CN205247143U - 一种基于EtherCAT技术的耦合通信板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于EtherCAT技术的耦合通信板，包括：控制器和与控制器通过SPI总线连接的微处理器；与控制器电连接的至少一个外部通信接口；与控制器通信连接的总线连接器；与总线连接器、控制器和微处理器电连接的电源转换芯片；依次连接在控制器和外部通信接口之间的PHY芯片和变压器；用于对控制器、所述芯片进行时间同步的晶振。该耦合通信板采用模块化的物理结构，实现EtherCAT主站与从站之间的通信管理功能和电源管理功能；输入输出模块不用直接与主站CPU模块连接，各个模块电路进行了很大的简化；通过电源转换电路，将外部电源取电24V转为5V电路、5V转3.3V电路及3.3V转1.8V电路。

Description

一种基于EtherCAT技术的耦合通信板

技术领域

本实用新型涉及电器元件设计技术领域。更具体地，涉及一种基于EtherCAT技术的耦合通信板。

背景技术

EtherCAT最初是由德国的倍福公司基于以太网技术提出的，它是一种具有灵活网络拓扑结构的技术。它的特点是在协议中封装了IP/UDP，所以不需要IP协议就能实现通信。EtherCAT技术具有以下优点：速度快、同步传输；系统的价格比现场总线低；在实时通讯时硬件中就能实现；支持多种拓扑结构；支持主站和从站组成的多种机制间的通讯；采用标准的以太网帧；全面开放的技术；带宽利用率高，一网到底等。EtherCAT系统是一个主站/从站系统，设计中使用单主站多从站的结构。在整个主从结构中，上位机通过以太网协议实现上位机与主站的通信。而主站对于从站具有总线控制权，主站读取从站I/O采集数据并给从站发送信息是周期进行的。在通信时，EtherCAT协议无需像TCP/IP协议那样接收以太网的数据包并将其解码后再将数据传送到各个设备中。EtherCAT从站在报文经过其节点时可以直接读取带有相应寻址信息的数据。同样地，输入的数据也是报文在经过节点时直接插入的。

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。利用EtherCAT技术设计主站和从站时，多采用模块化的物理设计，但是一般的设计人员，总是将主站与从站输入输出(I/O)模块间之间通过以太网直接连接，使每个从站模块的设计都比较复杂。而且现有的EtherCAT从站输入输出模块，每个都需要外部电源供电，给工控现场带来了很多的不方便，增加了工程的复杂性。

EtherCAT技术主站、从站之间通过EtherCAT通信，一般有两种方式，以太网百兆传输和采用低压差分信号传输。两种EtherCAT通信各有优缺点,以太网百兆传输中需要物理层转换芯片，距离远，但是传输速率比较低；而低压差分信号传输速率高，本地高速响应，但是只适用于本地模块的PCB板级传输。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种基于EtherCAT技术的耦合通信板，该耦合通信板采用模块化的物理结构，实现EtherCAT主站与从站之间的通信管理功能和电源管理功能。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种基于EtherCAT技术的耦合通信板，所述耦合通信板包括：控制器和与所述控制器通过SPI总线连接的微处理器；与所述控制器电连接的至少一个外部通信接口；与所述控制器通信连接的总线连接器；与所述总线连接器、所述控制器和所述微处理器电连接的电源转换芯片；依次连接在所述控制器和所述外部通信接口之间的PHY芯片和变压器；用于对所述控制器、所述芯片进行时间同步的晶振。

上述耦合通信板中，所述PHY芯片包括第一PHY芯片和第二PHY芯片；所述变压器包括第一变压器和第二变压器。

上述耦合通信板中，所述微处理器包括GPIO口。

上述耦合通信板中，所述GPIO口连接有拨码开关。

上述耦合通信板中，所述GPIO口为12路，所述拨码开关为3个16位开关。

上述耦合通信板中，所述微处理器电连接静态随机存取存储器和闪存只读存储器。

上述耦合通信板中，所述微处理器采用SPARCV8架构的BM3105芯片，所述控制器采用ET1100芯片。

本实用新型的有益效果如下：

1.实现了EtherCAT主站与从站输入输出模块之间的通信管理功能，输入输出模块不用直接与主站CPU模块连接，各个模块电路进行了很大的简化。

2.耦合通信板中有本地微处理器，实现了耦合通信板的本地高速控制功能，当后级输入输出模块变化，有快速的上电重新自启功能。拨码开关定位耦合通信板ID站点，能够将改组设备置于EtherCAT网络中的任何位置。

3.耦合通信板实现EtherCAT从站电源管理功能，从外部电源取电24V，供给总线连接器，后级各输入输出模块直接从总线连接器取电不用单独从外部取电，结构简单。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为耦合通信板总体框图；

图2是耦合通信板总体结构图；

图3是EtherCAT从站网络构成框图；

图4是从站控制器与EEPROM,之间通过I2C总线连接示意图；

图5是从站控制器与两个PHY芯片之间通过MII口连接示意图；

图6是PHY芯片、变压器、网口之间连接关系示意图；

图7是晶振电路与时钟缓冲器、从站控制器和两个PHY芯片的关系示意图；

图8是微处理器通过GPIO口与16位拨码开关连接及通过16位地址数据总线外扩SRAM与FLASH示意图；

图9是从站控制器与微处理器通过SPI总线连接示意图；

图10是外部电源输入的24V电压转换为5V电压示意图；

图11是耦合通信板自用电压转换示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

一种基于EtherCAT技术的耦合通信板包括：控制器和与所述控制器通过SPI总线连接的微处理器；与所述控制器电连接的至少一个外部通信接口；与所述控制器通信连接的总线连接器；与所述总线连接器、所述控制器和所述微处理器电连接的电源转换芯片；依次连接在所述控制器和所述外部通信接口之间的PHY芯片和变压器；用于对所述控制器、所述芯片进行时间同步的晶振。

所述耦合通信板中，PHY芯片包括第一PHY芯片和第二PHY芯片；变压器包括第一变压器和第二变压器；微处理器包括GPIO口；GPIO口连接有拨码开关；GPIO口为12路，拨码开关为3个16位开关。

所述耦合通信板中，微处理器电连接静态随机存取存储器和闪存只读存储器；微处理器采用SPARCV8架构的BM3105芯片，控制器采用ET1100芯片。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种基于国产微处理器的EtherCAT耦合通信板，包括通信部分和电源部分，具体的包括：微处理器，从站控制器，EEPROM，PHY电路，总线连接器，24V转5V、5V转3.3V及3.3V转1.8V的电源转换电路和以太网网口。

EtherCAT主站的CPU模块和从站之间的通信是通过EtherCAT通信的，采用以太网百兆传输，使用100Base-TX(五类双绞线)远传输介质；从站的各个模块之间，采用EtherCAT总线通信，使用EtherCATLVDS信号传输；设计中的现场总线采用EtherCAT总线，且利用其一网到底特性。

本实施例中，从站包括耦合通信板、后级输入输出I/O栈；后级输入输出I/O栈包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等从站模块，耦合通信板与后级输入输出模块之间通过总线连接器连接，采用EtherCAT总线通信，使用EtherCATLVDS信号传输；总线连接器将EBUS信号传输给后级输入输出模块；同时通过总线连接器给后级输入输出模块供电。本实施例中，总线连接器采用32针欧式板卡。

从站控制器实现EtherCAT从站物理层及数据链路层协议。从站控制器采用倍福公司芯片ET1100，工作模式为01模式，即提供3个通信接口：port0、port1和port2；port0、port2的物理层采用MII口模式，用于以太网传输，用于主站与从站之间EtherCAT通信，port0和port1通信接口分别对应耦合通信板上与外部设备连接的第一以太网口和第二以太网口；port1设置为EBUS形式，用于耦合通信板与从站后级输入输出模块的通信。主站给从站的数据流从第一以太网口(与port0对应的接口)输入，通过从站控制器的信号转换功能，变为LVDS信号，通过总线连接器上的EBUS口(与port1对应的接口)传输给后级各输入输出模块，循环后，再传输到同一从站控制器，转换为以太网百兆传输信号，通过第一以太网口(与port0对应的接口)传回主站。第二以太网口(与port2对应的接口)用于扩展从站拓扑结构。为提高EBUS通信抗共、差模电磁干扰的能力，在EBUS低压差分传输线对上分别增加共模、差模电感。

如图4所示，本实施例中，EEPROM选用AT24C64B，容量64K，通过IIC总线与从站控制器ET1100相连，用于存储从站控制器的配置数据。

如图5和图6所示，从站控制器ET1100通过MII口(port0)与第一PHY芯片的一端连接，通过MII口(port2)与第二PHY芯片的一端连接，根据ET1100配置信息，两个PHY芯片的地址与使用的port口相对应，分别为000，010；两个PHY芯片采用KSZ8051型；第一PHY芯片的另一端与第一变压器一端连接，第二PHY芯片的另一端与第二变压器一端连接；第一变压器和第二变压器采用HX1188型；第一变压器的另一端与第一以太网口连接，第二变压器的另一端与第二以太网口连接第一以太网口和第二以太网口为RJ45接口。

如图7所示，从站控制器ET1100与第一PHY芯片和第二PHY芯片共用一个晶振，采用四通道的时钟缓冲器CDCV304PW，晶振同时给3个芯片提供时钟，时钟缓冲器的输入端与晶振连接，时钟缓冲器的输出端分别与从站控制器ET1100，第一PHY芯片和第二PHY芯片连接。

如图8所示，EtherCAT网络含有若干耦合通信板，用ID站点区分不同的耦合通信板，通过与微处理器BM3105上的12路GPIO口连接的3个16位的拨码开关实现对ID站点的分配(每4路GPIO口控制一个拨码开关)，已被分配ID站点的耦合通信板可置于EtherCAT网络中的任何位置；微控制器通过16位数据地址总线外扩静态随机存取存储器SRAM和闪存只读存储器FLASH。

如图9所示，本实施例的微处理器采用国产SPARCV8型32位CPU芯片BM3105，实现所述EtherCAT从站应用层协议，通过SPI总线与ET1100通信，不需要通过主站CPU，实现本地高速控制功能；当从站后级输入输出模块变化时，上电后整个系统快速重新自启；当从站控制器输出中断请求信号至微处理器时，微处理器通过此中断信号响应EtherCAT通信的各种协议应用层事件中断及时钟同步中断；从站控制器输出两个信号至微处理器，用于判断现场数据输出是否有效；微处理器BM3105与ET1100之间除SPI通信接口外，还包括SPI_IRQ中断信号，该信号由ET1100产生给微处理器BM3105的IRQ1中断，是ET1100应用层事件中断及时钟同步中断信号，BM3105通过此中断信号响应EtherCAT通信的各种应用层事件中断及时钟同步中断。

本实施例中，电源管理功能如下：

如图2、3、10和11所示，外部24V电源输入后，增加防护电路(防静电、防共模、防差模、防过压、限流电路)处理；处理后的24V电压通过降压电压调节器LM2677转换为5V电压，一部分供给耦合通信板，一部分通过总线连接器输出给后级输入输出模块；另一方面，传输给耦合通信板的5V电压经过同步降压稳压器芯片LM2853MH-3.3转换为3.3V电压，3.3V电压经过电压调节器芯片LP3878MR转换为1.8V，3.3V和1.8V的电压供耦合通信板自身使用。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于EtherCAT技术的耦合通信板，其特征在于，所述耦合通信板包括：控制器和与所述控制器通过SPI总线连接的微处理器；与所述控制器电连接的至少一个外部通信接口；与所述控制器通信连接的总线连接器；与所述总线连接器、所述控制器和所述微处理器电连接的电源转换芯片；依次连接在所述控制器和所述外部通信接口之间的PHY芯片和变压器；用于对所述控制器、所述芯片进行时间同步的晶振。

2.根据权利要求1所述的耦合通信板，其特征在于：所述PHY芯片包括第一PHY芯片和第二PHY芯片；所述变压器包括第一变压器和第二变压器。

3.根据权利要求1所述的耦合通信板，其特征在于：所述微处理器包括GPIO口。

4.根据权利要求3所述的耦合通信板，其特征在于：所述GPIO口连接有拨码开关。

5.根据权利要求4所述的耦合通信板，其特征在于：所述GPIO口为12路，所述拨码开关为3个16位开关。

6.根据权利要求1或3所述的耦合通信板，其特征在于：所述微处理器电连接静态随机存取存储器和闪存只读存储器。

7.根据权利要求1所述的耦合通信板，其特征在于：所述微处理器采用SPARCV8架构的BM3105芯片，所述控制器采用ET1100芯片。