CN101917321A - 一种EtherCAT以太网网关及其工作方法 - Google Patents

一种EtherCAT以太网网关及其工作方法 Download PDF

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杜振环
李砾工
宁寿辉
任宝兵
王晓鹏
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Abstract

本发明公开了一种EtherCAT网关及其工作方法，所述的网关包括EtherCAT总线协议控制器、EtherCAT总线收发器、Nios II中央控制器、Powerlink总线协议控制器、Powerlink总线收发器，Nios II中央控制器分别与EtherCAT总线协议控制器和Powerlink总线协议控制器双向连接，Powerlink总线协议控制器与Powerlink总线收发器双向连接。本发明通过Nios II中央控制器实现了EtherCAT总线协议控制器和Powerlink协议控制器的数据交换，解决了列车通讯网络中的EtherCAT与Powerlink的互联问题。

Description

一种EtherCAT以太网网关及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种不同网络总线之间的数据转换装置，特别是一种基于NiosII的EtherCAT以太网网关及其工作方法。
背景技术
随着工业以太网应用的日益广泛，用于办公及信息自动化的以太网开始向下延伸，直接应用于现场自动化控制。
在机车控制网络领域，随着列车自动化和舒适度的提高，包括列车运行控制、旅客信息系统、多媒体等车载数据量急剧增加，传统CAN、DeviceNet、PROFIBUS、WorldFIP等现场总线)逐渐显现弊端，如传输速率低、通用性差等。目前，国外庞巴迪等交通设备制造商已经将以太网成功运用于动车组列车网络控制系统。IEC标准IEC 61375-2-5Ed.1.0和IEC 61375-3-4Ed.1.0也已将以太网列为可选的标准列车通讯网络。可见，工业以太网在机车控制领域将具有广泛的应用前景。
EtherCAT是控制自动化以太网技术Ethernet for Control Automation Technology的缩写，是一种适用于工业自动化的实时、高速以太网通讯协议。它有速度快、低成本、高度开放、可融入任何标准以太网设备等特点。它已经作为一种标准化的技术，被纳入国际标准化的体系，IEC把它作为IEC/PAS 62407规范，ISO也将它纳入ISO 15745。
Powerlink网络与EtherCAT网络一样，也是广泛应用的实时工业以太网解决方案，在列车控制网络系统有着潜在的应用前景。但二者在应用协议上有所区别，在EtherCAT和Powerlink两种网络共存的情况下，不能直接进行互联通讯，需要设计一种网关来解决这个问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种EtherCAT以太网网关及其工作方法，从而解决了EtherCAT专用通讯网络与广泛使用的工业控制网络Powerlink现场总线间的互联问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种EtherCAT以太网网关，包括EtherCAT总线协议控制器、EtherCAT总线收发器、Nios II中央控制器、Powerlink总线协议控制器、Powerlink总线收发器，所述的Nios II中央控制器分别与EtherCAT总线协议控制器和Powerlink总线协议控制器双向连接，所述的EtherCAT总线协议控制器经EtherCAT总线收发器与EtherCAT总线双向连接，所述的Powerlink总线协议控制器经Powerlink总线收发器与Powerlink总线双向连接；所述的Nios II中央控制器包括一个32位的RISC处理器的Nios II处理器内核。
一种EtherCAT以太网网关的工作方法，包括EtherCAT总线数据转成Powerlink总线数据方法和Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据方法，具体包括以下步骤：
A、EtherCAT总线数据转换成Powerlink总线数据：
A1、EtherCAT总线收发器接收EtherCAT总线的数据并发送到EtherCAT总线协议控制器；
A2、EtherCAT总线协议控制器根据EtherCAT总线通讯协议规定，接收EtherCAT数据帧；
A3、Nios II中央控制器读取EtherCAT总线协议控制器的EtherCAT数据，进行逻辑运算处理后，生成Powerlink数据，写入Powerlink总线协议控制器；
A4、Powerlink总线协议控制器根据Powerlink总线通讯协议规定，读取NiosII中央控制器写入Powerlink总线协议控制器中的数据，经过编码生成Powerlink数据帧；
A5、Powerlink总线收发器接收Powerlink总线协议控制器的Powerlink数据帧并发送到Powerlink总线；
B、Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据：
B1、Powerlink总线收发器接收Powerlink总线的数据并发送到Powerlink总线协议控制器；
B2、Powerlink总线协议控制器根据Powerlink总线通讯协议规定，接收Powerlink数据帧；
B3、Nios II中央控制器读取Powerlink总线协议控制器的Powerlink数据，进行逻辑运算处理后，生成EtherCAT数据，写入EtherCAT总线协议控制器；
B4、EtherCAT总线协议控制器根据EtherCAT总线通讯协议规定，读取NiosII中央控制器写入EtherCAT总线协议控制器中的数据，经过编码生成EtherCAT数据帧；
B5、EtherCAT总线收发器，接收EtherCAT总线协议控制器的EtherCAT数据帧并发送到EtherCAT总线。
本发明所述的Nios II中央控制器，负责EtherCAT总线协议控制器和Powerlink协议控制器的数据交换，具有图形化编程接口，用户使用符合IEC61131-3的语言编写控制逻辑。
与现有技术相比，本发明通过Nios II中央控制器与Powerlink总线协议控制器和Powerlink总线收发器的结合，实现了EtherCAT总线协议控制器和Powerlink协议控制器的数据交换，解决了机车专用的EtherCAT控制网络和广泛使用的工业控制网络Powerlink现场总线的互联问题，具有设计新颖、可靠、灵活等特点，在轨道车辆以及农林机械等行业以及相关领域具有广泛的应用前景。
附图说明
本发明共有2张附图，其中：
图1是一种EtherCAT以太网网关的结构框图。
图2是Nios II中央控制器及其外围接口电路结构框图。
图中：1、EtherCAT总线协议控制器，2、EtherCAT总线收发器，3、Nios II中央控制器，4、Powerlink总线协议控制器，5、Powerlink总线收发器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种基于Nios II的EtherCAT网关，包括EtherCAT总线协议控制器1、EtherCAT总线收发器2、Nios II中央控制器3、Powerlink总线协议控制器4、Powerlink总线收发器5，所述的Nios II中央控制器3分别与EtherCAT总线协议控制器1和Powerlink总线协议控制器4双向连接，所述的EtherCAT总线协议控制器1经EtherCAT总线收发器2与EtherCAT总线双向连接，所述的Powerlink总线协议控制器4经Powerlink总线收发器5与Powerlink总线双向连接。
一种基于Nios II的EtherCAT网关的工作方法，包括EtherCAT总线数据转换成Powerlink总线数据方法和Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据方法，具体包括以下步骤：
A、EtherCAT总线数据转换成Powerlink总线数据：
A1、EtherCAT总线收发器2接收EtherCAT总线的数据并发送到EtherCAT总线协议控制器1；
A2、EtherCAT总线协议控制器1根据EtherCAT总线通讯协议规定，接收EtherCAT数据帧；
A3、Nios II中央控制器3读取EtherCAT总线协议控制器1的EtherCAT数据，进行逻辑运算处理后，生成Powerlink数据，写入Powerlink总线协议控制器4；
A4、Powerlink总线协议控制器4根据Powerlink总线通讯协议规定，读取Nios II中央控制器3写入Powerlink总线协议控制器4中的数据，经过编码生成Powerlink数据帧；
A5、Powerlink总线收发器5，接收Powerlink总线协议控制器4的Powerlink数据帧并发送到Powerlink总线；
B、Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据：
B1、Powerlink总线收发器5接收Powerlink总线的数据并发送到Powerlink总线协议控制器4；
B2、Powerlink总线协议控制器4根据Powerlink总线通讯协议规定，接收Powerlink数据帧；
B3、Nios II中央控制器3读取Powerlink总线协议控制器4的Powerlink数据，进行逻辑运算处理后，生成EtherCAT数据，写入EtherCAT总线协议控制器1；
B4、EtherCAT总线协议控制器1根据EtherCAT总线通讯协议规定，读取Nios II中央控制器3写入EtherCAT总线协议控制器1中的数据，经过编码生成EtherCAT数据帧；
B5、EtherCAT总线收发器2，接收EtherCAT总线协议控制器1的EtherCAT数据帧并发送到EtherCAT总线。
本发明所述的Nios II中央控制器3，负责EtherCAT总线协议控制器1和Powerlink总线协议控制器4的数据交换，具有图形化编程接口，用户使用符合IEC61131-3的语言编写控制逻辑。
下面结合图1-2对本发明的电路及其工作原理作进一步说明：本发明的电路包括EtherCAT总线控制电路、Powerlink总线控制电路、Nios II中央控制器3及其外围接口电路，具体电路分类如下：
如图1所示，EtherCAT总线控制电路是EtherCAT总线和Nios II中央控制器3接口的主要控制电路，主要包括EtherCAT总线协议控制器1、EtherCAT总线收发器2和Nios II中央控制器3接口电路。Nios II中央控制器3通过标准的总线读写来控制EtherCAT总线协议控制器1发送或者接受EtherCAT总线的数据，EtherCAT总线协议控制器1负责总线的监视和管理、发送或接收数据、编码或解码数据帧。EtherCAT总线收发器2负责将收发的数据转换成符合EtherCAT总线物理层规定的电信号，同时对EtherCAT的总线控制电路进行隔离和保护。
如图1所示，Powerlink总线控制电路是Powerlink总线和Nios II中央控制器3接口的主要控制电路，主要包括Powerlink总线协议控制器4、Powerlink总线收发器5和Nios II中央控制器3接口电路。Nios II中央控制器3通过标准的总线读写来控制Powerlink总线协议控制器4发送或者接受Powerlink总线的数据，Powerlink总线协议控制器4负责总线的监视和管理、发送或接收数据、编码或解码数据帧。Powerlink总线收发器5负责将收发的数据转换成符合Powerlink总线物理层规定的电信号，同时对Powerlink的总线控制电路进行隔离和保护。
如图2所示，Nios II中央控制器3及其外围接口电路实现了网关的中央控制功能，主要包括Nios II中央控制器3、代码存储器、配置存储器、程序存储器。Nios II中央控制器3是Altera推出的第二代软核嵌入式处理器解决方案，Nios II处理器内核是一个32位的RISC处理器，它具有共享的通用指令集结构，专门针对Altera的主流FPGA系列进行了优化，主要负责运行PLC虚拟机和用户的应用程序。代码存储器由非易失性闪存(FLASH)组成，永久存储网关的控制代码。配置存储器由非易失性闪存(FLASH)组成，永久存储用户的应用数据和总线配置数据。程序存储器由同步动态随机访问存储器(SDRAM)组成，具有速度快、容量大的优点，用于代码运行时的内存分配。用户可以通过图形化编程工具进行应用程序的编写和编译，生成二进制代码文件后通过网络接口下载至配置存储器中，运行于Nios II中央控制器3的PLC虚拟机将自动加载并执行用户应用程序，对总线数据进行逻辑处理。

Claims (3)

1.一种EtherCAT以太网网关，包括EtherCAT总线协议控制器(1)、EtherCAT总线收发器(2)、Nios II中央控制器(3)，其特征在于：还包括Powerlink总线协议控制器(4)、Powerlink总线收发器(5)，所述的Nios II中央控制器(3)分别与EtherCAT总线协议控制器(1)和Powerlink总线协议控制器(4)双向连接，所述的EtherCAT总线协议控制器(1)经EtherCAT总线收发器(2)与EtherCAT总线双向连接，所述的Powerlink总线协议控制器(4)经Powerlink总线收发器(5)与Powerlink总线双向连接；所述的Nios II中央控制器(3)包括一个32位的RISC处理器的Nios II处理器内核。
2.一种EtherCAT以太网网关的工作方法，其特征在于：包括EtherCAT总线数据转成Powerlink总线数据方法和Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据方法，具体包括以下步骤：
A、EtherCAT总线数据转换成Powerlink总线数据：
A1、EtherCAT总线收发器(2)接收EtherCAT总线的数据并发送到EtherCAT总线协议控制器(1)；
A2、EtherCAT总线协议控制器(1)根据EtherCAT总线通讯协议规定，接收EtherCAT数据帧；
A3、Nios II中央控制器(3)读取EtherCAT总线协议控制器(1)的EtherCAT数据，进行逻辑运算处理后，生成Powerlink数据，写入Powerlink总线协议控制器(4)；
A4、Powerlink总线协议控制器(4)根据Powerlink总线通讯协议规定，读取Nios II中央控制器(3)写入Powerlink总线协议控制器(4)中的数据，经过编码生成Powerlink数据帧；
A5、Powerlink总线收发器(5)接收Powerlink总线协议控制器(4)的Powerlink数据帧并发送到Powerlink总线；
B、Powerlink总线数据转换成EtherCAT总线数据：
B1、Powerlink总线收发器(5)接收Powerlink总线的数据并发送到Powerlink总线协议控制器(4)；
B2、Powerlink总线协议控制器(4)根据Powerlink总线通讯协议规定，接收Powerlink数据帧；
B3、Nios II中央控制器(3)读取Powerlink总线协议控制器(4)的Powerlink数据，进行逻辑运算处理后，生成EtherCAT数据，写入EtherCAT总线协议控制器(1)；
B4、EtherCAT总线协议控制器(1)根据EtherCAT总线通讯协议规定，读取Nios II中央控制器(3)写入EtherCAT总线协议控制器(1)中的数据，经过编码生成EtherCAT数据帧；
B5、EtherCAT总线收发器(2)，接收EtherCAT总线协议控制器(1)的EtherCAT数据帧并发送到EtherCAT总线。
3.根据权利要求1所述的一种EtherCAT以太网网关的工作方法，其特征在于：所述的Nios II中央控制器(3)，负责EtherCAT总线协议控制器(1)和Powerlink协议控制器的数据交换，具有图形化编程接口，用户使用符合IEC61131-3的语言编写控制逻辑。
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