CN103631190A - 基于EtherCAT网络的监控系统 - Google Patents

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陆亭华
曹其新
董诗阳
蔡位焜
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Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT网络的监控系统，包括如下部件：支持EtherCAT协议的主站和多个从站，所述主站和多个从站相串联组成一个网段，所述主站位于该网段的一端；支持EtherCAT协议的伺服控制模块；支持EtherCAT协议的传感信号模块；支持EtherCAT协议的图像采集模块；其中，每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成子网段。本发明实现了在远距离情况下对所视环境的监控及对执行机构的远程控制操作，组成监控系统的各模块部分均支持EtherCAT协议，具有网络拓扑结构灵活、系统配置简单、通信速率高、实时性好、有效数据率高等的优势。

Description

基于EtherCAT网络的监控系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域的监控系统，具体是一种基于EtherCAT网络的监控系统。
背景技术
监控系统中，主要任务是按远端的现场实时情景、状态信息反馈等对执行机构进行一些必要的控制操作，由于其控制单元与执行机构之间存在空间上的一定空间上的距离间隔，使得控制指令、反馈信息等需要通过适用于远距离情况的通信方式进行传输。
传统的监控系统中兼有以太网传输、现场总线控制等形式的通信技术，其中以太网在带宽、速率上有一定优势而在实时性方面有所欠缺，故采用现场总线的方式来实现机构控制以满足实时性要求，而现场总线在传输速率上有一定的局限性。另一方面，现场总线已售出组件的数目非常少，且现场总线的专用型强，不同总线之间的协议转换复杂，因此控制系统和现场设备的综合成本相当高。再者，这种传统方案中线束较多、布线成本尤为显著。同时，信号粒度方面的灵活性向来都是通过运行从属子网的模块化现场设备来实现的，这种子网增加了系统整体的复杂性，并在实时性和周期时间等方面存在明显不足。在监控领域中，许多很高的要求是无法利用不同通信技术协议来完成的。
如今工业以太网系统已经发展成为了性能相当强大的通信系统，并且在自动化领域中有着越来越重要的作用。实时工业以太网技术EtherCAT(Ethernet forControl Automation Technology)在传统以太网的基础上加以改进，通过processing on the fly、分布时钟同步等技术，具有网络拓扑结构灵活、系统配置简单、通信速率高、实时性好、有效数据率高等的优势，同时接口技术、网关技术等的兼容性问题和速度在使用EtherCAT之后也已不再是难题，因此EtherCAT技术在现代工业控制领域有着相当开阔的应用前景。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于EtherCAT网络的监控系统。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于EtherCAT网络的监控系统，包括如下部件：
-支持EtherCAT协议的主站和多个从站，所述主站和多个从站相串联组成一个网段，所述主站位于该网段的一端；
-支持EtherCAT协议的伺服控制模块；
-支持EtherCAT协议的传感信号模块；
-支持EtherCAT协议的图像采集模块；
其中，每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成子网段。
优选的，所述主站上安装有支持EtherCAT协议的主站以太网卡，所述主站通过主站以太网卡与其中一个从站相串联。
优选的，所述每一个从站均包括：控制底板、分别安装于控制底板上的处理器和外围电路、以及分别与处理器相连接且支持EtherCAT协议的从站以太网卡和通信模块；其中，所述从站通过通信模块向上通过EtherCAT网络并与主站相连接，所述从站通过从站以太网卡向下通过EtherCAT网络并与相对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成一个子网段。
优选的，所述伺服控制模块包括：支持EtherCAT协议的直流伺服驱动器以及与直流伺服驱动器相应的直流伺服电机；所述直流伺服驱动器上设有支持EtherCAT协议的伺服控制器及伺服接口，所述直流伺服驱动器通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连接并通信。
优选的，所述直流伺服驱动器包括伺服通信模块，所述直流伺服驱动器通过伺服通信模块连接至EtherCAT网段中。
优选的，所述传感信号模块包括传感设备，其中，传感设备包括以下任一个或任多个部件：
-距离传感器；
-光电开关；
所述距离传感器和光电开关均配有支持EtherCAT协议的传感控制器及传感接口，所述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从站相连接并通信。
优选的，所述传感控制器包括传感通信模块，所述传感控制器通过传感通信模块连接至EtherCAT网段中。
优选的，所述图像采集模块包括用于图像采集的网络摄像头，所述网络摄像头配有支持EtherCAT协议的图像采集控制器及图像采集接口，所述网络摄像头通过图像采集控制器及图像采集接口与相对应的从站相连接并通信。
优选的，所述图像采集控制器包括图像采集通信模块，所述图像采集控制器通过图像采集通信模块连接至EtherCAT网段中。
本发明提供的基于EtherCAT网络的监控系统，其主站、从站、伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块均可支持EtherCAT协议，从而实现了基于EtherCAT网络的监控功能。实时以太网EtherCAT技术的应用使得上述系统具有网络拓扑结构灵活、系统配置简单、通信速率高、实时性好、有效数据率高等优势。
本发明适合大范围、远距离应用的信号与图像采集、远程控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于EtherCAT网络的监控系统结构示意图；
图2为本发明从站结构示意图；
图3为本发明控制器结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
请同时参阅图1至图3。
本实施例提供了一种基于EtherCAT网络的监控系统，包括如下部件：
-支持EtherCAT协议的主站和多个从站，所述主站和多个从站相串联组成一个网段，所述主站位于该网段的一端；
-支持EtherCAT协议的伺服控制模块；
-支持EtherCAT协议的传感信号模块；
-支持EtherCAT协议的图像采集模块；
其中，每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成子网段。
进一步地，所述主站上安装有支持EtherCAT协议的主站以太网卡，所述主站通过主站以太网卡与其中一个从站相串联。
进一步地，所述每一个从站均包括：控制底板、分别安装于控制底板上的处理器和外围电路、以及分别与处理器相连接且支持EtherCAT协议的从站以太网卡和通信模块；其中，所述从站通过通信模块向上通过EtherCAT网络并与主站相连接，所述从站通过从站以太网卡向下通过EtherCAT网络并与相对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成一个子网段。
进一步地，所述伺服控制模块包括：支持EtherCAT协议的直流伺服驱动器以及与直流伺服驱动器相应的直流伺服电机；所述直流伺服驱动器上设有支持EtherCAT协议的伺服控制器及伺服接口，所述直流伺服驱动器通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连接并通信。
进一步地，所述直流伺服驱动器包括伺服通信模块，所述直流伺服驱动器通过伺服通信模块连接至EtherCAT网段中。
进一步地，所述传感信号模块包括传感设备，其中，传感设备包括以下任一个或任多个部件：
-距离传感器；
-光电开关；
所述距离传感器和光电开关均配有支持EtherCAT协议的传感控制器及传感接口，所述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从站相连接并通信。
进一步地，所述传感控制器包括传感通信模块，所述传感控制器通过传感通信模块连接至EtherCAT网段中。
进一步地，所述图像采集模块包括用于图像采集的网络摄像头，所述网络摄像头配有支持EtherCAT协议的图像采集控制器及图像采集接口，所述网络摄像头通过图像采集控制器及图像采集接口与相对应的从站相连接并通信。
进一步地，所述图像采集控制器包括图像采集通信模块，所述图像采集控制器通过图像采集通信模块连接至EtherCAT网段中。
本实施例具体为：
本实施例提供了一种基于EtherCAT网络的适合大范围、远距离应用的能够完成信号与图像采集、远程控制任务的监控系统，如图1所示，包括：
包括支持EtherCAT协议的主站1和多个从站2，所述主站1和多个从站2相串联组成一个网段，所述主站1位于该网段的一端；
伺服控制模块，支持EtherCAT协议的直流伺服驱动器及相应直流伺服电机3；
传感信号模块，配有支持EtherCAT协议的传感控制器的传感设备4，如距离传感器、光电开关等；
图像采集模块，用于图像采集的网络摄像头以及相应支持EtherCAT协议的图像采集控制器5；
其中，各从站2对应伺服控制模块3或传感信号模块4或图像采集模块5，相串联组成一个子网段。
EtherCAT以标准以太网技术为基础，在MAC(媒体访问层)增加了一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期内的EtherCAT数据帧的传输。EtherCAT数据帧采用标准的IEEE802.3以太网帧，在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型Ox88A4，采用这种方式可以使控制命令、状态信息等数据直接写入EtherCAT数据帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一个网络中并行。一个EtherCAT数据帧中可以包含若干个EtherCAT子报文。
当EtherCAT数据帧通过每一个从站设备时，从站2读取对于该设备十分重要的数据，并可在EtherCAT数据帧经过时插入子报文，在读取到相关的数据之后从站2会识别出对应的命令，并进行处理；网段中的最后一个从站2将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站2返回到主站1。
当EtherCAT数据帧通过每一个底层端子设备时，伺服驱动器3或传感器控制器4或图像采集控制器5读取对于该设备重要的数据或插入需要传输的子报文。伺服驱动器3或传感器控制器4或图像采集控制器5在读取到相关的数据之后会识别出对应的命令，并进行处理；子网段中的最后一个伺服驱动器3或传感器控制器4或图像采集控制器5将经过充分处理的报文返回，该报文作为一个响应报文由第一个底层端子设备返回到对应的从站2。
EtherCAT数据帧被传递过去的时候仅被延迟几个位时间，且该过程在从站2、伺服驱动器3、传感器控制器4、图像采集控制器5中都是通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。
所述主站1上安装有支持EtherCAT协议的主站以太网卡，所述主站1通过所述主站以太网卡与其中一个从站2相串联，再与多个从站2相串联后组成一个网段。
如图2所示，所述每一个从站2均包括：控制底板、安装于所述控制底板上的处理器及外围电路、与所述处理器相连接且支持EtherCAT协议的从站以太网卡和通信模块。其中，所述通信模块使所述从站向上通过EtherCAT网络作为“从站”与上述主站相连接，所述从站以太网卡使所述从站向下通过EtherCAT网络作为“主站”与伺服驱动器或传感设备或图像采集设备相串联组成一个子网段。参见图2，从站2采用ARM Cortex系列芯片21作为核心处理器；通信模块使用ESC控制芯片(ET1100)22，使设备以“从站模式”在与主站相串联的网段中运行，从而直接在硬件中处理EtherCAT协议；以太网卡使用标准以太网控制芯片(Realtek RTL8102)23，使设备以“主站模式”在与伺服驱动器3、传感器控制器4、图像采集控制器5相串联的子网段中运行。
所述直流伺服驱动器3、传感控制器4、图像采集控制器5上都设置有支持EtherCAT协议的通信模块，可以直接连接到EtherCAT网段中。如图3所示，所述伺服控制器、传感控制器以及图像采集控制器均可以采用TMS320F28335芯片41作为处理器，通信部分使用ESC控制芯片(ET1100)42，从而直接在硬件中处理EtherCAT协议。传感信号通过A/D或IO端口43进而由处理器41进行处理成EtherCAT信息；图像信息则经过视频通道53而由处理器41进行压缩处理。
本实施例提供的基于EtherCAT网络的监控系统，适合于大范围、远距离情况下的信号与图像采集、远程控制操作等任务，可应用于的如楼宇自动化控制、遥操作机器人等场合。本发明利用同一通信媒体实现所有部件之间的通信，降低了网络的复杂度，同时具有网络拓扑结构灵活、系统配置简单、通信速率高、实时性好等优势。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，包括如下部件：
-支持EtherCAT协议的主站和多个从站，所述主站和多个从站相串联组成一个EtherCAT网段，所述主站位于该EtherCAT网段的一端；
-支持EtherCAT协议的伺服控制模块；
-支持EtherCAT协议的传感信号模块；
-支持EtherCAT协议的图像采集模块；
其中，每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成子网段。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述主站上安装有支持EtherCAT协议的主站以太网卡，所述主站通过主站以太网卡与其中一个从站相串联。
3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述每一个从站均包括：控制底板、分别安装于控制底板上的处理器和外围电路、以及分别与处理器相连接且支持EtherCAT协议的从站以太网卡和通信模块；其中，所述从站通过通信模块向上通过EtherCAT网络并与主站相连接，所述从站通过从站以太网卡向下通过EtherCAT网络并与相对应的伺服控制模块、传感信号模块以及图像采集模块相串联组成一个子网段。
4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述伺服控制模块包括：支持EtherCAT协议的直流伺服驱动器以及与直流伺服驱动器相应的直流伺服电机；所述直流伺服驱动器上设有支持EtherCAT协议的伺服控制器及伺服接口，所述直流伺服驱动器通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连接并通信。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述直流伺服驱动器包括伺服通信模块，所述直流伺服驱动器通过伺服通信模块连接至EtherCAT网段中。
6.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述传感信号模块包括传感设备，其中，传感设备包括以下任一个或任多个部件：
-距离传感器；
-光电开关；
所述距离传感器和光电开关均配有支持EtherCAT协议的传感控制器及传感接口，所述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从站相连接并通信。
7.根据权利要求6所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述传感控制器包括传感通信模块，所述传感控制器通过传感通信模块连接至EtherCAT网段中。
8.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述图像采集模块包括用于图像采集的网络摄像头，所述网络摄像头配有支持EtherCAT协议的图像采集控制器及图像采集接口，所述网络摄像头通过图像采集控制器及图像采集接口与相对应的从站相连接并通信。
9.根据权利要求8所述的基于EtherCAT网络的监控系统，其特征在于，所述图像采集控制器包括图像采集通信模块，所述图像采集控制器通过图像采集通信模块连接至EtherCAT网段中。
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