CN220603881U - 基于TSN和EtherCAT通讯的控制器及其应用结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于TSN和EtherCAT通讯的控制器及其应用结构，该控制器设计为：TSN网卡、EtherCAT主站芯片均与控制器主板连接，控制器主板通过TSN网卡与用于支持TSN协议的设备通讯连接，控制器主板通过EtherCAT主站芯片与支持EtherCAT通信协议的从站通讯连接；所述控制器主板采用多核异构架构，配置有多核应用处理器、GPU、视频编解码器和NPU、CAN总线、串行通讯接口、GPIO、USB、HDMI、内存和板载存储。本实用新型采用TSN实现控制器和设备之间通讯连接的时间同步和带宽保障，同时采用EtherCAT实现控制器和设备的实时通信和同步。

Description

基于TSN和EtherCAT通讯的控制器及其应用结构

技术领域

本实用新型涉及工业自动化设备控制器的研发技术领域，尤其是一种基于TSN和EtherCAT通讯的控制器及其应用结构。

背景技术

对于工业自动化设备的控制研发，设计很多方面。对于通讯方面，有利用TSN（Time-Sensitive-Networking，时间敏感网络）进行通讯的。TSN可以提供确定性和可预测性的实时通信，并在不同网络之间提供无缝连接。它包括一组标准，用于实现以太网上的实时通信，并支持时间同步和流控制等功能。TSN技术常用于实现工业互联网和机器人控制等应用。在现有的TSN实现方案中，IEEE 802.1和IEEE 802.3委员会已经发布了一系列标准和规范，例如IEEE802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qcc等。

目前基于TSN开发的控制器，较多使用于专用TSN芯片进行控制的产品，且这类相关产品较少。针对这类产品的研发过程中，发现存在以下缺点：

1）由于TSN控制器需要实现多种协议和算法来确保网络中的数据流按时到达，所以会增加控制器的复杂性，还会增加相应更多的处理资源和更高的成本；

2）为了正确配置TSN网络，需要对网络拓扑、时间同步、带宽限制和流量调度等方面进行详细的配置，需要专业知识和经验，对于现场用户来说可能会很困难；

3）依赖性：TSN网络需要网络中所有设备的支持，包括网络交换机、网卡和控制器等；如果一个设备不支持TSN，那么整个网络的TSN功能将受到影响；

4）可扩展性：由于TSN网络需要精确的时间同步，因此对于大规模网络，同步问题可能会变得更加困难。这可能会限制TSN网络的可扩展性。

目前也有基于EtherCAT（Ethernet-Control-Automation-Technology以太网控制器区域网络）开发的控制器。EtherCAT可以实现高效的实时通信和分布式控制。它具有实时性高、带宽大、可扩展性强等优点，在现代工业自动化中广泛应用。EtherCAT的实现需要硬件支持，并且需要在网络拓扑中使用专用的EtherCAT从站设备。目前基于EtherCAT的工业自动化设备控制器的研发存在三个方向：

1）第一类以单片机为控制核心，利用单片机外设对实时性、精度要求不高的小型机床设备进行控制，采集被控设备的部分信息，粗放调节系统输出；

2）第二类以DSP与FPGA为控制核心，利用DSP的大规模集成性、精度高、稳定性好的特点，大大提高控制系统的并行处理，但是系统复杂性进一步提高；

3）第三类是以专用芯片（ASIC）为核心的运动控制，结构简单且调试方便，但不能进行连续插补，没有前馈功能，不适用于大量的短线连续运动控制场合。

综合看来，上述基于TSN或EtherCAT研发的用于工业自动化的控制器，均存在较多问题。并且目前还没有利用上述两种网络较为协同配合实现综合控制的控制器。

实用新型内容

本实用新型基于上述技术问题，提出了一种基于TSN和EtherCAT通讯的控制器及其应用结构，基于TSN和EtherCAT组合，形成基于TSN的上层实时通信网络和基于EtherCAT的下层实时控制网络，形成高效的实时控制的组合通信架构；基于这种架构，本实用新型可通过TSN网络提供高效的通信和流控制，同时保持网络的实时性和可预测性，可通过EtherCAT提供实时控制和数据采集，同时支持分布式控制和多种工业通信协议。

本实用新型实现的技术方案如下：

基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，包括控制器主板、TSN网卡、EtherCAT主站芯片，所述TSN网卡、EtherCAT主站芯片均与控制器主板连接；控制器主板通过TSN网卡与用于支持TSN协议的设备通讯连接，进行实时通信；控制器主板通过EtherCAT主站芯片与支持EtherCAT通信协议的从站通讯连接，进行实时通信；

所述控制器主板采用多核异构架构，专核专用，用于执行视频处理、AI推理、控制逻辑、管理通信和控制网络连接；所述控制器主板至少配置有多核应用处理器、GPU（图形处理器）、视频编解码器和NPU（嵌入式神经网络处理器）；

所述控制器主板配置有CAN总线、串行通讯接口、GPIO、USB、HDMI；

所述控制器主板配置有可扩展内存和板载存储器。所述可扩展内存最大支持32GB；所述板载存储器支持32GB。

进一步地，所述多核应用处理器可采用四核CORTEX-A76、四核CORTEX-A55，所述视频编解码器采用基于H264/H265的视频编解码器。

进一步地，所述NPU的算力达6 TOPS。其中，TOPS（TeraOperations Per Second），1TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次操作。

进一步地，所述控制器主板还配置有可选扩展模块，包括有5G模块、WiFi+蓝牙模块、实时处理器、固态硬盘、SD卡。

所述控制器实现的应用结构如下：两个控制器之间配置连接TSN交换机。其中：第一控制器通过对应配置的第一EtherCAT主站芯片连接第一EtherCAT从站，第二控制器通过对应配置的第二EtherCAT主站芯片连接第二EtherCAT从站，EtherCAT从站均通过I/O口连接至设备，可实现：

第一控制器的运行控制程序，控制第一EtherCAT从站多个I/O输出控制信号控制设备；

第二控制器运行采集程序，通过第二EtherCAT从站的多个I/O口采集设备的输出反馈信号；

第一控制器根据第二控制器传输的设备反馈信号调节其输出控制信号；

从而采用TSN实现控制器和控制器之间通讯连接的时间同步和带宽保障，同时采用EtherCAT实现控制器和设备之间的实时通信和同步。

本实用新型的有益效果如下：

1）本发明使用TSN技术可以实现更严格的实时性能，保证控制器的响应时间更短，具有更高的实时性能：

2）本发明使用TSN技术，可以提供更高的网络可靠性，减少数据丢失和网络故障的风险，具有更高的可靠性：

3）本发明集成EtherCAT和TSN，可以更方便地实现不同控制器和设备之间的数据通信和协作；

4）本发明集成EtherCAT和TSN形成的控制器，可以同时兼容使用EtherCAT和TSN协议的设备，提高了系统的兼容性和灵活性；

5）通过使用基于EtherCAT和TSN技术的控制器，可以更方便地扩展系统的功能和性能，满足不同应用场景的需求，具有更好的可扩展性。

附图说明

图1为本实用新型的系统架构示意图。

图2为本实用新型的应用结构示意图。

其中，附图标记为：1-控制器主板，2-多核应用处理器，3-GPU，4-视频编解码器，5-NPU，6-CAN总线，71-RS232接口，72- RS485接口，8-GPIO，9-USB，10-HDMI，11-千兆以太网，12-可扩展内存，13-板载存储器，14-5G模块，15-WiFi+蓝牙模块，16-TSN网卡，17-EtherCAT主站芯片，18-实时处理器，19-固态硬盘，20-SD卡，21-第一控制器，22-第二控制器，23-TSN交换机，24-第一EtherCAT从站，25-第二EtherCAT从站，26-用于支持TSN协议的设备。

具体实施方式

本实用新型基于TSN和EtherCAT技术提出了一种新型的工业控制系统，它具有高效、实时和可靠的特性，可以应用于工业自动化、智能制造等领域。

如图1所示，一种基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，包括：控制器主板1、TSN网卡16、EtherCAT主站芯片17。所述TSN网卡16、EtherCAT主站芯片17均与控制器主板1连接；控制器主板1通过TSN网卡16与用于支持TSN协议的设备26通讯连接，进行实时通信；控制器主板1通过EtherCAT主站芯片17与支持EtherCAT通信协议的从站通讯连接，进行实时通信。

所述控制器主板1采用多核异构架构，专核专用，用于执行视频处理、AI推理、控制逻辑、管理通信和控制网络连接。所述控制器主板1至少配置有多核应用处理器2、GPU（图形处理器）3、视频编解码器4和NPU（嵌入式神经网络处理器）5。其中：所述多核应用处理器2可采用四核CORTEX-A76、四核CORTEX-A55；所述视频编解码器4可采用基于H264/H265的视频编解码器；所述NPU5的算力达6 TOPS（TOPS：Tera Operations Per Second，1TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次操作）。

所述控制器主板1配置有CAN总线6、串行通讯接口、GPIO8、USB9、HDMI10。所述串行通讯接口可以采用RS232接口71、RS485接口72。

所述控制器主板1配置有可扩展内存12和板载存储器13。所述可扩展内存12，最大支持32GB；所述板载存储器13支持32GB。

进一步地，所述控制器主板1还配置有可选扩展模块，可选扩展模块包括有5G模块14、WiFi+蓝牙模块15、实时处理器18、固态硬盘19、SD卡20。

根据上述设计的控制器，还配置有相应的软件系统，具体：

1、实时操作系统：用于管理控制器的实时任务和处理实时数据；

2、控制器应用程序：实现控制逻辑和管理通信和控制网络连接；

3、TSN协议栈：实现TSN协议，支持实时通信；

4、EtherCAT协议栈：实现EtherCAT协议，支持实时通信。

根据上述设计的控制器，能实现的相应功能具体为：

1、支持实时通信：通过TSN和EtherCAT协议，支持实时通信，并保证实时性和可靠性；

2、支持多种传感器和执行器：通过输入/输出模块，支持多种传感器和执行器，可以适应不同的控制任务；

3、灵活的控制逻辑：通过控制器应用程序，实现灵活的控制逻辑，可以适应不同的控制任务；

4、网络管理和诊断：通过控制器应用程序，管理网络连接和进行网络诊断，保证网络稳定性和可靠性。

对应上述配置的控制器，可实现的应用结构如图2所示，具体如下：两个控制器之间配置连接TSN交换机23，其中：第一控制器21通过对应配置的第一EtherCAT主站芯片连接第一EtherCAT从站24，第二控制器22通过对应配置的第二EtherCAT主站芯片连接第二EtherCAT从站25，第一EtherCAT从站24、第二EtherCAT从站25通过I/O口连接至用于支持TSN协议的设备26。

其中，TSN需要进行配置，以满足实时性和可靠性的要求。具体配置如下：

（1）时钟同步：所有网络节点都需要进行时钟同步，以保证同步精度；

（2）带宽保障：使用TSN流控制机制，对每个TSN流进行带宽保障，保证每个TSN流在网络中获得足够的带宽；

（3）优先级控制：使用TSN优先级机制，对不同类型的数据进行优先级控制，保证高优先级的数据能够及时传输；

（4）冗余路径：使用多个路径进行数据传输，保证网络的可靠性和冗余性。

通过对控制器端的EtherCAT主站和EtherCAT从站进行相应的配置，设置EtherCAT总线的参数（例如，可以设置总线周期、总线时钟、从设备数量等），定义从站的数据、状态，从站的数据可以是输入或输出类型，例如可以定义从设备的位置、速度、加速度等。每个EtherCAT从站都有一个唯一的地址，必须与EtherCAT主站的地址相匹配，以便能够正确通信。

配置EtherCAT从站的工作方式：EtherCAT从站的工作方式决定了其如何响应来自EtherCAT主站的命令。EtherCAT从站可以以不同的方式进行配置，例如，以Cyclic方式运行，以便定期发送和接收数据；或者以Mailbox方式运行，以便能够处理复杂的命令和响应。

测试EtherCAT从站：在完成两个EtherCAT从站的配置后，应该对其进行测试，以确保其能够正确地与主设备通信，并在运行时达到所需的性能。

通过上述配置后，对应的应用结构可实现的控制过程为：

第一控制器21的运行控制程序，控制第一EtherCAT从站24的多个I/O输出控制信号控制设备；

第二控制器22运行采集程序，通过第二EtherCAT从站25的多个I/O口采集设备的输出反馈信号；

第一控制器21根据第二控制器22传输的设备反馈信号调节其输出控制信号。

可见，本实用新型采用TSN协议实现对网络通信的时间同步和带宽保障，同时采用EtherCAT协议实现控制器和设备的实时通信和同步；通过优化控制器的通信和同步机制，实现了高效的实时控制，可以满足工业自动化和智能制造领域对于控制精度和响应速度的需求；对系统的可靠性和容错性进行了优化设计，通过多节点备份、数据冗余、故障检测和容错机制等技术，提高了系统的稳定性和可靠性。同时，本实用新型还可根据现场使用实际需要进行外设设配。

Claims (8)

1.基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，其特征在于：包括控制器主板（1）、TSN网卡（16）、EtherCAT主站芯片（17），所述TSN网卡（16）、EtherCAT主站芯片（17）均与控制器主板（1）连接；控制器主板（1）通过TSN网卡（16）与用于支持TSN协议的设备（26）通讯连接；控制器主板（1）通过EtherCAT主站芯片（17）与支持EtherCAT通信协议的从站通讯连接；

所述控制器主板（1）采用多核异构架构，至少配置有多核应用处理器（2）、GPU（3）、视频编解码器（4）和NPU（5）；

所述控制器主板（1）配置有CAN总线（6）、串行通讯接口、GPIO（8）、USB（9）、HDMI（10）；

所述控制器主板（1）配置有可扩展内存（12）和板载存储器（13）。

2.根据权利要求1所述的基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，其特征在于：所述多核应用处理器（2）采用四核CORTEX-A76、四核CORTEX-A55。

3.根据权利要求1所述的基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，其特征在于：所述视频编解码器（4）采用基于H264/H265的视频编解码器。

4.根据权利要求1所述的基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，其特征在于：所述NPU（2）的算力≤6 TOPS。

5.根据权利要求1所述的基于TSN和EtherCAT通讯的控制器，其特征在于：所述控制器主板（1）还配置有可选扩展模块，可选扩展模块包括有5G模块（14）、WiFi+蓝牙模块（15）、实时处理器（18）、固态硬盘（19）、SD卡（20）。

6.根据权利要求1-5任意一项所述基于TSN和EtherCAT通讯的控制器实现的应用结构，其特征在于：两个控制器之间配置连接TSN交换机（23），其中，第一控制器通过对应配置的第一EtherCAT主站芯片连接第一EtherCAT从站，第二控制器通过对应配置的第二EtherCAT主站芯片连接二EtherCAT从站，EtherCAT从站与用于支持TSN协议的设备（26）通过I/O口连接。

7.根据权利要求6所述的应用结构，其特征在于，通讯方式为：第一控制器（21）通过第一EtherCAT主站芯片连接第一EtherCAT从站（24），第二控制器（22）通过第二EtherCAT主站芯片连接第二EtherCAT从站（25），第一EtherCAT从站（24）、第二EtherCAT从站（25）通过I/O口连接至用于支持TSN协议的设备（26）。

8.根据权利要求7所述的应用结构，其特征在于：第一控制器（21）、第二控制器（22）和设备（26）之间是时间同步的通讯连接。