CN106850374B - 多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业控制网络领域。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块及方法。实现了从多接口协议的编码器数据信号到标准网口信号或者支持工业以太网协议信号的无缝转换，降低了工业控制系统通信方案的设计难度。本发明数据采集模块通过编码器模块接收n个编码器数据信号，并通过编码器模块将编码器数据信号发送给协议转换模块；拨码开关模块设置输出普通以太网或者工业以太网协议的类型和编码器分辨力，并将选择的以太网协议类型和设置的编码器分辨力的大小信号传递给协议转换模块，协议转换模块自动匹配对应的以太网协议，并将接受到的编码器数据信号选择合适的以太网传输通道，将信号转换成以太网信号传递出去。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制网络领域，尤其是涉及多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块及方法。
背景技术
在工业控制领域，编码器对于控制系统的位置和速度信号的有效采集、传输和处理是保证控制系统实现高精度控制的基础。
市面上使用的编码器种类很多，而编码器厂商通常采用的是自定义的接口和协议进行信号的传输，工业控制领域通常采用的通信接口为RS422和RS485或者以太网接口，不管是RS485、RS422还是以太网接口都是国际标准接口，在闭环控制系统中直接读取编码器数据往往会有接口或者协议不兼容的情况，因此将编码器的自定义接口转换成工业控制领域标准的通信接口具有十分现实的意义。
随着工业控制网络的不断发展，工业控制对于组网的要求越来越高，不再局限于主站对于单一从站的控制，往往一个主站对应着众多的从站，因此对于整个工业控制网络的编码器信号采集提出了高速组网的要求，而工业以太网协议的组网能力要优于传统的现场总线协议，本发明涉及的多协议兼容工业以太网总线接口的数据采集模块支持多种信号接口的编码器信号经过FPGA处理，转换成同一种工业以太网协议信号，同时在设计上支持了多种工业以太网协议之间的切换，实现了主从站之间编码器信号的快速组网和数据传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对针对现行的编码器通信接口和工业控制网络的通信接口不兼容的现实而设计。避免了因为通信接口不兼容导致的编码器信号无法传输或者修改的工业网络通信接口导致的信号传输不稳定的情况。提供一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块及方法。实现了从多接口协议的编码器信号到标准网口信号或者支持工业以太网协议信号的无缝转换，降低了工业控制系统通信方案的设计难度。
本发明采用的技术方案如下：
一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于包括：
编码器模块，用于通过编码器接收n个编码器数据信号，并通过编码器接口将编码器数据信号发送给协议转换模块；n大于等于0；
拨码开关模块，用于设置输出普通以太网或者工业以太网协议类型和编码器分辨力,并将选择的以太网协议类型和设置的编码器分辨力的控制信号传递给协议转换模块；
协议转换模块，用于根据拨码开关模块设置的以太网协议类型和编码器分辨力控制信号，按照对应以太网协议类型和编码器分辨力将编码器数据信号依次转换成对应以太网协议数据；
以太网接口模块，用于输出转换后的以太网协议数据。进一步的，所述编码器数据信号指的是Endat、BiSS、SSI或增量编码器信号；编码器模块根据不同的编码器使用随时替换对应的编码器模块；对于多路编码器同时输入的情况，采用优先编码器芯片74HC148进行编码器信号优先级的分级传输。
进一步的，所述以太网接口模块的电气接口采用四对差分信号的千兆以太网RJ45水晶头接口，网络芯片的PHY和MAC芯片通过FPGA来实现；以太网接口模块支持各种以太网协议，包括标准的普通以太网，也可以支持专用的工业以太网协议；工业以太网协议有EtherCAT、Powerlink、EtherNet/IP和Modbus-TCP协议。
进一步的，m个编码器数据信号转换成同一种工业以太网协议信号，或者所述m个编码器数据信号转换成m个对应的工业以太网协议信号；0＜m＜n。
进一步的，所述协议转换模块是通过FPGA实现，所述FPGA用于实现编码器信号到标准工业以太网协议的转换。
进一步的，所述拨码开关模块包括通信协议选择的拨码开关和编码器分辨力选择的拨码开关。
进一步的，多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块还包括用于状态显示的LCD显示模块、状态信息和故障报警进行监测的LED模块和电源模块。
一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集方法于包括：
步骤1：编码器模块通过编码器接收n个编码器数据信号，并通过编码器接口将编码器数据信号发送给协议转换模块；n大于等于0；
步骤2：拨码开关模块设置输出普通以太网或者工业以太网协议类型和编码器分辨力,并将选择的以太网协议类型和设置的编码器分辨力控制信号传递给协议转换模块；
步骤3：协议转换模块根据拨码开关模块输出的以太网协议类型和编码器分辨力控制信号，按照对应以太网协议类型和编码器分辨力将编码器数据信号依次转换成对应以太网协议数据；
步骤4：以太网接口模块输出转换后的以太网协议数据。
进一步的，所述编码数据信号指的是Endat、BiSS、SSI或增量编码器信号；编码器模块根据不同的编码器使用随时替换对应的编码器模块。
进一步的，所述以太网接口模块的电气接口采用四对差分信号的千兆以太网RJ45水晶头接口，网络芯片的PHY和MAC芯片通过FPGA来实现；以太网接口模块支持各种以太网协议，包括标准的普通以太网，也可以支持专用的工业以太网协议；工业以太网协议有EtherCAT、Powerlink、EtherNet/IP和Modbus-TCP协议。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
支持不同协议的多编码器信号输入的工业以太网组网；实现了编码器信号的接口和协议转换
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的原理结构图；
图2为本发明的硬件原理结构图。
图3为本发明的编码器模块的原理图。
图4为本发明的普通以太网接口模块。
图5为本发明的EtherCAT网络接口模块。
图6为本发明的多模块组网图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
编码器模块通过优先级排布芯片74HC148，按照接口编号对编码器接口进行优先级排布；
拨码开关模块包括通信协议选择的拨码开关(0000表示普通以太网协议，0001-1111表示工业以太网协议，其中0001、0010、0011、0100、0101分别对应EtherCAT、EtherNer/IP、Modbus-TCP和Powerlink，0110及以后为预留的工业以太网协议)和编码器协议类型选择拨码开关(其中SW2开关的S1S2S3S4分别定义编码器数据信号的分辨力，最低分辨力为S1S2S3S4为0000时17位分辨力，最高分辨力为S1S2S3S4为1111时32位分辨力；SW2的S5为0表示编码器数据信号无时间补偿，S5为1表示有时间补偿，SW2的S6空闲)
整个发明具有如下的功能：
(1)具备5V、1.2V和3.3V的DC供电功能；
(2)具备接收多路多种类型接口的编码器数据信号功能；
(3)具备普通以太网和工业以太网的通信功能；
(4)具备通过拨码开关实现编码器分辨力选择的功能；
(5)具备通过拨码开关实现编码器是否时间补偿选择的功能；
(6)具备通过拨码开关实现工业以太网协议选择的功能；
(7)具备设置零位的功能；
(8)具备模块工作状态的LED数码管和LCD监测功能；
(9)具备多接口协议的数据模块下的工业以太网快速组网功能。
这里需要说明的是，本发明在编码器模块和以太网模块分别采用模块化设计的方法设计，可以根据具体的需要，配置不同的编码器输入接口和工业以太网协议的选择。
其中，功能(1)主要是由发明的电源模块完成。其中5V给编码器供电，需要输出3.3V、1.8V、1.2V给FPGA供电。
功能(2)、功能(4)、功能(5)和功能(7)主要是通过编码器接口模块和拨码开关SW2来实现的，其中编码器接口模块主要是通过FPGA和编码器接口进行连接，主要支持的接口有Endat2.2/2.1、BISS、SSI、和增量编码器接口，其中设计的Endat2.2接口为例说明如表1所示。
表1 DB9孔座编码其接口定义
| 序号 | Endat2.2/2.1 | BISS | SSI | 增量 |
| 1 | 数据+ | 数据+ | 数据+ | A+ |
| 2 | 数据- | 数据- | 数据- | A- |
| 3 | 时钟+ | 时钟+ | 时钟+ | B+ |
| 4 | 时钟- | 时钟- | 时钟- | B- |
| 5 | 5V | 5V | 5V | Z+ |
| 6 | GND | GND | GND | Z- |
| 7 | 空闲 | 空闲 | 空闲 | 5V |
| 8 | 空闲 | 空闲 | 空闲 | GND |
| 9 | 空闲 | 空闲 | 空闲 | 空闲 |
而对于编码器分辨力和时间补偿的选择则是通过SW2拨码开关实现的，SW2拨码开关的定义如表2所示。
表2拨码开关SW2定义
整体的编码器接口模块如图3。
对于功能(3)和功能(6)的实现，主要是依靠本发明的以太网通信模块和拨码开关SW1，通过SW1选择工业以太网协议的种类：0000表示普通以太网协议，0001-1111表示工业以太网协议，其中0001、0010、0011、0100、0101分别对应EtherCAT、EtherNer/IP、Modbus-TCP和Powerlink，0110及以后为预留的工业以太网协议，然后通过FPGA处理将编码器数据信号经过标准网络协议或者工业以太网协议进行数据封装以后经过以太网接口传送出去。其中，示例中采用的千兆RJ45接口具体定义如表3。
表3 RJ45接口定义
在本发明中，考虑到不同的工业以太网组网的需求，预留了四种工业以太网协议模式的选择，如附图4、附图5所示，具体的网络接口模块实现中，每一个模块只会使用一种工业以太网，增加在使用之中通过拨码开关SW1来选择对应的工业以太网协议的功能。
表4拨码开关SW1定义
对于功能(8)，实现对于编码器转接器的状态监测，通过2个LED数码管和LCD显示屏实时显示状态信息，其中LED数码管监测宏观的模块状态，分别定义为#1数码管和#2数码管，具体的状态监测表如表5所示。
表5 LED数码管定义
| 序号 | #1定义 | #2定义 |
| 0 | 初始化状态 | 普通以太网 |
| 1 | RUN | RUN |
| 2 | 编码器接口选择 | BISS |
| 3 | 工业以太网协议选择 | Endat |
| 4 | 预留 | SSI |
| 5 | 预留 | 增量式编码器 |
| 6 | 预留 | EtherCAT |
| 7 | 预留 | EtherNet/IP |
| 8 | 故障 | Modbus-TCP |
| 9 | 预留 | Powerlink |
对于功能(9)，具体的实施过程如图5，在单一数据采集模块的情况下，可以通过在单一模块下添加多个编码器实现在数据采集模块下的组网，在工业控制网络之中，可以通过工业以太网或者普通以太网实现多数据采集模块的组网。
图6是发明的外壳安装尺寸，标准化的设计使得模块在硬件安装上方便、通用，便于维护。
整个发明的软件设计主要分为软件时序、编码器信号协议实现、网络协议实现。具体的实现方法为在FPGA中对于信号的处理，将信号交由FPGA中的工业以太网模块进行应用层协议的一个封装，然后按照对应的工业以太网的格式发送出去。
对于功能(9)的实现，具体如图6所示，多个编码器的数据处理和转化都在FPGA之中完成，处理过后的信号再经过以太网口发送给上位机；对于多数据模块的组网，采用工业以太网进行组网，工业以太网技术的优势在于组网，因为直接在FPGA上连接对于的工业以太网芯片将编码器数据信号进行工业以太网协议的封装，经工业以太网专用的网关模块处理交给同一主站PC进行数据的处理，实际操作中支持在同一工业控制网络中使用一种工业以太网协议进行组网，但是可以支持多种不同的编码器组网。
实施例：
由于本发明考虑了在使用过程中，面临不同种类编码器数据信号接口的输入以及不同种类工业以太网组网的情况，具体的实施方案中编码器的数量、种类以及工业以太网协议的选择都是可以选择和切换的,需要特别指出的是，EtherCAT在硬件接口上有别于其余的工业以太网协议和普通的以太网协议，EtherCAT需要主从两个RJ45接口，因此在硬件设计上往往需要单独考虑，在实施例之中对于输入信号和工业以太网协议的选择，如附图6所示。
如附图6，实施例采用的四个编码器，其中编码1.1和编码器1.2采用Endat2.2信号，编码器2采用BISS接口信号，编码器3采用SSI信号，工业以太网协议采用ODVA组织推出的EtherNet/IP协议。
如说明书附图6所示，整个数据采集模块的工作方式为：不同的编码器接口接收到了编码器数据信号，例如编码器1.1和编码器1.2采用Endat2.2信号，编码器2采用BISS接口信号，编码器3采用SSI信号，编码器数据信号传送给编码器接口模块之后，通过优先编码器芯片(实施例选择74HC148)对编码器数据信号进行一个优先级的排布，实时例中优先级的排布采取的方式是，编码器1.1的优先级最高，编码器3的优先级最低，这里需要指出的是，编码器接口模块传输完毕四种编码器数据信号的时间要小于任何一种编码器的周期时间，因此不存在高优先级信号持续传输和低优先级信号持续等待的局面，优先编码器对于信号进行优先级信号的排布，是为了保证两路或者多路信号同时输入避免信号堵塞或者丢失而采取的措施，并且，在实际的编码器输入信号的选择之中，优先级的排布方式可以选择和变换。经过优先编码器芯片进行信号收集和优先级排布之后，编码器接口模块将编码器信按照优先级的顺序传输给FPGA模块进行一次处理，FPGA采用的是Xilinx公司的XC6SLX150_3FGG484I，主要的作用是通过软件处理的方式，将由编码器数据信号接口模块上传的数据进行转换成工业以太网信号，实施例使用的工业以太网协议为EtherNet/IP协议，将协议移植进入FPGA之中以后，EtherNet/IP协议会有一个专门针对于编码器数据信号的传输通道，采用UDP协议进行传输的class 3通道传输，在软件接口上，EtherNet/IP协议的应用层在轮询从数据处理模块传输而来的编码器数据，当触发接收以后，EtherNet/IP协议就会将传输过来的具有浮点精度的编码器数据进行第一次封装，封装在EtherNet/IP协议的应用层之中，EtherNet/IP应用层协议采用的是专用的工业控制协议CIP协议，然后赋予一个很高的优先级和传输通道标识，不需要任何等待将数据传输给EtherNet/IP协议的传输层进行第二次封装，由于EtherNet/IP协议支持标准的TCP/IP协议，因此在传输层中选择的是TCP、UDP协议，对于编码器数据信号这样的实时信号，采用UDP通道进行传输，在传输层进行第二次封装添加上了UDP报头之后，将数据包传输给网络层协议进行第三次封装，网络层数据添加上对应的IP地址等数据报头结构之后，将数据包传输给数据链路层和物理层转换层电平信号传输出去，这里需要指出的是，EtherNet/IP协议在物理层和数据链路层采用的协议为标准的IEEE802.3标准，因此直接通过FPGA实现的PHY和MAC，经过MAC模块之后，编码器数据信号经过网关模块，直接传输给PC端的RJ45接口，然后PC将传输过来的EtherNet/IP数据包从物理层直到应用层的层层解包，得到一个浮点精度的数据变量。编码器数据采集模块的LCD显示和LED数码管状态显示，由FPGA提供驱动和电源，皆采用3.3V供电，其中LCD用来显示信号采集的实时状态，LED用来监测关键状态，FLASH的作用是在编码器的信号处理模块之中，对于不同编码信号处理的软件存储，两个拨码开关有两个作用：编码器的调零作用以及编码器类型和工业以太网协议的选择。编码器数据采集模块兼容工业以太网协议主要是考虑了组网的问题，组网的方式如图1和图5所示。图1和图5是考虑了各种通信协议进行组网的情况，在实际操作中，所有的网络通信协议一般是同一种通信协议，工业以太网的组网能力很强，分散的工业以太网从站设备有不同的IP地址，主站会按照IP地址对从站上传的数据进行处理以此完成工业以太网的组网。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于包括：
编码器模块，用于通过编码器接收n个编码器数据信号，并通过编码器接口将编码器数据信号发送给协议转换模块；n大于等于0；
拨码开关模块，用于设置输出普通以太网或者工业以太网协议类型和编码器分辨力,并将选择的以太网协议类型和设置的编码器分辨力的控制信号传递给协议转换模块；
协议转换模块，用于根据拨码开关模块设置的以太网协议类型和编码器分辨力控制信号，按照对应以太网协议类型和编码器分辨力将编码器数据信号依次转换成对应以太网协议数据；
以太网接口模块，用于输出转换后的以太网协议数据。
2.根据权利要求1所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于所述编码器数据信号指的是Endat、BiSS、SSI或增量编码器信号；编码器模块根据不同的编码器使用情况随时替换对应的编码器模块；对于多路编码器同时输入的情况，采用优先编码器芯片74HC148进行编码器信号优先级的分级传输。
3.根据权利要求1所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于所述以太网接口模块的电气接口采用四对差分信号的千兆以太网RJ45水晶头接口，网络芯片的PHY和MAC芯片通过FPGA来实现；以太网接口模块支持各种以太网协议，包括标准的普通以太网协议，也可以支持专用的工业以太网协议；工业以太网协议有EtherCAT、Powerlink、EtherNet/IP和Modbus-TCP协议。
4.根据权利要求1所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于m个编码器数据信号转换成同一种工业以太网协议信号，或者所述m个编码器数据信号转换成m个对应的工业以太网协议信号；0＜m＜n。
5.根据权利要求1所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于所述协议转换模块是通过FPGA实现，所述FPGA用于实现编码器信号到工业以太网协议的转换。
6.根据权利要求1所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于所述拨码开关模块包括通信协议选择的拨码开关和编码器分辨力选择的拨码开关。
7.根据权利要求1所述的一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集模块，其特征在于还包括用于状态显示的LCD显示模块、对状态信息和故障报警进行监测的LED模块和电源模块。
8.一种多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集方法，其特征在于包括：
步骤1：编码器模块通过编码器接收n个编码器数据信号，并通过编码器接口将编码器数据信号发送给协议转换模块；n大于等于0；
步骤2：拨码开关模块设置输出普通以太网或者工业以太网协议类型和编码器分辨力,并将选择的以太网协议类型和设置的编码器分辨力控制信号传递给协议转换模块；
步骤3：协议转换模块根据拨码开关模块输出的以太网协议类型和编码器分辨力控制信号，按照对应以太网协议类型和编码器分辨力将编码器数据信号依次转换成对应以太网协议数据；
步骤4：以太网接口模块输出转换后的以太网协议数据。
9.根据权利要求8所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集方法，其特征在于所述编码数据信号指的是Endat、BiSS、SSI或增量编码器信号；编码器模块根据不同的编码器使用情况随时替换对应的编码器模块。
10.根据权利要求8所述的多协议兼容多工业以太网总线的编码器数据采集方法，其特征在于所述以太网接口模块的电气接口采用四对差分信号的千兆以太网RJ45水晶头接口，网络芯片的PHY和MAC芯片通过FPGA来实现；以太网接口模块支持各种以太网协议，包括标准的普通以太网，也可以支持专用的工业以太网协议；工业以太网协议有EtherCAT、Powerlink、EtherNet/IP和Modbus-TCP协议。
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