【学术论文】基于实时工业以太网的脉冲发生器
摘要：
脉冲发生器广泛应用于电力电子、运动控制、车辆控制等场合，是设备驱动和控制的基础通用部件，但目前脉冲发生器的网络通信能力较弱，无法满足高速控制需求，难以集成到智能制造系统。针对该问题，基于实时工业以太网EtherCAT和龙芯LS1C处理器设计了一种脉冲信号发生器，通过EtherCAT实现高速、实时通信功能，并可灵活地配置成链形和环形拓扑结构。脉冲信号发生器可工作在4种工作模式，满足多种控制需求。最后，通过实验测试了脉冲发生器的工作模式和精度。
中文引用格式： 林浩，韩庆敏，宋栋，等. 基于实时工业以太网的脉冲发生器[J].电子技术应用，2018，44(10)：64-67，72.
英文引用格式： Lin Hao，Han Qingmin，Song Dong，et al. Pulse generator with real-time industrial ethernet[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：64-67，72.
0 引言
脉冲发生器是电力电子、工业控制、机器人等领域广泛应用的一种仪器设备[1-3]。脉冲发生器通常采用模拟电路、微处理器等进行设计，文献[2]基于运放、三极管等分立模拟器件设计了一种PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源，文献[4]提出了基于HCS12单片机增强型定时器复用I/O输出频率和占空比可控PWM信号的开发方案，解决了由于硬件限制导致PWM输出通道不足的问题。文献[5]基于嵌入式SoC设计了一种通用死区可配置的PWM信号发生器，实现了灵活的控制策略配置。采用分立模拟器件搭建的电路产生PWM信号，元器件较多，电路较为复杂，调试困难。微处理器或SoC等产生PWM信号，当信号通道较少时微处理器能满足要求，当PWM信号多于4路时，由于处理器指令顺序执行，会产生较大延迟，从而使PWM信号波形不稳[3]。因此，可采用FPGA进行PWM信号发生器的设计，FPGA指令是并行执行，信号通道的增多不会影响脉冲信号的速度和稳定性，从而实现高精度的控制[6]，文献[3]和[7]利用FPGA设计了能同时输出多路PWM信号的设备，分别应用在不同的场合。上述脉冲信号发生器均只能独立单机运行，不能通过总线网络连接到现场控制系统实现灵活快速的配置，因此文献[8]设计了一种基于CAN的脉冲信号输出方法及装置，通过CAN报文更新PWM输出频率和占空比，但是CAN总线通信速率通信较慢，难以应用在高速控制需求的场合。
随着工业4.0和智能制造的推进和开展，网络化、智能化、数字化的工业互联网系统逐渐广泛应用[9]，对基础控制设备提出了新的应用要求。传统的单机脉冲发生器或基于总线的脉冲发生器不能满足工业互联网的高速通信和快速响应需求，针对该问题，本文设计了一种基于高速实时工业以太网的脉冲信号发生器，采用EtherCAT实现设备与外部控制系统的通信，从而实现高速数据交换和稳定的控制。
1 系统设计
脉冲发生器用于为工控现场侧设备提供脉冲控制信号，其结构框图如图1所示。由于工控设备对实时性要求较高，本文选用实时以太网EtherCAT进行通信，EtherCAT是以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，具有实时性强、拓扑灵活、同步精度高、线缆冗余、具备功能安全协议功能等特点。脉冲发生器包括微处理器最小系统、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口、光耦合器（以下简称光耦）、固态功率继电器以及现场信号接口。其中，EtherCAT通信控制器通过EtherCAT通信接口接收指令信号，并对指令信号进行解析，生成解析信号；微处理器根据解析信号配置脉冲信号的输出模式并输出对应模式下的脉冲信号，脉冲信号经光耦进行电气隔离后输出到固态功率继电器；固态功率继电器用于提高脉冲信号的带负载能力，输出的脉冲信号经现场信号接口输出到现场侧设备。
脉冲发生器采用EtherCAT总线通过EtherCAT通信控制器与主机通信，EtherCAT通信控制器用于实现EtherCAT通信的介质访问控制功能，负责处理EtherCAT数据帧，实现EtherCAT主站与从站应用的数据交换。微处理器用于实现脉冲输出卡的逻辑计算、协调控制等功能。
脉冲发生器的EtherCAT通信控制器与通信接口包括两种方式：MII接口和EBUS接口。当采用MII接口时，EtherCAT通信控制器通过MII接口连接PHY芯片，并通过RJ45接口与外部进行通信。当采用EBUS接口时，EtherCAT通信控制器直接采用EBUS总线与外部通信。
固态功率继电器可实现输出电路的保护功能，包括过热保护、短路保护等，并输出诊断信号给微处理器，诊断信号经光耦进行电气隔离后输入微处理器，从而实现输出电路的诊断功能，提高脉冲发生器的工作可靠性。固态功率继电器输出的脉冲信号经过输出防护电路后通过现场信号接口发送至现场侧设备。
2 硬件设计
2.1 CPU最小系统
基于设备自主可控的因素，脉冲信号发生器选用龙芯处理器LS1C0300A，LS1C是基于GS232处理器核，提供丰富的外设接口。采用LS1C的最小系统电路框图如图2所示，包括电源、调试口JTAG、串口UART、存储器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、复位电路以及通用的GPIO接口等部分。其中SPI接口连接至EtherCAT从站控制器ET1100；GPIO连接至脉冲输出电路和诊断电路，并控制报警电路，当出现故障时，实现报警功能。LS1C内部集成RTC功能，因此在RTC_Clk管脚连接外部时钟源32.768 kHz晶振，并提供RTC电池，保持掉电状况下的精确计时。SDRAM通过并行总线连接至LS1C，用于存储处理器运行过程中的数据和加载的程序等。LS1C具备多种启动方式，配置对应管脚选择启动方式，本设计中Nand_D4与Nand_D5引脚分别连接至高电平和低电平，设置LS1C从SPI Flash启动，加载PMON引导系统。
2.2 EtherCAT通信电路
EtherCAT通信电路实现EtherCAT信号的收发功能，如图3所示，包括ET1100、PHY、EEPROM、时钟、网络变压器、RJ45接口等部分。ET1100是实现EtherCAT数据链路层协议的专用芯片，处理EtherCAT数据帧，并为从站控制装置提供数据接口。ET1100通过PHY_0接收EtherCAT报文，从报文中提取发送给自己的命令数据并将其存储在内部存储区，并将本地数据从内部存储区写到相应的子报文中，实现外部命令与从站本地数据的数据交换，然后ET1100通过PHY_1将EtherCAT报文发送给下一设备。
EEPROM存储器与EtherCAT通信控制器通过IIC总线连接。ET1100通过IIC接口与EEPROM连接通信，EEPROM存储ET1100的设备配置信息。ET1100连接两个MII接口，并输出时钟信号PHY_Clk、复位信号Reset给PHY器件。由于ET1100为降低处理和转发延迟，对MII接口进行了优化设计，对PHY芯片的选择提出了约束条件[10]，本设计中选用MICREL公司的KSZ8051MLL。ET1100的配置引脚与MII引脚复用，为了清晰说明本电路的工作模式，在图3中单独展示关键配置引脚，分别将P_MODE[0]和P_MODE[1]引脚连接至地，选择使用ET1100的端口0和端口1，并将P_CONF(0)和P_CONF(1)引脚连接至地，设置端口0和端口1使用MII接口，实现与PHY芯片的通信。
2.3 输出驱动电路
脉冲输出电路包括光耦、驱动电路和保护电路，如图4所示。光耦实现现场侧设备与内部电路的电气隔离。驱动电路实现脉冲信号的功率放大功能，选用ST公司的小封装高效能工业智能固态功率继电器VNI2140J，可实现每路的输出电流1 A，满足工业使用要求。VNI2140J内置负载断路保护功能，为每路输出提供独立的主动限流功能，防止负载失效导致的系统电源电压降低，提供地线失效保护和诊断功能，当负载过大或出现短路时，功率继电器输出诊断信号，并通过光耦反馈到CPU芯片实现故障诊断功能。
3 软件设计
脉冲信号发生器的工作流程如图5所示，系统上电后，首先对系统进行初始化，包括UART、SPI、通用定时器、GPIO、ET1100、Flash、SDRAM等外设。然后通过ET1100接收设备的配置参数，包括工作模式、时基、周期等参数；处理器根据配置参数对设备进行设置，接收EtherCAT主站的控制数据，包括占空比、周期、延迟等，对其进行解析、计算，并输出对应的脉冲信号。在输出信号的同时，设备采集故障信息，如果有故障，设备进行报警处理，并将报警数据写入寄存器和EtherCAT报文。
主站设置的参数包括工作模式、占空比、时基、延时、周期等参数。占空比说明输出的脉冲信号的高电平持续时间占脉冲周期的比例；周期说明输出脉冲信号的频率；时基说明脉冲信号的最小时间分辨率；延时说明在信号使能后脉冲信号经过延迟时间后再输出。
工作模式确定设备的脉冲信号输出模式，包括4种工作模式：脉冲输出模式、脉宽调制(PWM)模式、脉冲串模式以及延时模式。脉冲输出模式为脉冲发生器输出一个指定幅值和高电平持续时间的脉冲，其余时间均为低电平。脉宽调制模式为脉冲发生器持续输出脉冲信号，其中脉冲幅值和周期固定，脉冲的高电平持续时间根据接收到的EtherCAT信号可自动调节。脉冲串模式为脉冲发生器输出指定个数的脉冲，其中脉冲幅值、周期和高电平持续时间均在收到的EtherCAT信号中指定。延时模式为当脉冲发生器接收的数字量输入信号变化时（包括上升沿或下降沿），延时指定的时间再输出相应的脉冲信号，其中数字量输入信号变化方式、延时时间、输出的脉冲信号类型通过脉冲发生器接收到的EtherCAT报文数据决定。通过上述4种工作模式，脉冲发生器能够满足不同现场设备的工作需求。
4 网络拓扑
脉冲信号发生器具有两个EtherCAT通信接口，通过EtherCAT通信接口可将多个脉冲发生器组网构成一个系统，实现脉冲信号输出通道的扩展功能，其中每个脉冲发生器为一个EtherCAT从站。组网方式包括菊花链形和环形，分别如图6和图7所示。
多个脉冲发生器组成环形网络时，网络中任何一个设备发生故障或者链路断开时，EtherCAT主站可通过环网的两端分别访问其余脉冲信号发生器，从而提高系统的可靠性。
5 试验
本文基于实时工业以太网EtherCAT设计了脉冲信号发生器，具备4种工作模式，分别对其进行试验，结果如图8所示，其中，图(a)展示脉冲输出模式试验结果，输出1 s高电平信号，其他时间均为低电平；图(b)展示脉宽调制（PWM）模式试验结果，输出周期为1 s，占空比60%的脉冲信号；图(c)展示脉冲串模式试验结果，输出3个脉冲，周期为1 s，占空比为60%；图(d)展示延时模式试验结果，通道2采集高电平信号，通道1采集脉冲信号，可看出，在高电平1 s后，脉冲信号发生器产生周期为1 s、占空比为50%的3个脉冲信号。试验结果表明，所设计的脉冲信号发生器能够根据主站的配置产生4种模式的脉冲信号。
6 结论
本文针对传统脉冲信号发生器通信能力弱的问题，基于实时工业以太网EtherCAT和龙芯LS1C处理器设计了一种具备高速通信能力的脉冲信号发生器。设计的脉冲发生器具备4种工作模式，可应用于机器人运动控制、车辆控制、电力电子以及工业控制等多种应用场合。
参考文献
[1] 齐悦，杨耕，窦曰轩，等.PWM控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析[J].电工技术学报，2003，18(2)：13-17，26.
[2] 钟少强.PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源：中国，201610819177.3[P].2016-09-12.
[3] 范启富，张文锋，温超.基于FPGA的多功能多路舵机控制器的实现[J].控制工程，2008，15(6)：696-698.
[4] 冯道宁，刘昭度，叶阳.3种基于HCS12定时器的PWM波形发生器的设计[J].武汉理工大学学报，2012，34(2)：140-143.
[5] 张跃玲，汪健，赵忠惠，等.一种嵌入式SOC系统中通用死区可配置PWM波生成电路，中国，201610842367.7[P].2016-09-22.
[6] POORANI S，URMILAPRIYA T，KUMAR K，et al.FPGA base fuzzy logic controller for electric vehicle[J].The Institution of Engineers，2005，45(5)：1-14.
[7] 杨晓峰，李要乾，郑琼林，等.基于DSP-FPGA的模块化多电平换流器PWM脉冲方案对比[J].北京交通大学学报，2015，39(5)：61-68.
[8] 何丹丹，纪立君，张进明，等.一种信号输出方法及装置，中国，201710134107.9[P].2017-03-08.
[9] 工业互联网产业联盟.工业互联网体系架构[R].2016.
[10] Beckhoff，EtherCAT slave controller ET1100 hardware data sheet[Z].2010.
作者信息:
林 浩，韩庆敏，宋 栋，陈 海
（中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京100083）
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