专利名称：一种EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及KherCAT工业以太网总线技术与通用伺服脉冲量接口控制领域，尤其涉及到一种EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块。
背景技术：
工业以太网现场总线技术作为工业控制的集成组件已得到日益普及与推广，这使基于PC的控制系统得到更加广泛的应用。虽然控制器CPU特别是IPC (Industry PC)性能发展迅猛，但由于传统以太网现场总线技术所采用的介质访问方式——带有冲突检测的载波侦听多路访问机制CSMA/CD，是一种非确定性的介质访问控制方式，在间歇传输、突发性长报文以及在节点数少、负载轻的情况下，传输具有很好的效率，但在节点数增多、数据通信量增大、负载加重的情况下，其效率明显下降，这也成为制约控制系统性能发展的“瓶颈” 之一。针对此情况，国内外开发出多种新的工业以太网现场总线技术，其中较为成熟并得到广泛应用的有EtherCAT、SERC0SIII、P0WERLINK、Ethernet/IP、Modbus/TCP、PROFINET。 其中 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)主张〃以太网控制自动化技术"，由德国BECKH0FF自动化公司于2003年提出，并于2007年12月成为国际标准， 是IEC61158和IEC61784中定义的第十二种通信协议标准。它是开放的实时以太网络通讯协议，采用商用的标准网卡(NIC)或任何主板集成的以太网控制器用作硬件接口，为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，降低了现场总线的使用成本，有效数据率可达90%以上，传输速率2 X IOOMbaud,全双工特性完全得以应用，是直达1/0层的实时以太网，无须下挂子系统，所有设备共存于同一个总线上。EtherCAT介质访问(MAC)采用主从式模式，主站完全由软件实现通信功能，在数据链路层采用了实时调度的软件核，并提供了过程数据传输的独立通道，从站采用专用硬件芯片。EtherCAT作为工业自动化以太网解决方案，以其超高速、通用、开放、低成本实现获得了广大工控厂商的青睐，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，国内也有多家开始着力于该技术的产品开发，特别是从站的开发。伺服单元是工业控制中一种常用的控制器，广泛运用于数控机床等高精度设备中，可作为EtherCAT总线的从站。市场上现有支持EtherCAT的伺服单元主要源自国外厂家，伺服产品种类多，性能优越，但价格昂贵、交货期长，严重阻碍了中低端用户EtherCAT 解决方案的实施。此外，脉冲量控制是伺服单元的一种控制方式，用于位置控制模式，主要采用脉冲+方向、正转/反转或者A/B相三种脉冲发生方式，通过控制脉冲系列的频率、个数、占空比等信息来控制伺服单元或者步进电机单元，一般应用于定位装置，广泛被用户使用。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服上述缺陷，提供一种通用性强，实时性好，精度高， 价格低廉的EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块。[0005]本实用新型是通过如下方式实现的一种EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块，其特征在于包括架体2，在所述的架体2内部嵌有基于EtherCAT总线技术的通用伺服冲量接口的集成电路板1 ；所述的集成电路板1包括基于KherCAT技术的ESC芯片17、第一网络接口 11、第二网络接口 12、电路板电源18、外部电源输入口 15、第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125、MCU芯片120、MCU芯片调试接口 16、FPGA 芯片124、FPGA芯片调试接口 123 ；所述的第一网络接口 11通过第一网络接口控制芯片13与基于KherCAT技术的 ESC芯片17相连接，第二网络接口 12通过第二网络接口控制芯片14与基于EtherCAT技术的ESC芯片17相连接；所述的MCU芯片120与基于EtherCAT技术的ESC芯片17相连接； 所述的FPGA芯片124与MCU芯片120相连接；所述的MCU芯片调试接口 16与MCU芯片120 相连接；所述的FPGA芯片调试接口 123与FPGA芯片IM相连接；所述的第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125分别与FPGA芯片IM相连接；所述的电路板电源18、外部电源输入口 15分别设于集成电路板1上，外部电源输入口 15与电路板电源18相连接；电路板电源18与基于 EtherCAT技术的ESC芯片17、MCU芯片120、FPGA芯片1M相连接。所述的第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125各设有三十六个接点；接点与脉冲信号信息、伺服使能信号输出、伺服复位信号输出、伺服准备信号输入、伺服报警信号输入、正负极限信号输入和零点信号输入相连接。所述的MCU芯片120与MCU芯片调试接口 16相连，用于MCU单片机芯片120的数据读写与监测。所述的FPGA芯片124与FPGA芯片调试接口 123相连，用于FPGA芯片124的数据读写与监测。本实用新型通过使用FPGA芯片IM现场可编程门阵列技术保证四个通用伺服脉冲量接口控制的实时性与同步性，采用MCU芯片120技术完成与基于EtherCAT技术的ESC 芯片17之间所有伺服运动数据的传输及处理；并且四个通用伺服脉冲量接口信号的定义与现有的伺服单元信号相匹配，能与任意厂家的伺服单元或者步进电机单元相互兼容，达到控制的目的，具有很强的通用性。本实用新型优点为在于，很好的利用了 FPGA技术与MCU技术，将上位机的数字量运动控制数据转变为通用伺服能接收的脉冲量控制，为用户提供了一种通用性强，实时性好，精度高，价格低廉的EtherCAT伺服从站应用方案。
图1本实用新型结构示意图；图2本实用新型脉冲量接口模块管脚功能示意图；图3本实用新型实施例示意图。
具体实施方式
现结合附图详述本实用新型具体实施例[0019]如图1、图2所示，一种KherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块，其特征在于包括架体2，在所述的架体2内部嵌有基于EtherCAT总线技术的通用伺服冲量接口的集成电路板1 ；所述的集成电路板1包括基于KherCAT技术的ESC芯片17、第一网络接口 11、第二网络接口 12、电路板电源18、外部电源输入口 15、第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125、MCU芯片120、MCU芯片调试接口 16、FPGA 芯片124、FPGA芯片调试接口 123 ；所述的第一网络接口 11通过第一网络接口控制芯片13与基于KherCAT技术的 ESC芯片17相连接，第二网络接口 12通过第二网络接口控制芯片14与基于EtherCAT技术的ESC芯片17相连接；所述的MCU芯片120与基于EtherCAT技术的ESC芯片17相连接； 所述的FPGA芯片124与MCU芯片120相连接；所述的MCU芯片调试接口 16与MCU芯片120 相连接；所述的FPGA芯片调试接口 123与FPGA芯片IM相连接；所述的第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125分别与FPGA芯片IM相连接；所述的电路板电源18、外部电源输入口 15分别设于集成电路板1上，外部电源输入口 15与电路板电源18相连接；电路板电源18与与基于EtherCAT技术的ESC芯片17、MCU芯片120、FPGA芯片IM相连接。所述的第一脉冲量接口 19、第二脉冲量接口 122、第三脉冲量接口 121、第四脉冲量接口 125各设有三十六个接点；接点与脉冲信号信息、伺服使能信号输出、伺服复位信号输出、伺服准备信号输入、伺服报警信号输入、正负极限信号输入和零点信号输入相连接。所述的MCU芯片120与MCU芯片调试接口 16相连，用于MCU单片机芯片120的数据读写与监测。所述的FPGA芯片124与FPGA芯片调试接口 123相连，用于FPGA芯片124的数据读写与监测。本实用新型通过使用FPGA芯片IM现场可编程门阵列技术保证四个通用伺服脉冲量接口控制的实时性与同步性，采用MCU芯片120技术完成与基于EtherCAT技术的ESC 芯片17之间所有伺服运动数据的传输及处理；并且四个通用伺服脉冲量接口信号的定义与现有的伺服单元信号相匹配，能与任意厂家的伺服单元或者步进电机单元相互兼容，达到控制的目的，具有很强的通用性。
具体实施方式
如图3所示，本实施例包括架体2，在架体2内装有基于KherCAT总线技术通信功能且具有四个通用伺服脉冲量接口的集成电路板1，两者相互匹配。此外还有支持 EtherCAT的数控系统3、伺服驱动器或者步进伺服4、伺服电机或者步进电机5 ；其中，基于KherCAT总线技术通信功能且具有四个通用伺服脉冲量接口的集成电路板1上的第一网络接口 11与支持EtherCAT的数控系统3通过标准网线8相连；基于KherCAT总线技术通信功能且具有四个通用伺服脉冲量接口的集成电路板1上的第一脉冲量接口 19与伺服驱动器或者步进伺服4通过带有屏蔽的多芯信号线7相连，用于 EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块与伺服驱动器的信号传输；伺服驱动器或者步进伺服4通过标配的动力线或编码器线6与伺服电机或者步进电机5相连接。该实施例，很好的利用市场上现有的任意伺服驱动器或者步进伺服，为用户提供了一种通用性强，实时性好，精度高，价格低廉的EtherCAT通用脉冲量伺服从站，特别适用于支持EtherCAT的数控系统中。 工作方式如图3所示，外部电源输入口 15通电后，电路板电源16获得工作电压， 并为集成电路板上的各个芯片提供工作电压。数控系统3根据EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块的设备描述文件识别该模块并发送初始化数据帧建立网络通信连接，并保持实时地周期性数据传输与邮箱数据发送接收。对于伺服脉冲控制命令，数控系统3主站发送包含有控制命令信息的EtherCAT数据帧，当数据帧到达该模块时，该模块的ESC从站芯片17读取该模块相应的报文信息，并与MCU芯片120共同处理数据帧信息，MCU芯片120将获得的控制命令交由FPGA芯片IM处理并控制对应脉冲量接口执行相应的控制命令。对于伺服数据反馈，伺服电机或者步进电机上的编码器将电机的位置信息反馈至伺服驱动器或者步进伺服中，伺服驱动器或者步进伺服在内部电路中进行运算后传输至FPGA芯片IM 中，FPGA芯片IM将获得的反馈信息交付MCU芯片120管理并由MCU芯片120与ESC芯片 17实时地处理并插入EtherCAT数据帧对应该模块的报文中，最后传输给数控系统3主站。
权利要求1.一种KherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块，其特征在于包括架体O)，在所述的架体O)内部嵌有基于KherCAT总线技术的通用伺服冲量接口的集成电路板(1)；所述的集成电路板(1)包括基于KherCAT技术的ESC芯片(17)、第一网络接口(11)、 第二网络接口(12)、电路板电源(18)、外部电源输入口(15)、第一脉冲量接口(19)、第二脉冲量接口(122)、第三脉冲量接口(121)、第四脉冲量接口(125)、MCU芯片(120)、MCU芯片调试接口(16)、FPGA芯片(1 )、FPGA芯片调试接口(123)；所述的第一网络接口(11)通过第一网络接口控制芯片(13)与基于KherCAT技术的ESC芯片(17)相连接，第二网络接口(12)通过第二网络接口控制芯片(14)与基于 EtherCAT技术的ESC芯片(17)相连接；所述的MCU芯片(120)与基于KherCAT技术的ESC 芯片(17)相连接；所述的FPGA芯片(124)与MCU芯片(120)相连接；所述的MCU芯片调试接口(16)与MCU芯片(120)相连接；所述的FPGA芯片调试接口(123)与FPGA芯片(124) 相连接；所述的第一脉冲量接口(19)、第二脉冲量接口(122)、第三脉冲量接口(121)、第四脉冲量接口 (125)分别与FPGA芯片(124)相连接；所述的电路板电源(18)、外部电源输入口(15)分别设于集成电路板⑴上，外部电源输入口(15)与电路板电源(18)相连接；电路板电源(18)与基于KherCAT技术的ESC芯片(17)、MCU芯片(120)、FPGA芯片(124)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块，其特征在于 所述的第一脉冲量接口(19)、第二脉冲量接口(122)、第三脉冲量接口(121)、第四脉冲量接口(125)各设有三十六个接点；接点与脉冲信号信息、伺服使能信号输出、伺服复位信号输出、伺服准备信号输入、伺服报警信号输入、正负极限信号输入和零点信号输入相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种EtherCAT总线通用伺服脉冲量接口模块，包括架体，在所述的架体内部嵌有基于EtherCAT总线技术的通用伺服冲量接口的集成电路板；所述的集成电路板包括ESC芯片、网络接口、电路板电源、外部电源输入口、脉冲量接口、MCU芯片、MCU芯片调试接口、FPGA芯片、FPGA芯片调试接口；网络接口与基ESC芯片相连接；MCU芯片与ESC芯片相连接；FPGA芯片与MCU芯片相连接；MCU芯片调试接口与MCU芯片相连接；FPGA芯片调试接口与FPGA芯片相连接；脉冲量接口与FPGA芯片相连接；电路板电源、外部电源输入口分别设于集成电路板上，外部电源输入口与电路板电源相连接；电路板电源与ESC芯片、MCU芯片、FPGA芯片相连接。本实用新型具有通用性强，实时性好，精度高，价格低廉的特点。
文档编号H04L12/40GK202094918SQ20112018368
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者李寅, 章明众, 郑新武, 陈永明 申请人:爱迪纳控制技术(厦门)有限公司