态机控制等应用程序,设计实现了主站网口冗余和热插拔这两个亮点功能,大幅提高了系统的可靠性;研究常用的T型和S型曲线加减速算法和主站插补算法来优化系统控制效果,在MATLAB上完成仿真验证。最后,选用总线型步进驱动作为从站控制器驱动步进电机,与主站搭建起一套测试平台;编写配置程序完成主站对从站的各项参数配置,对本课题所设计主站的各项功能和性能进行一系列测试。测试结果显示,本文所设计嵌入式主站能够正确完成通信控制的基本功能,表现出了良好的稳定性和可靠性,获得了相较于其他非实时性平台主站更好的实时性能。
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