（通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）基于ethercat的從站微處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 摘要 工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，與使用傳 統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線具有傳輸速度快，數(shù)據(jù)包容量大，傳 輸距離長(zhǎng)，性能較好的優(yōu)點(diǎn)。e t h e r c a t 作為實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中的一種典型 技術(shù)，2 0 0 3 年由德國(guó)b e c k h o f f 自動(dòng)化公司提出的。它充分利用了以太網(wǎng)的全 雙工特性，使用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從 數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀。其從站節(jié)點(diǎn)使用專(zhuān)用的控制芯片， 主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。e t h e r c a t 具有適用廣泛，無(wú)需從屬子網(wǎng)，支持 多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高效率，刷新周期短，同步性能好等特點(diǎn)，并且完全 符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有相當(dāng)?shù)?通用性，只是針對(duì)不同的應(yīng)用層設(shè)備而存在不同。e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在 很大程度上提高了現(xiàn)場(chǎng)總線的性能。 本文主要研究e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中e t h e r c a t 從站微處理器對(duì)主戰(zhàn) 與從站數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。而系統(tǒng)中所用到的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為c a n o p e n 協(xié)議。 課題首先對(duì)整個(gè)e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了介紹，然后針對(duì) e t h e r c a t 從站設(shè)計(jì)出了從站微處理芯片l p c i 7 5 4 的硬件電路，并且完成了所設(shè) 計(jì)芯片的p c b 設(shè)計(jì)以及芯片元器件焊接工作。接著對(duì)e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 中的通信協(xié)議c a n o p e n 協(xié)議做了認(rèn)真地學(xué)習(xí)與研究，根據(jù)協(xié)議中的規(guī)定設(shè)計(jì)了 e t h e r c a t 從站微處理器芯片l p c i 7 5 4 的驅(qū)動(dòng)程序。最后結(jié)合主站控制器對(duì)所設(shè) 計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了p d o 和s d o 數(shù)據(jù)通信的測(cè)試，并且在自動(dòng)化軟件t w i n c a t 平臺(tái)上利用所設(shè)計(jì)的芯片l p c i 7 5 4 上的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)所設(shè)計(jì)的微處理器驅(qū)動(dòng) 程序進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)所得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。 從最終測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的從站驅(qū)動(dòng)程序可以在設(shè)計(jì)的從站微處 理器芯片l p c i 7 5 4 上正確運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的從站驅(qū)動(dòng)程序可以正確地完成對(duì)c o e 格式的數(shù)據(jù)幀的封裝與解析工作，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)主戰(zhàn)與從站之間的數(shù)據(jù)交換 功能。所設(shè)計(jì)的l p c i 7 5 4 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中從站微 處理器的功能。整個(gè)模塊工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足基本的工業(yè)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 需求，能夠投入到現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與相關(guān)制造業(yè)中。 關(guān)鍵字：e t h e r c a t ，c a n o p e n ，對(duì)象字典，p d o ，s 0 0 武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 a b s t r a c t i n d u s t r i a le t h e r n e ti sai m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nc u r r e n ti n d u s t r y - a lc o n t r o lo ff i e l d b u st e c h n o l o g y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u e so ff i - e l d b u s ，e t h e r n e tf i e l d b u sh a sc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i s s i o ns p e e d l y , p a c k e t sc a p - a c - i t y , l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n a n dg o o dp e r f o r m a n c e a sat y p i c a lt e c h n o l o g yo fr e a l - t i m ei n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g y , p u tf o r w a r db yg e r m a n yb e c k h - o f fa u t o m a t i o nc o m p a n yi n2 0 0 3 e t h e r c a tm a d ef u l lu s eo ft h ee t h e r n e tf u l l - d u - p l e xc h a r a c t e r i s t i c s ，u s em a s t e r - s l a v em e d i a a c c e s sc o n t r o lm o d e l ，m a s t e rs e n - dt h ee t h e m e tf r a m et os l a v e ，s l a v ef i n dd a t ef r o mt h ee t h e r n e tf r a m eo ri n s e r t d a t et ot h ee t h e r n e tf r a m e s l a v eu s es p e c i a l i z e dc o n t r o lc h i p ，m a s t e ru s et h es t a - n d a r de t h e m e tc o n t r o l l e r e t h e r c a th a sc h a r a c t e r i s t i co fw i d e l ya p p l i c a b l e , w i t h o u ta f f i l i a t es u b n e t ，s u p p o r tav a r i e t yo fe q u i p m e n tc o n n e c t i o nt o p o l o g i c a ls t r n c t - a r e ，h i g he f f i c i e n c y ，s h o tr e f r e s hc y c l e ，g o o ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e a n df u l l c o m p l i a n c ew i t he t h e r n e ts t a n d a r d t h ee t h e r c a tn e t w o r k e dc o n t r o is y s t e m i n m o d e r ni n d u s t r yi su n i v e r s a l j u s td i f f e r e n ti n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o nl a y e re q u i p m - e a t e t h e r c a tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mg r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e f i e l db u s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h e r e a l i z a t i o np r o c e s so fd a t ae x c h a n g eb e t w e e n m a s t e ra n ds l a v eb ym i c r o p r o c e s s o ri ne t h e r c a tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m t h ed a t a c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h i ss y s t e mi sc a n o p e n f i r s tw ei n t r o d u c e dt h es y s t e m s t r u c t u r e ，t h e nw ed e s i g n e dt h eh a r d w i r eo fs l a v em i c r o p r o c e s s o r , p c bd e s i g na n dc h i p w e l d i n g a n dt h e nw el e a r na n dr e s e a r c ht h ec a n o p e np r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h e c a n o p e np r o t o c o l ，w ed e s i g n e dt h ed r i v e ro fm i c r o p r o c e s s o rl p c i 7 5 4 a tl a s t ，w e t e s to u rd r i v e rb yp d oa n ds d oc o m m u n i c a t i nw i t ht h em a s t e r a n dt e s to u rd r i v e r w i t ht h ea dc o n v e r t e ro fl p c i 7 5 4b ya u t o m a t i o ns o f w a r et w i n c a ta n da n a l y z e d t h et e s tr e s u l t s w ec a nf i n dt h a tf r o mt h ef i n a l lr e s u l t s ，t h ed r i v e rw ed e s i g n e dc o u l dr u nw e l li n t h el p c i 7 5 4w ed e s i g n e d ，a n dc o u l dc o m p l e t et h ed a t ep a k a g ea n dd a t ea n a l y t i c a lo f c o ef r a m e ，c o u l dr e a l i z ea c c u r a t e l yt h ed a t ee x c h a n g eo fm a s t e ra n ds l a v e t h e l p c i 7 5 4w ed e s i g n e dc o u l dd ot h ew o r ko fe t h e r c a ts l a v em i c r o p r o c e s s o r t h e n 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 m o d u l ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dc a nm e e tt h eb a s i cn e e d so fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，t oc o n t r i b u t et ot h em o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dr e l a t e di n d u s t r y k e yw o r d s ：e t h e r c a tc a n o p e no b j e c td i c t i o n a r y p d o s d o n i 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1 研究背景 第1 章緒論 計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展正深刻地改變著人 們的生活、工作方式，尤其對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域，對(duì)工廠自動(dòng)化和企業(yè)信息化領(lǐng) 域的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了嵌入式 系統(tǒng)應(yīng)用研究的快速發(fā)展。面對(duì)當(dāng)前工業(yè)不斷走向自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的 階段，將所有高可靠性的局部嵌入式系統(tǒng)集成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的要求日 益顯著【1 1 。 當(dāng)今世界工業(yè)生產(chǎn)中用到的最廣泛的控制技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它作為工 程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇和交通等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)只能之間的互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò)，溝 通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系。現(xiàn)場(chǎng)總 線控制系統(tǒng)f c s ( f i e l d b u sc d n t r o ls y s t e m ) 為網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，其 特點(diǎn)是控制功能由過(guò)去的控制室設(shè)備變?yōu)橹悄墁F(xiàn)場(chǎng)儀表來(lái)承擔(dān)，可以組成大型 的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)從最高決策到最低設(shè)備層的管理和控制【2 】。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是最近幾年新提出的概念， 該類(lèi)控制系統(tǒng)中，被控制對(duì)象與控制器以及控制器與驅(qū)動(dòng)器之間是通過(guò)一個(gè)公 共的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接的。這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式具有信息資源能夠共享、連接線 數(shù)大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)、高效率、高可靠性及靈活性等優(yōu)點(diǎn)，是未 來(lái)控制系統(tǒng)的發(fā)展模式【3 j 。 目前，基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。采 用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，不同的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都有相同的通訊協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)辦公自 動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。另外，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式平 臺(tái)的快速發(fā)展，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表都可以很方便地為整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 控制系統(tǒng)服務(wù)，直至與i n t e r n e t 相連。近幾年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用 于工業(yè)控制領(lǐng)域，已在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化 制造的關(guān)鍵技術(shù)。作為工業(yè)以太網(wǎng)中一種最具有代表性的技術(shù)e t h e r c a t ( e t h e r n e tf o rc o n t r o la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ) 具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域以及極強(qiáng)的 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 競(jìng)爭(zhēng)力。 1 2 研究現(xiàn)狀 1 2 1e t h e r c a t 研究現(xiàn)狀 e t h e r c a t 是由德國(guó)b e c k h o f f 自動(dòng)化公司于2 0 0 3 年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng) 技術(shù)。它具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點(diǎn)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其從 站節(jié)點(diǎn)使用專(zhuān)門(mén)的控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。 e t h e r c a t 的主要特點(diǎn)如下h 1 ： ( 1 )廣泛適用性，任何帶商用以太網(wǎng)控制器的控制單元都可作為 e t h e r c a t 主站： ( 2 )符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，e t h e r c a t 可以與其他以太網(wǎng)設(shè)備及協(xié)議并存 于同一總線； ( 3 )無(wú)須從屬子網(wǎng)，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)或只有2 位的i o 節(jié)點(diǎn)都可以作為 e t h e r c a t 從站： ( 4 )高效率，最大化利用以太網(wǎng)帶寬進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)傳輸； ( 5 )刷新周期短，可以達(dá)到小于1 0 0l as 的數(shù)據(jù)刷新周期，可以用于 伺服技術(shù)中底層的閉環(huán)控制。 e t h e r c a t 系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)，其有效數(shù)據(jù)利用 率達(dá)到9 0 9 6 以上，全雙工特性得以完全利用啼1 。2 0 0 5 年2 月，e t h e r c a t 通過(guò) 9 6 i e c 會(huì)員投票表決，正式成為i e c 規(guī)范i e c p a s 6 2 4 0 7 ，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織( i s o ) 已將e t h e r c a z 納入i s 0 1 5 7 4 5 標(biāo)準(zhǔn)。e t h e r c a t 技術(shù)引起了自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的廣 泛關(guān)注，并于2 0 0 3 年成立了e t h e r c a t 技術(shù)組織，簡(jiǎn)稱(chēng)e t g 【6 】。 隨著以太網(wǎng)技術(shù)在實(shí)時(shí)性、通信效率和總線供電等方面的障礙的突破，本 質(zhì)安全也完成開(kāi)發(fā)工作，以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用將繼續(xù)向下延伸。而以太 網(wǎng)技術(shù)最近的一個(gè)新發(fā)展方向是向機(jī)箱級(jí)的背板總線延伸。而e t h e r c a t 正是利 用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)了用于現(xiàn)場(chǎng)控制柜的e - b u s ，i o 機(jī)箱的第一個(gè)模塊使用總線耦 合器，該耦合器將標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線或光纜電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為e - b u s 信號(hào)，i 0 模塊 之間信息通過(guò)e - b u s 傳輸。這樣一來(lái)，以太網(wǎng)幀可以不受影響地傳送到i o 輸 入的端口，從某種意義上講，以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)盯】。 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 2 c a n o p e n 研究現(xiàn)狀 目前，現(xiàn)場(chǎng)總線在歐美一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)發(fā)展迅速，并已形成廣 闊的市場(chǎng)應(yīng)用。如今國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)較大范圍地形成了公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 其的研究及發(fā)展正逐漸走向成熟，具有廣闊的市場(chǎng)前景。而在國(guó)內(nèi)，從很早就 開(kāi)始了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究及應(yīng)用，到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了比較顯著的成果，并 在實(shí)際中得到了應(yīng)用心1 。 c a n ( c o n t r o ll e ra e r an e t w o r k ) 是一種多主方式的串行通信總線，能有 效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，特別適合于幾臺(tái)智能設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)， c a n 總線已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中瞪1 。c a n o p e n 協(xié)議是目前在嵌入 式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中較為流行的一種高層協(xié)議，具有良好的互操作性和兼容性，通過(guò) 擴(kuò)展可以應(yīng)用到廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中。當(dāng)然，c a n o p e n 并不是唯一被c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 認(rèn)可的c a n 應(yīng)用層協(xié)議。同樣運(yùn)用于c a n 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 層協(xié)議還有s a e j l 9 3 9 、d e v i c e n e t 、c a n k i n g d o m 和s d s 。在歐洲和美國(guó)，c a n o p e n 協(xié)議已被廣泛應(yīng)用于各種控制場(chǎng)合，但在我國(guó)，c a n 的應(yīng)用層協(xié)議主要應(yīng)用 d e v i c e n e t ，因此c a n o p e n 協(xié)議需要在我國(guó)進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。當(dāng)然，由于 c a n o p e n 技術(shù)在工業(yè)控制方面有極強(qiáng)的適用性和優(yōu)點(diǎn)，所以國(guó)內(nèi)對(duì)c a n o p e n 的 研究也在不斷的向前發(fā)展中。目前主要應(yīng)用有： 對(duì)c a n o p e n 協(xié)議分析與研究，如對(duì)其原理，協(xié)議實(shí)現(xiàn)等的分析叫；對(duì)c a n o p e n 協(xié)議在工業(yè)控制中的應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)c a n o p e n 從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)。如對(duì)c a n o p e n 協(xié)議在工業(yè)控制中適用性的分析n 叫；作為嵌入式控制設(shè)備嵌入到智能裝載機(jī)和 智能攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)中1 ；對(duì)基于c a n o p e n 協(xié)議構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化 分析的研究。 此外，國(guó)內(nèi)對(duì)c a n o p e n 的研究大部分是應(yīng)用于c a n 總線的，然而將c a n o p e n 應(yīng)用于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的不多，本課題將研究應(yīng)用于e t h e r c a t 協(xié)議下的 c a n o p e n ，即c a n o p e no v e re t h e r c a t ( c o e ) ，其實(shí)c o e 早在幾年前就有e t h e r c a t 的開(kāi)發(fā)商德國(guó)b e c k h o f f 公司提出并被廣泛支持，在歐洲得到廣泛的應(yīng)用，但在 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用很少，故本課題的研究?jī)?nèi)容比較新穎。 1 3 研究?jī)?nèi)容 本課題針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，選擇e t h e r c a t 這種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)作 3 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 為研究對(duì)象，并分析e t h e r c a t 協(xié)議下的多種應(yīng)用層協(xié)議，提出基于e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)的c a n o p e n 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在著重分析e t h e r c a t 協(xié)議規(guī) 范和c a n o p e n 協(xié)議原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有高實(shí)時(shí)性的c a n o p e n 從站協(xié)議 棧，組成具有主從式結(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)通訊和完善的 網(wǎng)絡(luò)管理。 課題的具體研究?jī)?nèi)容安排如下： 第一章：簡(jiǎn)要介紹本課題的研究背景與意義，以及對(duì)于e t h e r c a t 協(xié)議和 c a n o p e n 協(xié)議的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單的闡述，最后對(duì)全文的研究?jī)?nèi)容做一 簡(jiǎn)單介紹。 第二章：簡(jiǎn)要分析e t h e r c a t 協(xié)議的規(guī)范，介紹了整個(gè)e t h e r c a t 網(wǎng)絡(luò)化控 制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)系統(tǒng)中所用到從站微處理器芯片l p c i 7 5 4 進(jìn)行了 硬件設(shè)計(jì)。 第三章：簡(jiǎn)單介紹c a n o p e n 通信協(xié)議。對(duì)e t h e r c a t 從站微處理器芯片 l p c i 7 5 4 的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 第四章：先對(duì)所設(shè)計(jì)的從站程序進(jìn)行了通信測(cè)試，然后在裝有t w i n c a t 軟 件的w i n d o w sx p 平臺(tái)上，分析從站調(diào)試運(yùn)行結(jié)果，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)絡(luò)是否達(dá) 到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行是否穩(wěn)定、快速、精確。 第五章：結(jié)論與展望，對(duì)本文所做的工作做了總結(jié)，提出工作中的不足之 處，并對(duì)接下來(lái)的工作做了展望。 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章e t h e r c a t 從站微處理器硬件設(shè)計(jì) 2 1 e t h e r q 虹協(xié)議簡(jiǎn)介 e t h e r c a t 是2 0 0 3 年由德國(guó)b e c k h o f f 自動(dòng)化公司于提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng) 技術(shù)。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：高速和高數(shù)據(jù)效率，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)備之間連接。 其從站節(jié)點(diǎn)使用專(zhuān)門(mén)的從棧控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。 2 1 1e t h e r c a t 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) e t h e r c a t 是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特 性。其工作原理采用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制( m a c ) ，主站將以數(shù)據(jù)幀發(fā)送給各 從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取輸入數(shù)據(jù)或者將輸出數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)幀。主站接口卡 使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡。而從站使用專(zhuān)門(mén)的e t h e r c a t 從站控制器e s c ( e t h e r c a ts l a v ec o n t r o l l e r ) 來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的處理。物理層使用標(biāo)準(zhǔn)的以太 網(wǎng)物理層器件。 2 1 1 1e t h e r c a t 主站組成 e t h e r c a t 主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制芯片，傳輸介質(zhì)為i o o b a s e - - t x 規(guī)范 的5 類(lèi)u t p 線纜，如圖2 - i 所示。通信控制器的功能是完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路的 介質(zhì)訪問(wèn)控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 工作，實(shí)現(xiàn)主站控制芯片與物理 層芯片p h y 之間的數(shù)據(jù)交互功能。物理層芯片p h t 用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的編碼、譯 碼和收發(fā)工作，它們之間通過(guò)m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 接口進(jìn)行 數(shù)據(jù)交換。m i i 定義了與傳輸介質(zhì)無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)電氣和機(jī)械接口，使用這個(gè)接口 將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完全分開(kāi)，使以太網(wǎng)可以方便的選用任何傳輸介 質(zhì)。隔離變壓器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，防止信號(hào)之間的相互干擾，從而能更有 效的進(jìn)行通信。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 輸出控制入 主站： 輸出數(shù)據(jù)： 物理層 專(zhuān) 標(biāo)準(zhǔn)以 刀輸入控孑 芯片太網(wǎng)通 信控制 p h y 專(zhuān) 器芯片 1 輸入數(shù)據(jù) 圖2 1e t h e r c a t 物理層連接原理圖 2 1 1 2e t h c r c a t 從站組成 e t h e r c a t 從站設(shè)備具有以下2 個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)通信和控制應(yīng)用層事件，其結(jié) 構(gòu)如圖2 - 2 所示，由以下幾個(gè)部分組成。 圖2 - 2e t h e r c a t 從站組成結(jié)構(gòu)圖 ( 1 ) e t h e r c a t 從站控制器e t l l 0 0 e t h e r c r t 從站控制器芯片e t l1 0 0 ( e t h e r c a ts l a v ec o n t r o l t e r ) 的功能 是處理e t h e r c a t 數(shù)據(jù)幀，并使用雙端口存儲(chǔ)區(qū)( s m ) 實(shí)現(xiàn)e t h e r c a t 主站與從 站設(shè)備應(yīng)用數(shù)據(jù)的交換。每個(gè)從站e s c 按照其在環(huán)路( e t h e r c a t 各個(gè)從節(jié)點(diǎn)按 節(jié)點(diǎn)0 ，1 ，2 ，3 組成一個(gè)環(huán)形回路) 上的物理位置順序移位讀寫(xiě)數(shù)據(jù)幀。報(bào)文 經(jīng)過(guò)從站時(shí)，e s c 從報(bào)文中提取發(fā)送給自己的輸出命令數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到內(nèi)部 存儲(chǔ)區(qū)，輸入數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)又被寫(xiě)到相應(yīng)的子報(bào)文中。數(shù)據(jù)的提取與插入 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 都是由數(shù)據(jù)鏈路層硬件完成的。 ( 2 ) 從站控制微處理器l p c i 7 5 4 微處理器l p c i 7 5 4 負(fù)責(zé)處理e t h e r c a t 通信和完成控制任務(wù)。微處理器從 e s c 中讀取控制數(shù)據(jù)，通過(guò)解析數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制功能，并且采樣從設(shè)備的反 饋數(shù)據(jù)，然后寫(xiě)入e s c 存儲(chǔ)區(qū)域中，等待主站主站讀取。整個(gè)通信過(guò)程完全由 e s c 控制。 ( 3 ) 物理層器件 從站使用m i i 接口時(shí)，需要使用物理層芯片p h y 和隔離變壓器等標(biāo)準(zhǔn)的以 太網(wǎng)物理層器件。使用e b u s 時(shí)不需要任何其他芯片。 2 1 2e t h c r c a t 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) e t h e r c a t 數(shù)據(jù)直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，數(shù)據(jù)幀使用幀類(lèi)型0 x 8 8 a 4 。 e t h e r c a t 數(shù)據(jù)包括兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)頭和4 4 1 4 9 8 字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)有一個(gè)或 者多個(gè)e t h e r c a t 子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備和從站存儲(chǔ)區(qū)域，如 圖2 - 3 所示。表2 - 1 給出了e t h e r c a t 數(shù)據(jù)幀定義。 以太網(wǎng)幀頭 6 字節(jié)6 字節(jié)2 字節(jié)12 字節(jié)4 4 - 1 4 9 8 9 節(jié)4 字節(jié) i 位l 位 4 位 e t h e r c a t 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度i 保留位i類(lèi)型i 子報(bào)文l 子報(bào)文l 子報(bào)文i 子報(bào)文頭l 數(shù)據(jù) lw k c 命令 l 索引l 地址區(qū)i長(zhǎng)度 f rm l 狀態(tài)位 圖2 3e t h e r c a t 報(bào)文嵌入以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 - ie t h e r c a t 數(shù)據(jù)幀定義 名稱(chēng)含義 目的地址接收方m a c 地址 源地址發(fā)送方m a c 地址 幀類(lèi)型 o x 8 8 a 4 e t h e r c a t 頭：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度e t h e r c a t 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，即所有子報(bào)文長(zhǎng)度總 和 e t h e r c a t 頭：類(lèi)型1 ：表示與從站通信；其余保留 f c s ( f r a m ec h e c k幀校驗(yàn)序列 s e q u e n c e ) 每個(gè)e t h e r c a t 子報(bào)文包括子報(bào)文頭，數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器( w k c ， w o r k i n gc o u n t e r ) 。w k c 記錄了子報(bào)文被從站操作的次數(shù)，主站為每個(gè)通信服 務(wù)子報(bào)文設(shè)置預(yù)期的w k c 。發(fā)送子報(bào)文中的工作計(jì)數(shù)器初值為0 ，子報(bào)文被從站 正確處理后，工作計(jì)數(shù)器的值將增加一個(gè)增量，主站比較返回的數(shù)據(jù)幀的同時(shí) 進(jìn)行處理，不同的通信服務(wù)對(duì)w k c 的增加方式不同。表2 2 給出了e t h e r c a t 子報(bào)文的結(jié)構(gòu)定義h 1 。 表2 - 2e t h e r c a t 子報(bào)文結(jié)構(gòu)定義 名稱(chēng)含義 命令尋址方式及讀寫(xiě)方式 索引幀編碼 地址區(qū)從站地址 長(zhǎng)度報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度 r保留位 m后續(xù)報(bào)文標(biāo)志 狀態(tài)位中斷到來(lái)標(biāo)志 數(shù)據(jù)區(qū)子報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶定義 w k c工作計(jì)數(shù)器 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 通信模式 在實(shí)際自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，應(yīng)用程序之間通常有兩種數(shù)據(jù)交換形式g 時(shí)間 關(guān)鍵和非時(shí)間關(guān)鍵。時(shí)間關(guān)鍵表示特定的動(dòng)作必須在確定的時(shí)間窗口內(nèi)完成。 如果不能在要求的時(shí)間窗口內(nèi)完成通信，則很有可能引起控制失效。時(shí)間關(guān)鍵 的數(shù)據(jù)通常周期性發(fā)送，稱(chēng)為周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信。非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以非周 期性發(fā)送，在e t h e r c a t 中采用非周期性郵箱( m a i l b o x ) 數(shù)據(jù)通信。本項(xiàng)目所 用的通信方式為非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信，下面就主要介紹一下這種通信方式。 e t h e r c a t 協(xié)議中非周期性數(shù)據(jù)通信稱(chēng)為郵箱數(shù)據(jù)通信，它可以雙向進(jìn)行 主站到從站和從站到主站。它支持全雙工、兩個(gè)方向獨(dú)立通信和多用戶協(xié) 議。從站到從站的通信是由主站作為路由器來(lái)管理。郵箱通信數(shù)據(jù)頭中包括一 個(gè)地址域，使主站可以重寄郵箱數(shù)據(jù)。郵箱數(shù)據(jù)通信時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)交換的標(biāo)準(zhǔn)方 式，如果需要配置周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信或需要其他非周期性服務(wù)時(shí)需要使用郵 箱數(shù)據(jù)通信n 羽。 郵箱數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2 - 4 所示，其數(shù)據(jù)頭中數(shù)據(jù)元素的解釋如表2 - 3 所 列。 1 6 位 長(zhǎng)度 子報(bào)文頭l數(shù)據(jù)iw k c 郵箱協(xié)議數(shù)據(jù) 郵箱數(shù)據(jù)頭i 命令 l 命令相關(guān)數(shù)據(jù) 1 6 位 地址 6 位 通道 2 位4 位 優(yōu)先級(jí)i類(lèi)型i 計(jì)數(shù)器 圖2 - 4 郵箱數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu) 表2 3 郵箱數(shù)據(jù)頭 數(shù)據(jù)元素位數(shù)描述 長(zhǎng)度1 6 位跟隨的郵箱服務(wù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 地址1 6 位從站到主站通信時(shí)，為數(shù)據(jù)源從站地址 主站到從站通信時(shí)，為數(shù)據(jù)目的從站地址 9 武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 通信6 位保留 優(yōu)先級(jí)2 位保留 類(lèi)型4 位郵箱類(lèi)型，即后續(xù)數(shù)據(jù)的協(xié)議類(lèi)型， 0 ：郵箱通信出錯(cuò) 2 ：e o e ( e t h e r n e to v e re t h e r c a t ) 3 ：c o e ( c a n o p e no v e re t h e r c a t ) 4 ：f o e ( f i l ea c c e s so v e re t h e r c a t ) 5 ：s o e ( s e r v od r i v eo v e re t h e r c a t ) 1 5 y o e ( v e n d o rs p e c i f i cp r o f i l eo v e r e t h e r c a t ) 計(jì)數(shù)器c t r4 位用于重復(fù)檢測(cè)的順序編號(hào)，每個(gè)新的郵箱 服務(wù)將加1 ( 為了兼容老版本而只使用1 7 ) 本項(xiàng)目中子報(bào)文的命令相關(guān)數(shù)據(jù)的協(xié)議類(lèi)型為t o e ( c a n o p e no v e r e t h e r c a t ) ，故類(lèi)型就為3 。 ( 1 ) 主站到從站通信寫(xiě)郵箱命令 主站發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)區(qū)命令將郵箱數(shù)據(jù)發(fā)給從站。主站需要檢查從站郵箱命令 應(yīng)答報(bào)文中工作計(jì)數(shù)器w k c 。如果工作計(jì)數(shù)器為1 ，表示寫(xiě)命令成功。反之，如 果工作計(jì)數(shù)器沒(méi)有增加，通常因?yàn)閺恼緵](méi)有完成讀完上一命令，或在限定的時(shí) 間內(nèi)沒(méi)有響應(yīng)，主站必須重新發(fā)郵箱數(shù)據(jù)寫(xiě)命令。 ( 2 ) 從站到主站通信讀郵箱命令 從站有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給主站，必須先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入郵箱緩存區(qū)，然后由 主站來(lái)讀取。主站發(fā)現(xiàn)從站e s c 輸入郵箱數(shù)據(jù)區(qū)有數(shù)據(jù)等待發(fā)送時(shí)，會(huì)盡快發(fā) 送適當(dāng)?shù)淖x命令來(lái)讀取。主站有兩種方法來(lái)測(cè)定從站是否有數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)區(qū)。 一種是使用f m m u 周期性讀取某一個(gè)標(biāo)志位。另一個(gè)方法是簡(jiǎn)單地輪詢e s c 輸入 郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)。讀命令的工作計(jì)數(shù)器增加l 表示從站已經(jīng)將新的數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù) 區(qū)。 2 1 4 狀態(tài)機(jī)和通信初始化 e t h e r c a t 狀態(tài)機(jī)( e s m ，e t h e r c a ts t a t em a c h i n e ) 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主站和從站 應(yīng)用程序在初始化和運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)關(guān)系n 1 。 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 e t h e r c a t 設(shè)備必須支持四種狀態(tài)，另外還有一個(gè)可選狀態(tài)：i n i t ( 初始化) 、 p r e o p e r a t i o n a l ( 預(yù)運(yùn)行) 、s a f e o p e r a t i o n a l ( 安全運(yùn)行) 、o p e r a t i o n a l ( 運(yùn) 行) 、和可選狀態(tài)b o o t s t r a p ( 引導(dǎo)狀態(tài)) 。 以上各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2 - 5 所示。從初始化狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化 時(shí)，必須按照“初始化一預(yù)運(yùn)行一安全運(yùn)行一運(yùn)行 的順序轉(zhuǎn)化，不可以越級(jí) 轉(zhuǎn)化。從運(yùn)行狀態(tài)返回時(shí)可以越級(jí)轉(zhuǎn)化。 i n i t ( 初始化) 一 l 。i j ?！安犯?， ( p ) 卜 ( p i ) ( s i ) 工 p i e - o p e r a t i o n a l ( 預(yù)運(yùn)行) 一 ， 黔司 ( 0 i ) 。 j 釜l 墨i 一 一( o p ：- ( p s ) - ：s p ) 一 r j ls a f e - o p e r a t i o n a l ( 安全運(yùn)行) p1， ，( s o ) ( 0 8 ) ， o p a a t i o n a ( 運(yùn)行) 一 p 2 1 5 應(yīng)用層協(xié)議 圖2 - 5e t h e r c a t 狀態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系 應(yīng)用層a l ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 是e t h e r c a t 協(xié)議最高的一個(gè)功能層，是 直接面向控制任務(wù)的一層，它為控制程序訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供手段，提示為控制 程序提供服務(wù)。應(yīng)用層不包括控制程序，它只定義了控制程序與網(wǎng)絡(luò)交互的接 口，是符合此應(yīng)用層協(xié)議地方各種應(yīng)用程序可以協(xié)同工作，如圖2 - 6 所示。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 6e t h e r c a t 協(xié)議結(jié)構(gòu) e t h e r c a t 包括很多種應(yīng)用層協(xié)議，其中包括c o e ( c a n o p e no v e re t h e r c a t ) ， s o e ( s e r v od r i v eo v e re t h e r c a t ) ，e o e ( e t h e r n e to v e re t h e r c a t ) ，f o e ( f i l e a c c e s so v e re t h e r c a t ) “1 。本項(xiàng)目中使用c o e ( c a n o p e no v e re t h e r c a t ) 作 為數(shù)據(jù)通信的協(xié)議。 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 從站微處理器l p c i 7 5 4 的主要電路設(shè)計(jì) 2 2 1 模塊概述 開(kāi)發(fā)基于e t h e r c a t 從站結(jié)構(gòu)，要求開(kāi)發(fā)出嵌入a d d a 模塊的從站微處理器 芯片l p c i 7 5 4 。芯片包括a d d a 模塊，運(yùn)算放大器，數(shù)字隔離器，模擬電源， 數(shù)字電源以及電路外圍接口等。 2 2 2a d 模塊 l 、模擬量輸入通道數(shù)：8 路 2 、采樣頻率：每通道不小于2 0 k s p s 3 、a d 位數(shù)：1 6 b i t 4 、a d 模塊量程：o - i o v 5 、模塊工作電壓：2 4 v 根據(jù)要求，選擇的a d 芯片為電荷再分配逐次逼近寄存器( s a r ) 型模數(shù)轉(zhuǎn) 換器a d 7 6 8 9 b c p z r l 7 ，其技術(shù)參數(shù)如表2 - 4 。 表2 - 4 a d 7 6 8 9 概述 參數(shù)說(shuō)明 位數(shù)1 6 b i t 通道數(shù)8 通道( 可選擇輸入、單極性單端輸入、差分輸入、偽雙極性 輸入) 吞吐速率 2 5 0 k s p s 一3 d b 輸入帶寬全帶寬1 7 m h z ，1 4 帶寬0 4 2 5 m h z i n l 典型值o 4 l s b ，最大值1 5 l s b ( 2 3 p p m 或f s r ) 動(dòng)態(tài)范圍 9 3 8 d b s i n a d 9 2 5 d b ( 2 0 k h z ) t h d - l o o d b ( 2 0 k h z ) 模擬輸入范圍o v - v r e f ，v r e f 可達(dá)v d d 基準(zhǔn)源內(nèi)部可選2 5 v 或4 0 9 6 v 外部緩沖基準(zhǔn)源( 可達(dá)4 0 9 6 v ) 外部基準(zhǔn)源( 可達(dá)v d d ) 1 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 電源單電源工作：2 3 v - 5 5 v ，邏輯接口電壓：i 8 v 一5 5 v 接口 s p i 、m i c r o w i r e 、q s p 和d s p 功耗 3 5 m w ( 2 5 v 2 0 0 k s p s ) 、1 2 5 m w ( 2 5 v 2 5 0 k s p s ) 、 15 5 m w ( 5 v 2 5 0 k s p s ) 待機(jī)電流 5 0 n a 封裝2 0 引腳4 m m * 4 m m l f c s p 工作溫度- 4 0 + 8 5 模擬輸入漏電流 l n a 增益誤差溫漂i p p m 。c 失調(diào)誤差溫漂 i p p m 。c 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源溫 l o p p m 漂 輸入電壓調(diào)整率 1 5 p p m v 外部基準(zhǔn)源漏電流 5 0 u a ( 2 5 0 k s p s ，r e f = 5 v ) 該a d 芯片吞吐率最大為2 5 0 k s p s ，大于所需2 0 k s p s 。當(dāng)v d d = 5 v ，使用 2 5 0 k s p s 吞吐速率，內(nèi)部基準(zhǔn)源時(shí)，最大功耗為2 1 m w 。當(dāng)v d d = 5 v 時(shí)，吞吐率才 能達(dá)到2 5 0 k s p s ，因此選用5 v 供電。 其中，如果采用單極性模式的模擬輸入電壓范圍是0 至v r e f ，而v r e f 的 電壓需要小于v d d ，可選用內(nèi)部參考源或外部參考源。由于采樣電壓為o - l o v ， 而v r e f 不能大于v d d ，為穩(wěn)妥且設(shè)計(jì)需要，因此取v r e f = 2 5 v 。由于2 5 v 的內(nèi) 部基準(zhǔn)源的溫漂為l o p p m ，那么按一般高溫4 5 計(jì)算，誤差則達(dá) 5 0 0 p p m = 5 0 0 u v ，而2 5 v 的1 6 b i t 的l l s b = 3 8 1 u v ，不算增益誤差和失調(diào)誤差， 誤差已經(jīng)達(dá)到1 3 1 l s b 。因此選用一個(gè)精度較高的2 5 v 外部參考源 a d r 3 8 1 a r t z r e e l 7 ( 詳細(xì)參見(jiàn)該部分) 。 另外，采樣電壓為0 一i o v ，而選定的參考電壓為2 5 v ，所以前段的模擬輸 入部分需要作降壓處理。具體是通過(guò)電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓，再接上一個(gè)電 壓跟隨器，最后接入模擬輸入端口。其電路圖如圖2 - 7 。 1 4 武漢理i ：人學(xué)碩f j 。位論文 圖2 7a d 前端模擬信號(hào)處理電路 數(shù)字信號(hào)電源部分，v i o 同樣采用5 v 供電。 s p i 通訊的時(shí)序有3 種模式：轉(zhuǎn)換器件讀取寫(xiě)入，適用快速主機(jī)；轉(zhuǎn)換后 讀取寫(xiě)入，適用任何速度的主機(jī)；轉(zhuǎn)換全程讀取寫(xiě)入，適用任何速度的主機(jī)。 由于選取的2 5 0 k s p s 速率大于2 0 k s p s ，因此選用較為簡(jiǎn)單而精確的轉(zhuǎn)換后讀取 寫(xiě)入的模式。 另外，對(duì)應(yīng)以上三種模式中，都有帶繁忙指示器和無(wú)繁忙指示器這兩種模 式。二者區(qū)別在于，采用無(wú)繁忙指示器時(shí)，主機(jī)必須根據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸，而連接使用s p i 且?guī)е袛噍斎氲闹鳈C(jī)時(shí)。需要采用繁忙指示器的驅(qū)動(dòng)模式。 因?yàn)椴捎胠 p c i 7 5 4 的a r m 主機(jī)是帶中斷的，因此采用繁忙指示器的驅(qū)動(dòng)模式。 內(nèi)部可選低通濾波器：全帶寬1 7 m h z ，1 4 帶寬：4 2 5 k h z 。 2 2 3d a 模塊 1 、模擬量輸出通道數(shù)：2 路 2 、更新頻率：每通道不小于2 0 k h z 3 、d a 位數(shù)：1 6 b i t 4 、d a 模塊輸出量程：o i o v 5 、模塊工作電壓：2 4 v 根據(jù)需求，所選的d a 芯片為軌到軌輸出的n a n o d a c 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 1 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a d 5 6 6 3 a r m z - r e e l 7 ，其技術(shù)參數(shù)如表2 - 5 。 表2 - 5a d 5 6 6 3 技術(shù)參數(shù) 參數(shù)說(shuō)明 位數(shù) 1 6 b i t 通道數(shù)2 通道 相對(duì)精度最大1 2 l s b 封裝1 0 個(gè)引腳的3 m m * 3 m m 的m s o p 電源2 7 - 5 5 v 功耗0 6 i n w ( 3 v ) ，1 2 5 m w ( 5 v ) 特性硬件的l d a c 、c l r 功能 工作溫度 - 4 0 - + 1 0 5 s p i 傳輸速率 5 0 m h z 一3 d b 輸出帶寬 3 4 0 k h z 輸出模擬電源 o - v d d 輸出阻抗 0 5q 輸出噪聲4 5 u v p 。p 外部參考源輸入電 0 7 5 v - v d d 壓 外部參考源輸入電典型1 7 0 u a ，最大2 0 0 u a 流 外部參考源輸入阻 2 6 kq 抗 該芯片的更新速率為5 0 1 - i z ，大于要求的2 0 k h z 。選用5 v 供電。最大功耗 為1 2 5 m w 。由于此芯片沒(méi)有外部參考源，因此使用外部參考源，且與a d 芯片 的參考源相同的2 5 v 。需要注意外部參考源輸入電流最大值為2 0 0 u a 。 由于參考電壓為2 5 v ，但要求輸出模擬量為o - i o v ，所以在模擬量輸出端口要 接入一個(gè)正向放大器，把電壓還原為0 一i o v 。電路圖如圖2 8 。 1 6 武漢理一l ：人學(xué)碩十學(xué)化論文 圖2 - 8d a 模擬信號(hào)端放大電路 另外，芯片帶硬件的l d a c 和c l r 功能。其中l(wèi) d a c 可由一個(gè)配置位確定其 是否使能。而c l r 相當(dāng)于一個(gè)異步復(fù)位鍵，但應(yīng)用中不需用到c l r 的清零功能。 因此，對(duì)這兩個(gè)引腳都置為高電平。 2 2 4 運(yùn)算放大器 選用a