CN201601690U - 一种基于EtherCAT技术的输入输出模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于EtherCAT技术的输入输出模块，包括盒体，在所述盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板。本实用新型所述基于EtherCAT技术的输入输出模块，可以实现结构简单、占用空间小、成本低、以及易于维护的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及EtherCAT技术与输入输出设备，具体地，涉及一种基于EtherCAT技术的输入输出模块。
背景技术
总线(Bus)作为一种内部结构，是计算机的CPU、内存、以及输入/输出设备等种功能部件之间传送信息的公共通信干线，计算机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统；Bus是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)，分别用来传输数据信号、地址信号和控制信号。
目前，高速现场总线技术是实现远程控制和分布式自动化控制的关键性核心技术，通俗地讲，现场总线就像人们熟知的公路和铁路，连接着各个城市和村庄；高速现场总线就像人们正在大规模建设的高速公路和高速铁路，高速公路和高速铁路改变了人们许多生活居住方式和商业经营方式，而高速现场总线技术将引起自动控制系统结构和方式的革命性变化。
例如，现有技术中不具有现场总线的控制系统包括控制器、第1至第n控制单元，第1至第n执行机构，第1至第n控制单元、以及第1至第n执行机构均需直接与控制器连接。
现有技术中具有现场总线的控制系统包括远程控制器、第1至第m远程I/O组件模块、第1至第m远程控制元件、以及第1至第m远程执行机构，第1至第m远程控制元件、以及第1至第m远程执行机构分别通过相应的第1至第m远程I/O组件模块与远程控制器连接。可见，使用现场总线的控制系统至少具有分散控制与集中管理的优点，有利于极大提高控制系统的稳定性和抗干扰能力，大大地节省能源、材料、以及设备的安装费用，同时极大地增强控制系统的功能和性能。
过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通讯系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统的现场总线技术在许多应用场合已经难以满足用户不断增长的需求。以太网已经在局域网和Internet上取得了巨大的成功，在整个企业的信息系统中，以太网已经非常成功的应用于市场经营管理层、生产管理层和过程监控层。如果能够在底层设备网络上引入以太网不仅可以使现场设备层、过程控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。
目前，工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点，多家自动化公司推出了自己的工业以太网解决方案。目前主要的工业以太网标准有以下几种：Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、Powerlink、EtherCAT以及我国研制的EPA等。与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所支持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。
EtherCAT(Ethernetfor Control Automation Technology)是由德国自动控制公司Beckhoff开发的一种工业以太网技术，该技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的产品研发人员的关注。2003年底ETG(Ethernet Technology Group)组织成立，负责EtherCAT技术的推广和宣传。目前，该组织目前已经拥有700多个成员，很多成员组织已经开发出基于EtherCAT的产品。
工业以太网技术是工业控制行业中的研究热点。EtherCAT技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的关注。EtherCAT是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。
作为一种实时以太网协议，EtherCAT从站的OSI模型可以用图1简单描述。在图1中，ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层OSI模型被压缩成了具有物理层、数据链路层和应用层的3层模型。物理层为网络信号的传输提供了物理链路。数据链路层的主要任务是在特定的“时间窗”内从以太网帧中提取数据并把要输出的数据插入到以太网帧内，同时对数据进行检查校验。如果动作在特定的时间窗内不能完成，就会认为动作失败。应用层的作用是处理数据链路层的请求，并作出适当的反应。
EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。EtherCAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回EtherCAT主站。
在EtherCAT协议结构中，由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，EtherCAT充分利用了IO层的带宽，采用EtherCAT协议进行数据传输，可用的数据传输速率可达90％以上，100Mbit/s的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理1000个数字量I/O只需30微秒，处理200个16位模拟量信号只需50微秒，即取样频率达到20kHz。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合，可以做到真正把以太网应用于传感器/执行器级。EtherCAT协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。
在故障诊断方面，EtherCAT通过CRC校验，可以有效地检测出数据传送期间的位故障，EtherCAT通过匹配性检查可以进行断线检测和故障定位。另外，EtherCAT系统的协议还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。
EtherCAT技术的实现包括主站实现和从站实现。EtherCat主站不需要专用的通讯处理器，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可，完全采用软件方式在主机CPU中实现协议的识别和封装。EtherCat可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。为了方便主站的开发，EtherCat组织现在提供主站样本代码，可以方便的把该代码嵌入到实时操作系统中，加快项目开发进程。
EtherCat从站是通过专用硬件实现的，目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器，也可以一次性购买获取授权的二进制代码，通过价格低廉的FPGA实现从站控制器的功能。实现从站的专用硬件都具有两个MAC地址，可以很容易的扩展两个网口，目的是便于实现级联，构成各种拓扑结构。
例如，采用TI公司的16位处理器TMS320LF2407作为微处理器，采用Beckhoff公司的ET1100作为工业以太网EtherCat协议通讯控制器。TMS320LF2407实现了EtherCat协议的应用层，可以通过16位并口对ET1100内部的DPRAM进行数据存取。ET1100带有两个MII接口，它们在硬件上实现了EtherCat协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的物理层。网络变压器的作用是实现隔离和阻抗匹配。主站PC与从站的数据通讯速率达到100Mbit/s。
EtherCAT作为工业自动化以太网解决方案，以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的青睐，国际上已经有多个厂家研发出自己的主站产品和从站芯片，国内也有多个厂家开始着力于该技术的产品开发。新华集团研发中心已经在国内率先实现了EtherCAT技术的产品化，成功研发了国内第一套基于EtherCAT的DCS TisNet-E1000，在国内引领了基于EtherCAT技术的自动化产品开发。
EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本；另外，EtherCAT还包括高精度设备同步、可选线缆冗余、以及功能性安全协议(SIL3)。可见，EtherCAT具有速度快、布线容易的特点；且具有兼容性和开放性；适合于快速控制的应用场合。另外，EtherCAT支持各种拓扑结构，如总线型、星型、环形等，并且允许EtherCAT系统中出现多种结构的组合；支持多种传输电缆，如双绞线、光纤、光导总线等，以适应于不同的场合，以提升布线的灵活性。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于EtherCAT技术的输入输出模块，以实现结构简单、占用空间小、成本低、以及易于维护的优点。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于EtherCAT技术的输入输出模块，包括盒体，在所述盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板。
进一步地，所述集成电路板包括基于EtherCAT技术的专用集成芯片(即ASIC芯片)、I/O接口与多个总线接口，所述I/O接口及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片连接。
进一步地，所述集成电路板还包括CPU，所述CPU分别与I/O接口及基于EtherCAT技术的ASIC芯片相连。
进一步地，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括BECKHOFFET1100芯片，所述CPU分别与I/O接口及BECKHOFF ET1100芯片相连，所述BECKHOFF ET1100芯片与多个总线接口相连。
进一步地，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括BECKHOFFET1200芯片，所述CPU分别与I/O接口及BECKHOFF ET1200芯片相连，所述BECKHOFF ET1200芯片与多个总线接口相连。
进一步地，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括FPGA/Bibary芯片，I/O接口及多个总线接口分别通过总线与FPGA/Bibary芯片连接，所述CPU分别与I/O接口及FPGA/Bibary芯片相连，所述FPGA/Bibary芯片与多个总线接口相连。
本实用新型各实施例的基于EtherCAT技术的输入输出模块，由于包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板；由于将基于EtherCAT技术的集成电路板设置在与其匹配的外壳中，可以实现结构简单、占用空间小、成本低、以及易于维护的优点。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1为现有技术中EtherCAT的OSI模型图；
图2根据本实用新型基于EtherCAT技术的输入输出模块的安装结构示意图；
图3为根据本实用新型基于EtherCAT技术的输入输出模块实施例一的安装结构示意图；
图4为根据本实用新型基于EtherCAT技术的输入输出模块实施例二的安装结构示意图；
图5为根据本实用新型基于EtherCAT技术的输入输出模块实施例三的安装结构示意图。
结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：
1-ASIC芯片；11-BECKHOFF ET1100芯片；12-BECKHOFF ET1200芯片；13-FPGA/Bibary芯片；2-CPU；31、32-总线接口；33-I/O接口。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型的基本原理：
如图2所示，本实用新型基于EtherCAT技术的输入输出模块包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板，该盒子与基于EtherCAT技术的集成电路板相匹配。其中，该集成电路板包括基于EtherCAT技术的专用集成芯片(即ASIC芯片)1、I/O接口33与多个总线接口，I/O接口33及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片1连接。
进一步地，还可以包括CPU2，CPU2分别与I/O接口33及基于EtherCAT技术的ASIC芯片1相连。在图2中，包括两个总线接口31及32，基于EtherCAT技术的ASIC芯片1分别通过外部总线(External Bus，简称EBus)与两个总线接口31及32相连，这里，基于EtherCAT技术的ASIC芯片1直接在硬件中处理EtherCAT协议，因而可确保硬件设备的高性能和实时性，而与任何下游从站微控制器及相关软件无关；可以为实现EtherCAT从站提供了一种结构紧凑、经济高效的解决方案。
实施例一
根据本实用新型实施例，提供了一种基于EtherCAT技术的输入输出模块。如图3所示，本实施例包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板，该盒子与基于EtherCAT技术的集成电路板相匹配。其中，该集成电路板包括基于EtherCAT技术的ASIC芯片1、CPU2、I/O接口33与多个总线接口，CPU2分别与I/O接口33及基于EtherCAT技术的ASIC芯片1相连，I/O接口33及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片1连接。
其中，在上述实施例中，包括两个总线接口31及32，基于EtherCAT技术的ASIC芯片1包括BECKHOFF ET1100芯片11，BECKHOFF ET1100芯片11分别通过外部总线(External Bus，简称EBus)与两个总线接口31及32相连，CPU2分别与I/O接口33及BECKHOFF ET1100芯片11相连。这里，BECKHOFF ET1100芯片11直接在硬件中处理EtherCAT协议，因而可确保硬件设备的高性能和实时性，而与任何下游从站微控制器及相关软件无关；可以为实现EtherCAT从站提供了一种结构紧凑、经济高效的解决方案。
实施例二
根据本实用新型实施例，提供了一种基于EtherCAT技术的输入输出模块。如图4所示，本实施例包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板，该盒子与基于EtherCAT技术的集成电路板相匹配。其中，该集成电路板包括基于EtherCAT技术的ASIC芯片1、CPU2、I/O接口33与多个总线接口，CPU2分别与I/O接口33及基于EtherCAT技术的ASIC芯片1相连，I/O接口33及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片1连接。
其中，在上述实施例中，包括两个总线接口31及32，基于EtherCAT技术的ASIC芯片1包括BECKHOFF ET1200芯片12，BECKHOFF ET1200芯片12分别通过EBus与两个总线接口31及32相连，CPU2分别与I/O接口33及BECKHOFF ET1200芯片12相连。这里，BECKHOFF ET1200芯片12直接在硬件中处理EtherCAT协议，因而可确保硬件设备的高性能和实时性，而与任何下游从站微控制器及相关软件无关；可以为实现EtherCAT从站提供了一种结构紧凑、经济高效的解决方案。
与上述实施例一相比，BECKHOFF ET1200芯片12是BECKHOFFET1100芯片11的“小”型变体，带有16个数字量I/O接口和用于实现高精度同步的分布式时钟硬件。另外，BECKHOFF ET1200芯片12有两个EtherCAT端口，其中一个可被用作MII来连接一个标准的物理层；另一个端口用于LVDS，因此BECKHOFF ET1200芯片12特别适用于将LVDS用作内部总线物理层的模块化设备。
实施例三
根据本实用新型实施例，提供了一种基于EtherCAT技术的输入输出模块。如图5所示，本实施例包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板，该盒子与基于EtherCAT技术的集成电路板相匹配。其中，该集成电路板包括基于EtherCAT技术的ASIC芯片1、CPU2、I/O接口33与多个总线接口，CPU2分别与I/O接口33及基于EtherCAT技术的ASIC芯片1连接，I/O接口33及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片1连接。
其中，在上述实施例中，包括两个总线接口31及32，基于EtherCAT技术的ASIC芯片1包括FPGA/Bibary芯片13，FPGA/Bibary芯片13分别通过EBus与两个总线接口31及32相连，CPU2分别与I/O接口33及FPGA/Bibary芯片13相连。这里，FPGA/Bibary芯片13直接在硬件中处理EtherCAT协议，因而可确保硬件设备的高性能和实时性，而与任何下游从站微控制器及相关软件无关；可以为实现EtherCAT从站提供了一种结构紧凑、经济高效的解决方案。
综上所述，本实用新型各实施例的基于EtherCAT技术的输入输出模块，由于包括盒体，在盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板；由于将基于EtherCAT技术的集成电路板设置在与其匹配的外壳中，可以实现结构简单、占用空间小、成本低、以及易于维护的优点。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，包括盒体，在所述盒体内部设有基于EtherCAT技术的集成电路板。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，所述集成电路板包括基于EtherCAT技术的ASIC芯片、I/O接口与多个总线接口，所述I/O接口及多个总线接口分别通过总线与基于EtherCAT技术的ASIC芯片连接。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，所述集成电路板还包括CPU，所述CPU分别与I/O接口及基于EtherCAT技术的ASIC芯片相连。
4.根据权利要求2或3所述的基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括BECKHOFFET1100芯片，所述CPU分别与I/O接口及BECKHOFF ET1100芯片相连，所述BECKHOFF ET1100芯片与多个总线接口相连。
5.根据权利要求2或3所述的基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括BECKHOFFET1200芯片，所述CPU分别与I/O接口及BECKHOFF ET1200芯片相连，所述BECKHOFF ET1200芯片与多个总线接口相连。
6.根据权利要求2或3所述的基于EtherCAT技术的输入输出模块，其特征在于，所述基于EtherCAT技术的ASIC芯片包括FPGA/Bibary芯片，I/O接口及多个总线接口分别通过总线与FPGA/Bibary芯片连接，所述CPU分别与I/O接口及FPGA/Bibary芯片相连，所述FPGA/Bibary芯片与多个总线接口相连。
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