CN211063627U - 一种基于实时工业以太网的脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，涉及互联网电力控制技术领域，包含现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统，本实用新型针对传统的单机脉冲发生器或基于总线的脉冲发生器不能满足工业互联网的高速通信和快速响应需求，本实用新型提供了一种基于高速实时工业以太网的脉冲信号发生器，采用EtherCAT实现设备与外部控制系统的通信，从而实现高速数据交换和稳定的控制。

Description

一种基于实时工业以太网的脉冲发生器

技术领域

本实用新型涉及互联网电力控制技术领域，尤其涉及一种基于实时工业以太网的脉冲发生器。

背景技术

脉冲发生器是电力电子、工业控制、机器人等领域广泛应用的一种仪器设备。脉冲发生器通常采用模拟电路、微处理器等进行设计，基于运放、三极管等分立模拟器件设计了一种 PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源，提出了基于HCS12单片机增强型定时器复用I/O输出频率和占空比可控PWM信号的开发方案，解决了由于硬件限制导致PWM输出通道不足的问题。基于嵌入式SoC设计了一种通用死区可配置的PWM信号发生器，实现了灵活的控制策略配置。采用分立模拟器件搭建的电路产生PWM信号，元器件较多，电路较为复杂，调试困难。微处理器或SoC等产生PWM信号，当信号通道较少时微处理器能满足要求，当PWM信号多于4路时，由于处理器指令顺序执行，会产生较大延迟，从而使PWM信号波形不稳。因此，可采用FPGA进行PWM 信号发生器的设计，FPGA指令是并行执行，信号通道的增多不会影响脉冲信号的速度和稳定性，从而实现高精度的控制，利用FPGA设计了能同时输出多路PWM信号的设备，分别应用在不同的场合。上述脉冲信号发生器均只能独立单机运行，不能通过总线网络连接到现场控制系统实现灵活快速的配置，因此文献设计了一种基于CAN的脉冲信号输出方法及装置，通过CAN 报文更新PWM输出频率和占空比，但是CAN总线通信速率通信较慢，难以应用在高速控制需求的场合。

随着工业4.0和智能制造的推进和开展，网络化、智能化、数字化的工业互联网系统逐渐广泛应用，对基础控制设备提出了新的应用要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对传统的单机脉冲发生器或基于总线的脉冲发生器不能满足工业互联网的高速通信和快速响应需求，本实用新型提供了一种基于高速实时工业以太网的脉冲信号发生器，采用EtherCAT实现设备与外部控制系统的通信，从而实现高速数据交换和稳定的控制。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

1、一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，包含现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统和电源模块，所述现场信号接口通过输入防护电路连接光耦合器，所述现场信号接口依次经过输出防护电路、固态功率继电器连接光耦合器，所述光耦合器与微处理器系统连接，所述EtherCAT通信控制器分别与第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口连接，所述EtherCAT通信控制器与微处理器系统连接；

所述电源模块包含电源接口和供电转换电路，所述电源接口供通过电转换电路分别与分别与现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT 通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统连接，用于提供所需电能；

所述供电转换电路包含DC12V电压输入端、第一二极管、第一电容、第二电容、LM2576S-5.0电源芯片、第二二极管、第一电感、第三电容、5V电压输出端、5V电压输入端、第四电容、TPS7A7001电源芯片、第一电阻、第二电阻、第五电容和3.3V电压输出端；

所述DC12V电压输入端分别连接第一二极管的负极、第一电容的一端、第二电容的一端和LM2576S-5.0电源芯片的VIN端，第一二极管的另一端分别与第一电容的另一端、第二电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的EN#端、LM2576S-5.0电源芯片的GND端、第二二极管的正极、第三电容的一端连接并接地；所述第二二极管的负极分别连接LM2576S-5.0 电源芯片的VOUT端和第一电感的一端，第一电感的另一端分别与第三电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的FB端、5V输出端连接；

所述5V输入端分别与第四电容的一端、TPS7A7001电源芯片的EN端和TPS7A7001电源芯片的IN端，第四电容的另一端接地，TPS7A7001电源芯片的GND端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和TPS7A7001电源芯片的FB端，第二电阻的另一端分别与第五电容的一端、TPS7A7001电源芯片的OUT端、3.3V输出端，所述第五电容的另一端接地。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述微处理器系统包含LS1C处理器以及分别与其连接的电源、调试口JTAG、串口UART、存储器SDRAM、 Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、复位电路以及通用的GPIO接口。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述固态功率继电器包含过热保护电路和短路保护电路。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述EtherCAT通信控制器包含ET1100模块、EEPROM模块、PHY芯片、时钟模块、网络变压器、 RJ45接口；所述ET1100模块依次经过PHY芯片、网络变压器连接RJ45接口，所述EEPROM 模块和时钟模块分别与ET1100模块连接。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述第一 EtherCAT通信接口采用MII接口，所述EtherCAT通信控制器通过MII接口连接PHY芯片。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述第二 EtherCAT通信接口采用EBUS接口。

作为本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器的进一步优选方案，所述LS1C处理器采用龙芯处理器LS1C0300A。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，包括微处理器最小系统、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口、光耦合器、固态功率继电器以及现场信号接口，其选用实时以太网EtherCAT进行通信，EtherCAT是以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，具有实时性强、拓扑灵活、同步精度高、线缆冗余、具备功能安全协议功能等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型脉冲发生器的整体结构原理图；

图2是本实用新型供电转换电路的电路图；

图3是本实用新型微控制器模块的结构原理图；

图4是本实用新型EtherCAT通信控制器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，如图1所示，包含现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统和电源模块，所述现场信号接口通过输入防护电路连接光耦合器，所述现场信号接口依次经过输出防护电路、固态功率继电器连接光耦合器，所述光耦合器与微处理器系统连接，所述EtherCAT通信控制器分别与第一EtherCAT 通信接口、第二EtherCAT通信接口连接，所述EtherCAT通信控制器与微处理器系统连接；

所述电源模块包含电源接口和供电转换电路，所述电源接口供通过电转换电路分别与分别与现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT 通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统连接，用于提供所需电能；

如图2所示，所述供电转换电路包含DC12V电压输入端、第一二极管、第一电容、第二电容、LM2576S-5.0电源芯片、第二二极管、第一电感、第三电容、5V电压输出端、5V 电压输入端、第四电容、TPS7A7001电源芯片、第一电阻、第二电阻、第五电容和3.3V电压输出端；

所述DC12V电压输入端分别连接第一二极管的负极、第一电容的一端、第二电容的一端和LM2576S-5.0电源芯片的VIN端，第一二极管的另一端分别与第一电容的另一端、第二电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的EN#端、LM2576S-5.0电源芯片的GND端、第二二极管的正极、第三电容的一端连接并接地；所述第二二极管的负极分别连接LM2576S-5.0 电源芯片的VOUT端和第一电感的一端，第一电感的另一端分别与第三电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的FB端、5V输出端连接；

所述5V输入端分别与第四电容的一端、TPS7A7001电源芯片的EN端和TPS7A7001电源芯片的IN端，第四电容的另一端接地，TPS7A7001电源芯片的GND端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和TPS7A7001电源芯片的FB端，第二电阻的另一端分别与第五电容的一端、TPS7A7001电源芯片的OUT端、3.3V输出端，所述第五电容的另一端接地。

脉冲发生器用于为工控现场侧设备提供脉冲控制信号。由于工控设备对实时性要求较高，本实用新型选用实时以太网EtherCAT进行通信，EtherCAT是以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，具有实时性强、拓扑灵活、同步精度高、线缆冗余、具备功能安全协议功能等特点。脉冲发生器包括微处理器模块、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口、光耦合器(以下简称光耦)、固态功率继电器以及现场信号接口。其中，EtherCAT通信控制器通过 EtherCAT通信接口接收指令信号，并对指令信号进行解析，生成解析信号；微处理器根据解析信号配置脉冲信号的输出模式并输出对应模式下的脉冲信号，脉冲信号经光耦进行电气隔离后输出到固态功率继电器；固态功率继电器用于提高脉冲信号的带负载能力，输出的脉冲信号经现场信号接口输出到现场侧设备。

脉冲发生器采用EtherCAT总线通过EtherCAT通信控制器与主机通信，EtherCAT通信控制器用于实现EtherCAT通信的介质访问控制功能，负责处理EtherCAT数据帧，实现EtherCAT 主站与从站应用的数据交换。微处理器用于实现脉冲输出卡的逻辑计算、协调控制等功能。

脉冲发生器的EtherCAT通信控制器与通信接口包括两种方式：MII接口和EBUS接口。当采用MII接口时，EtherCAT通信控制器通过MII接口连接PHY芯片，并通过RJ45接口与外部进行通信。当采用EBUS接口时，EtherCAT通信控制器直接采用EBUS总线与外部通信。

固态功率继电器可实现输出电路的保护功能，包括过热保护、短路保护等，并输出诊断信号给微处理器，诊断信号经光耦进行电气隔离后输入微处理器，从而实现输出电路的诊断功能，提高脉冲发生器的工作可靠性。固态功率继电器输出的脉冲信号经过输出防护电路后通过现场信号接口发送至现场侧设备。

优选的，如图3所示，所述微处理器系统包含LS1C处理器以及分别与其连接的电源、调试口JTAG、串口UART、存储器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、复位电路以及通用的GPIO接口。基于设备自主可控的因素，脉冲信号发生器选用龙芯处理器LS1C0300A，LS1C是基于GS232处理器核，提供丰富的外设接口。采用LS1C的最小系统电路框图如图2所示，包括电源、调试口JTAG、串口UART、存储器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、复位电路以及通用的GPIO接口等部分。其中SPI接口连接至EtherCAT 从站控制器ET1100；GPIO连接至脉冲输出电路和诊断电路，并控制报警电路，当出现故障时，实现报警功能。LS1C内部集成RTC功能，因此在RTC_Clk管脚连接外部时钟源32.768kHz 晶振，并提供RTC电池，保持掉电状况下的精确计时。SDRAM通过并行总线连接至LS1C，用于存储处理器运行过程中的数据和加载的程序等。LS1C具备多种启动方式，配置对应管脚选择启动方式，本设计中Nand_D4与Nand_D5引脚分别连接至高电平和低电平，设置LS1C从 SPIFlash启动，加载PMON引导系统。

优选的，所述固态功率继电器包含过热保护电路和短路保护电路。光耦实现现场侧设备与内部电路的电气隔离。

EtherCAT通信电路实现EtherCAT信号的收发功能，如图4所示，所述EtherCAT通信控制器包含ET1100模块、EEPROM模块、PHY芯片、时钟模块、网络变压器、RJ45接口；所述ET1100模块依次经过PHY芯片、网络变压器连接RJ45接口，所述EEPROM模块和时钟模块分别与ET1100模块连接。ET1100是实现EtherCAT数据链路层协议的专用芯片，处理EtherCAT 数据帧，并为从站控制装置提供数据接口。ET1100通过PHY_0接收EtherCAT报文，从报文中提取发送给自己的命令数据并将其存储在内部存储区，并将本地数据从内部存储区写到相应的子报文中，实现外部命令与从站本地数据的数据交换，然后ET1100通过PHY_1将EtherCAT报文发送给下一设备。EEPROM存储器与EtherCAT通信控制器通过IIC总线连接。ET1100通过IIC接口与EEPROM连接通信，EEPROM存储ET1100的设备配置信息。

优选的，所述第一EtherCAT通信接口采用MII接口，所述EtherCAT通信控制器通过MII 接口连接PHY芯片。

优选的，所述第二EtherCAT通信接口采用EBUS接口。

优选的，所述LS1C处理器采用龙芯处理器LS1C0300A。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。上面对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：包含现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统和电源模块，所述现场信号接口通过输入防护电路连接光耦合器，所述现场信号接口依次经过输出防护电路、固态功率继电器连接光耦合器，所述光耦合器与微处理器系统连接，所述EtherCAT通信控制器分别与第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口连接，所述EtherCAT通信控制器与微处理器系统连接；

所述电源模块包含电源接口和供电转换电路，所述电源接口供通过电转换电路分别与分

别与现场信号接口、输入防护电路、输出防护电路、固态功率继电器、光耦合器、EtherCAT通信控制器、第一EtherCAT通信接口、第二EtherCAT通信接口、微处理器系统连接，用于提供所需电能；

所述供电转换电路包含DC12V电压输入端、第一二极管、第一电容、第二电容、LM2576S-5.0电源芯片、第二二极管、第一电感、第三电容、5V电压输出端、5V电压输入端、第四电容、TPS7A7001电源芯片、第一电阻、第二电阻、第五电容和3.3V电压输出端；

所述DC12V电压输入端分别连接第一二极管的负极、第一电容的一端、第二电容的一端和LM2576S-5.0电源芯片的VIN端，第一二极管的另一端分别与第一电容的另一端、第二电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的EN#端、LM2576S-5.0电源芯片的GND端、第二二极管的正极、第三电容的一端连接并接地；所述第二二极管的负极分别连接LM2576S-5.0电源芯片的VOUT端和第一电感的一端，第一电感的另一端分别与第三电容的另一端、LM2576S-5.0电源芯片的FB端、5V输出端连接；

所述5V输入端分别与第四电容的一端、TPS7A7001电源芯片的EN端和TPS7A7001电源芯片的IN端，第四电容的另一端接地，TPS7A7001电源芯片的GND端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和TPS7A7001电源芯片的FB端，第二电阻的另一端分别与第五电容的一端、TPS7A7001电源芯片的OUT端、3.3V输出端，所述第五电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述微处理器系统包含LS1C处理器以及分别与其连接的电源、调试口JTAG、串口UART、存储器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、复位电路以及通用的GPIO接口。

3.根据权利要求2所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述固态功率继电器包含过热保护电路和短路保护电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述EtherCAT通信控制器包含ET1100模块、EEPROM模块、PHY芯片、时钟模块、网络变压器、RJ45接口；所述ET1100模块依次经过PHY芯片、网络变压器连接RJ45接口，所述EEPROM模块和时钟模块分别与ET1100模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述第一EtherCAT通信接口采用MII接口，所述EtherCAT通信控制器通过MII接口连接PHY芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述第二EtherCAT通信接口采用EBUS接口。

7.根据权利要求2所述的一种基于实时工业以太网的脉冲发生器，其特征在于：所述LS1C处理器采用龙芯处理器LS1C0300A。

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