【摘 要】
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在激光通信中,光电跟踪系统是保证精准快速建立稳定持续性通信的关键系统。随着光电跟踪系统复杂度上升、内外部数据量增多、通信速率升高、系统可拓展性要求更强烈,星形式系统架构和冗杂的传统现场总线已经无法适用这些需求。EtherCAT作为实时工业以太网中一员,相比其它以太网,拓扑结构更灵活、实时性更好、时钟同步精度更高,可解决以上问题。本文将基于实时工业以太网EtherCAT,提出一种将光电跟踪系统各子系
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所
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在激光通信中,光电跟踪系统是保证精准快速建立稳定持续性通信的关键系统。随着光电跟踪系统复杂度上升、内外部数据量增多、通信速率升高、系统可拓展性要求更强烈,星形式系统架构和冗杂的传统现场总线已经无法适用这些需求。EtherCAT作为实时工业以太网中一员,相比其它以太网,拓扑结构更灵活、实时性更好、时钟同步精度更高,可解决以上问题。本文将基于实时工业以太网EtherCAT,提出一种将光电跟踪系统各子系统串行级联的总线架构实现方案。论文首先从光电跟踪系统数据量、速率、拓展性等需求出发,引出了不同实时策略的实时工业以太网,在比较中选择了EtherCAT。从架构的角度出发,将EtherCAT总线和光电跟踪系统结合起来,可满足光电跟踪系统的通信需求。其次,深入研究了EtherCAT协议系统组成、运行原理、数据帧结构、报文寻址、通信模式、分布时钟机制、EtherCAT状态机,为后面新架构的设计奠定理论基础。再次,对光电跟踪系统星形架构进行阐释并提出一种基于EtherCAT的串行级联式架构方案,对方案下光电跟踪系统单元做了设计,对系统参数和通信路径作了进一步的研究,保障了系统通信性能。另外,以提出的快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）系统架构为基础,对其硬件实现和软件实现作了详细的设计。从系统模块化划分的思路出发,对FSM信号采集FPGA板,FSM数据处理FPGA板,EtherCAT协议通信板的硬件电路和软件架构作出说明。最后,搭建基于EtherCAT的光电跟踪系统下FSM运动测试平台,测试了通信功能及性能:数据帧通信周期100μs下时延不超过160ns,相邻从站同步精度不超过300ns,数据帧发送数量为1.37×10~9时,丢包数和出错数为0,满足课题要求。FSM静态定位的波动数值为3m V左右,动态阶跃的调节时间为51.5ms。实验数据表明,EtherCAT总线通信性能满足精跟踪单元下快速反射镜的通信指标要求,从架构角度引入EtherCAT提高光电跟踪系统的可拓展,可维护能力是可行的。
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