CN112039743B - 一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置，属于工控自动化相关技术领域，所述装置包括：EtherCAT主站、EtherCAT从站、ASI主站和ASI从站四部分：所述EtherCAT主站接收来自可编程自动化控制器的控制信息并通过EtherCAT总线实现与所述EtherCAT从站的数据双向收发；所述EtherCAT从站完成报文信息的接收与编译，并实现与所述ASI主站的双向信号收发；所述ASI主站实现数据信息接收与解析，并通过ASI总线实现与所述ASI从站的信息双向收发；所述ASI从站处理报文信息并返回应答信号。本发明能够实现ASI总线与EtherCAT总线之间数据信息简洁可靠的双向收发，解决工业生产现场的车间级与设备级现场总线之间的通信互联问题，满足工控自动化领域的集成需要。

Description

一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置
技术领域
本发明属于工控自动化相关技术领域，更具体地，涉及一种执行器-传感器-接口(Actuator-Sensor-Interface，ASI)总线和以太网控制自动化技术 (Ether ControlAutomation Technology，EtherCAT)总线互联互通的装置。
背景技术
与传统的控制系统相比，现场总线作为各个产品与设备之间的纽带，只需要一根电缆就可以把分散的现场控制产品与设备联系起来，形成一个信息交互的控制网络系统；同时，现场总线系统可以支持现场设备间的信号与数据传输，从而使得它们可以完成上层控制设备传达的控制任务，为工控自动化领域的发展带来了创新与便利。
如今多种现场总线技术高速发展，具有不同通讯协议的设备之间的信息交互已然日益广泛。然而，由于某一个现场总线系统的诞生是为了满足对应品牌或系统的通信要求，各个现场总线系统之间的组成架构与通信原理也都各不相同。支持某一现场总线通讯协议的产品和设备无法实现与另一种现场总线设备的信息和数据交互，而只能够和使用同一种现场总线通讯协议的产品进行互联互通。
相应的，本领域存在着实现底层简洁的ASI总线和实时开放的 EtherCAT总线互联互通的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置，其目的在于降低生产能耗及生产成本，提高工业生产效率，由此解决工业生产现场的车间级与设备级现场总线之间的通信互联问题，满足工控自动化领域的集成需要。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种ASI总线和 EtherCAT总线互联互通的装置。
一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置包括：依次连接的 EtherCAT主站(1)、EtherCAT从站(2)、ASI主站(3)和ASI从站(4)；
所述EtherCAT主站(1)包括：
EtherCAT主站微处理器芯片(101)，用于实现所述EtherCAT主站的通讯管理与软件控制；
EtherCAT主站物理层芯片(102)，用于实现物理层的数据的收发与编译；
EtherCAT主站通讯接口(103)，用于通过EtherCAT总线将控制数据信息传递至所述EtherCAT从站(2)；
所述EtherCAT从站(2)包括：
EtherCAT从站微处理器芯片(201)，用于实现数据链路层的数据帧处理与应用层协议，并通过I/O管脚接口完成与所述ASI主站(3)间的信息交换；
EtherCAT从站物理层芯片(202)，用于实现信号收发与数据编译；
EtherCAT从站通讯接口(203)，用于通过所述EtherCAT总线实现与所述EtherCAT主站(1)间的信息交互；
所述ASI主站(3)包括：
ASI主站专用芯片(301)，用于实现报文数据的收发与处理，并通过 I/O管脚接口完成与所述EtherCAT从站(2)间的信息交互；
ASI主站通讯接口(302)，用于通过所述ASI总线完成与所述ASI从站(4)间的信号传输；
所述ASI从站(4)包括：
ASI从站专用芯片(401)，用于实现数据信号的收发与编译；
ASI从站通讯接口(402)，用于通过所述ASI总线完成与所述ASI主站(3)间的数据信息交互。
在其中一个实施例中，所述EtherCAT主站(1)选用安装了Xenomai 实时补丁的BeagleBoneBlack开发板作为底板，通过MiniUSB接口与上层可编程自动化控制器相连；
所述EtherCAT主站微处理器芯片(101)选用基于ARMCortex-A8内核的AM3358芯片；
所述EtherCAT主站物理层芯片(102)选用KSZ8721BLI芯片；
所述EtherCAT主站通讯接口(103)选用RJ45接口。
在其中一个实施例中，所述可编程自动化控制器是基于IEC61131-3开发环境进行设计的。
在其中一个实施例中，所述EtherCAT从站(2)选用P10_F484开发板为底板；所述EtherCAT从站微处理器芯片(201)选用集成了ARMCortex-M3 内核的CME-M7FPGA芯片；所述EtherCAT从站物理层芯片(202)选用KSZ8721BLI芯片；所述EtherCAT从站通讯接口(203)选用RJ45接口。
在其中一个实施例中，所述ASI主站(3)选用P10_F484开发板为底板；所述ASI主站专用芯片(301)选用ASI4U芯片。
在其中一个实施例中，所述EtherCAT从站(2)利用CME-M7芯片的 I/O管脚接口和所述ASI主站(3)中ASI4U芯片的I/O管脚接口连接，实现数据信息的双向传输。
在其中一个实施例中，所述ASI从站(4)选用ASI从站开发板为底板；所述ASI从站专用芯片(401)选用ASI4U芯片。
在其中一个实施例中，所述EtherCAT主站(1)经所述EtherCAT从站 (2)、所述ASI主站(3)与所述ASI从站(4)进行双向数据信息传输。
在其中一个实施例中，所述装置的供电系统采用RXN-305D可调直流稳压电源。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的ASI总线与EtherCAT总线互联互通的装置具有以下有益效果：
1、本发明提供的装置可以实现EtherCAT主站至ASI从站之间的双向通信与数据信息传输，通信功能完善；装置的通信同步性、稳定性和可靠性等性能较好；
2、本发明提供的装置采用标准化、模块化的设计方法，大大提高了互联互通的装置的实时性、灵活性与便利性，结构较为简单，设计成本较为低廉，提高了装置的实用性；
3、本发明提供的装置中ASI从站I/O模块的控制是由可编程自动化控制器(Automation Programmable Controller，PAC)编程平台实现的，具有可编程特性，用户可以根据不同的应用场景需求进行定制化的设计与开发；
4、本发明提供的装置中EtherCAT主站，将基于ARM Cortex-A8的 AM3358芯片的BeagleBone Black开发板作为底板，具有较高的主频和良好的通信性能，在EtherCAT接口等方面进行了增强，实时性与同步性较好；
5、本发明提供的装置中EtherCAT从站微处理器采用高度集成化的嵌入硬核FPGA的CME-M7芯片，以先进的封装技术将ARM Cortex-M3内核、I/O存储等资源进行整合，实现了FPGA与嵌入式处理器之间的无缝连接，运行速度快且计算能力强；
6、本发明提供的装置中EtherCAT主站与EtherCAT从站采用 KSZ8721BLI型物理层芯片，可以快速接入以太网并实现工作方式的自动匹配，支持端口自动翻转且具有掉电保护功能；
7、本发明提供的互联互通的装置的ASI主站与ASI从站采用ASI4U 专用芯片，其以28引脚封装，可实现数据信息的分析和预处理，数据收发处理速度快，运行稳定可靠。
附图说明
图1是本发明提供的ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的结构示意图；
图2是图1中基于ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的 EtherCAT主站与ASI从站双向通信的交互时序图；
图3是图2中基于ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的 EtherCAT主站到ASI从站的工作流程图；
图4是图2中基于ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的ASI 从站到EtherCAT主站的工作流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-EtherCAT主站，101-EtherCAT主站微处理器芯片，102-EtherCAT主站物理层芯片，103-EtherCAT主站通讯接口，2-EtherCAT从站，201-EtherCAT 从站微处理器芯片，202-EtherCAT从站物理层芯片，203-EtherCAT从站通讯接口，3-ASI主站，301-ASI主站专用芯片，302-ASI主站通讯接口， 4-ASI从站，401-ASI从站专用芯片，402-ASI从站通讯接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置，如图1所示， ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置包括：依次连接的EtherCAT主站1、EtherCAT从站2、ASI主站3和ASI从站4；
EtherCAT主站1包括：EtherCAT主站微处理器芯片101，用于实现EtherCAT主站的通讯管理与软件控制；EtherCAT主站物理层芯片102，用于实现物理层的数据的收发与编译；EtherCAT主站通讯接口103，用于通过EtherCAT总线将控制数据信息传递至EtherCAT从站2；
EtherCAT从站2包括：EtherCAT从站微处理器芯片201，用于实现数据链路层的数据帧处理与应用层协议，并通过I/O管脚接口完成与ASI主站3间的信息交换；EtherCAT从站物理层芯片202，用于实现信号收发与数据编译；EtherCAT从站通讯接口203，用于通过EtherCAT总线实现与 EtherCAT主站1间的信息交互；
ASI主站3包括：ASI主站专用芯片301，用于实现报文数据的收发与处理，并通过I/O管脚接口完成与EtherCAT从站2间的信息交互；ASI主站通讯接口302，用于通过ASI总线完成与ASI从站4间的信号传输；
ASI从站4包括：ASI从站专用芯片401，用于实现数据信号的收发与编译；ASI从站通讯接口402，用于通过ASI总线完成与ASI主站3间的数据信息交互。
EtherCAT总线可以解决现场级和车间级设备的通信问题，但数据信号通常需要传输到传感器、执行器等多种现场设备之上，这些设备往往数量众多，且分布较为分散，因此很难全部直接连接到EtherCAT总线上。ASI 总线是一种最底层的现场总线系统，只需一根电缆就可以建立起与I/O模块、传感器、执行器等设备的联系，满足工控自动化领域的集成需要。本申请实施例利用EtherCAT总线和ASI总线组合使用，能够使车间级现场设备与底层传感器、执行器等I/O设备建立简洁地设备联系。
具体的，EtherCAT主站1通过双绞线与EtherCAT从站2相互连接，其与EtherCAT从站2之间通过EtherCAT总线进行双向通信。EtherCAT主站1选用安装了Xenomai实时补丁的BeagleBone Black开发板为底板，，并通过MiniUSB接口与上层可编程自动化控制器相连，接收来自可编程自动化控制器的控制信息并实现与EtherCAT从站的数据双向收发。且EtherCAT主站1包括EtherCAT主站微处理器芯片101、EtherCAT主站物理层芯片102和EtherCAT主站通讯接口103。在其中一个实施例中， EtherCAT主站微处理器芯片101选用基于ARM Cortex-A8内核的AM3358 芯片，用来实现EtherCAT主站的通讯管理与软件控制；EtherCAT主站物理层芯片102选用KSZ8721BLI芯片，用来实现物理层的数据的收发与编译；EtherCAT主站通讯接口103选用RJ45接口，用来将控制数据信息传递至EtherCAT从站2。在其中一个实施例中，可编程自动化控制器是基于 IEC61131-3开发环境进行设计的。
EtherCAT从站2通过双绞线与EtherCAT主站1相互连接，其与EtherCAT主站1之间通过EtherCAT总线进行双向通信；同时，EtherCAT主站1 通过I/O管脚接口与ASI主站3相互连接并进行双向通信。EtherCAT 从站2选用P10_F484开发板为底板，其包括EtherCAT从站微处理器芯片 201、EtherCAT从站物理层芯片202和EtherCAT从站通讯接口203。在其中一个实施例中，EtherCAT从站微处理器芯片201选用集成了ARM Cortex-M3内核的CME-M7FPGA芯片，用来实现数据链路层的数据帧处理与应用层协议，并完成与ASI主站3间的信息交换；物理层芯片202选用 KSZ8721BLI芯片，用来实现信号收发与数据编译；EtherCAT从站通讯接口203选用RJ45接口，用来实现与EtherCAT主站1的信息交互。
ASI主站3通过杜邦线与ASI从站4相互连接，其与ASI从站4之间通过ASI总线进行双向通信；同时，ASI主站3通过I/O管脚接口与EtherCAT 从站2相互连接并进行双向通信。ASI主站3选用P10_F484开发板为底板，其包括ASI主站专用芯片301和ASI主站通讯接口302。在其中一个实施例中，ASI主站专用芯片301选用了ASI4U芯片，用来实现报文数据的收发与处理，并完成与EtherCAT从站2间的信息交互；ASI主站通讯接口302 用来完成与ASI从站4间的信号传输。
ASI从站4通过杜邦线与ASI主站3相互连接，其与ASI主站3之间通过ASI总线进行双向通信。ASI从站4选用ASI从站开发板为底板，其包括ASI从站专用芯片401和ASI从站通讯接口402。在其中一个实施例中，ASI从站专用芯片401选用了ASI4U芯片，实现数据信号的收发与编译；ASI从站通讯接口402用来完成与ASI主站3间的数据信息交互。
在其中一个实施例中，EtherCAT主站1和ASI从站4之间的数据信息是双向传输的。
在其中一个实施例中，ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的供电系统采用RXN-305D可调直流稳压电源。ASI总线与EtherCAT总线互联互通的装置工作时，使用RXN-305D可调直流稳压电源分别对EtherCAT 主站1和EtherCAT从站2进行供电，就可以使整个互联互通的装置开始运作。
图2为本申请中ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置的起始流程图，其中，EtherCAT主站1的程序烧录及编译是基于HZPAC平台完成的，其采用标准化、模块化的设计方法，使整个程序编写过程方便快捷且易于理解。在HZPAC编程平台编写模块化程序并编译后，将其烧录至EtherCAT 主站，实现程序经EtherCAT从站、ASI主站，最终传递至ASI从站，并控制I/O设备的实现对应操作的过程。互联互通的装置起始工作流程具体如下：1.EtherCAT、ASI各主从站初始化；2.将HZPAC编程平台下编写的控制程序烧录至EtherCAT主站；3.EtherCAT主站传递信号至EtherCAT从站； 4.EtherCAT从站传递信号至ASI主站；5.ASI主站传递信号至ASI从站，并控制I/O设备的实现对应操作过程。
如图3所示，在互联互通的装置上电并复位初始化后，EtherCAT主站 1可以经EtherCAT从站2和ASI主站3向ASI从站4发送数据信息。 EtherCAT主站1接收来自上层可编程自动化控制器的控制信息并生成报文信息，经由EtherCAT总线将报文信息发送至EtherCAT从站2；EtherCAT 从站2将接收到的报文信息进行编译得到数据信号，并通过EtherCAT从站微处理器芯片201与ASI主站专用芯片301的I/O管脚接口将数据信号发送至ASI主站3；ASI主站3接收EtherCAT从站2传输的数据信号并进行解析，将解析后的数据通过ASI总线发送到ASI从站4，进而控制ASI从站4连接的各个I/O模块的功能实现。
如图4所示，在互联互通的装置上电并复位初始化后，ASI从站4同样可以经ASI主站3和EtherCAT从站2向EtherCAT主站1发送数据信息。 ASI从站4处理数据信息并产生应答信号，并通过ASI总线将数据信息传递至ASI主站3；ASI主站3接收数据信息并完成数据信息的编译处理后，通过ASI主站专用芯片301和EtherCAT从站微处理器芯片201的I/O管脚接口将数据信号发送至EtherCAT从站2；EtherCAT从站2接收数据信号，并将解析处理完毕后的报文信息发送至EtherCAT主站1，由此实现互联互通的装置的双向数据信息传输。当使用者不使用ASI总线与EtherCAT总线互联互通的装置时，关闭电源即可。
本发明提供的ASI总线与EtherCAT总线互联互通的装置，将ASI总线与EtherCAT总线两种现场总线协议相互结合，实现了EtherCAT总线与ASI 总线之间的双向互联互通，具有可再编程的优势与特性以方便用户根据不同的应用需求进行定制化设计与开发，有效保证了通信过程的实时性、灵活性、稳定性与可靠性，同时装置结构简洁，降低了生产成本，提高了工业生产效率。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种ASI总线和EtherCAT总线互联互通的装置，其特征在于，应用于现场级和车间级设备的通信；包括：依次连接的EtherCAT主站(1)、EtherCAT从站(2)、ASI主站(3)和ASI从站(4)；
所述EtherCAT主站(1)包括：
EtherCAT主站微处理器芯片(101)，用于实现所述EtherCAT主站的通讯管理与软件控制；
EtherCAT主站物理层芯片(102)，用于实现物理层的数据的收发与编译；
EtherCAT主站通讯接口(103)，用于通过EtherCAT总线将控制数据信息传递至所述EtherCAT从站(2)；
所述EtherCAT从站(2)包括：
EtherCAT从站微处理器芯片(201)，用于实现数据链路层的数据帧处理与应用层协议，并通过I/O管脚接口完成与所述ASI主站(3)间的信息交换；
EtherCAT从站物理层芯片(202)，用于实现信号收发与数据编译；
EtherCAT从站通讯接口(203)，用于通过所述EtherCAT总线实现与所述EtherCAT主站(1)间的信息交互；
所述ASI主站(3)包括：
ASI主站专用芯片(301)，用于实现报文数据的收发与处理，并通过I/O管脚接口完成与所述EtherCAT从站(2)间的信息交互；
ASI主站通讯接口(302)，用于通过所述ASI总线完成与所述ASI从站(4)间的信号传输；
所述ASI从站(4)包括：
ASI从站专用芯片(401)，用于实现数据信号的收发与编译；
ASI从站通讯接口(402)，用于通过所述ASI总线完成与所述ASI主站(3)间的数据信息交互；
其中，所述EtherCAT主站(1)经所述EtherCAT从站(2)、所述ASI主站(3)与所述ASI从站(4)进行双向数据信息传输。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述EtherCAT主站(1)选用安装了Xenomai实时补丁的BeagleBone Black开发板作为底板，通过MiniUSB接口与上层可编程自动化控制器相连；
所述EtherCAT主站微处理器芯片(101)选用基于ARM Cortex-A8内核的AM3358芯片；
所述EtherCAT主站物理层芯片(102)选用KSZ8721BLI芯片；
所述EtherCAT主站通讯接口(103)选用RJ45接口。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可编程自动化控制器是基于IEC61131-3开发环境进行设计的。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述EtherCAT从站(2)选用P10_F484开发板为底板；
所述EtherCAT从站微处理器芯片(201)选用集成了ARM Cortex-M3内核的CME-M7 FPGA芯片；
所述EtherCAT从站物理层芯片(202)选用KSZ8721BLI芯片；
所述EtherCAT从站通讯接口(203)选用RJ45接口。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述ASI主站(3)选用P10_F484开发板为底板；所述ASI主站专用芯片(301)选用ASI4U芯片。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述EtherCAT从站(2)利用CME-M7芯片的I/O管脚接口和所述ASI主站(3)中ASI4U芯片的I/O管脚接口连接，实现数据信息的双向传输。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ASI从站(4)选用ASI从站开发板为底板；所述ASI从站专用芯片(401)选用ASI4U芯片。
8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置的供电系统采用RXN-305D可调直流稳压电源。
9.一种通信方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述装置，所述方法包括：
EtherCAT主站(1)接收来自上层可编程自动化控制器的控制信息并生成报文信息，经由EtherCAT总线将所述报文信息发送至EtherCAT从站(2)；
EtherCAT从站(2)将接收到的所述报文信息进行编译得到数据信号，并通过EtherCAT从站微处理器芯片(201)与ASI主站专用芯片(301)的I/O管脚接口将所述数据信号发送至ASI主站(3)；
ASI主站(3)接收EtherCAT从站(2)传输的所述数据信号并进行解析，将解析后的数据通过ASI总线发送到ASI从站(4)，进而控制ASI从站(4)连接的各个I/O模块的功能实现。
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