一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统
阅读说明：本技术 一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统 (Analog acquisition slave station system based on EtherCAT bus ) 是由 赵浩 刘奇涛 莫新民 宋鹏 纪平鑫 李睿远 李强 王晶 韦祖拔 冯博琳 孙汐畅 于 2021-11-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统,包括：模拟量采集模块、主控制器模块、网络通信模块和电源模块；所述模拟量采集模块用来采集16路±10V的模拟量电压信号；所述主控制器模块与所述模拟量采集模块通过16位并行总线进行数据传输；并将电压数据信号通过SPI接口传输给所述网络通信模块；所述网络通信模块将所述电压数据信号转化为EtherCAT总线数据信号,并与EtherCAT总线网络上的主站或从站控制器进行数据交换；所述电源模块,用来提供所述从站系统的电源。本发明所述的从站系统,具有电路简单、使用范围广泛、成本低、可靠性高等优点。(The invention discloses an analog quantity acquisition slave station system based on an EtherCAT bus, which comprises: the system comprises an analog quantity acquisition module, a main controller module, a network communication module and a power supply module; the analog quantity acquisition module is used for acquiring 16 paths of analog quantity voltage signals of +/-10V; the main controller module and the analog quantity acquisition module perform data transmission through a 16-bit parallel bus; transmitting the voltage data signal to the network communication module through the SPI interface; the network communication module converts the voltage data signal into an EtherCAT bus data signal and exchanges data with a master station or a slave station controller on an EtherCAT bus network; the power supply module is used for providing power supply for the slave station system. The slave station system has the advantages of simple circuit, wide application range, low cost, high reliability and the like.)
技术领域
本发明涉及模拟量采集系统，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统。
背景技术
在工业控制领域，越来越多的工厂实现了自动化和无人化。在这些工厂中需要大量的自动化控制设备，这些设备中安装有大量的传感器用来检测位移、压力、温度等数据。以上传感器的输出信号大多为模拟量信号，基本上分为电压输出和电流输出两种模式。在目前的工厂自动化生产线中，由一个中央控制器对整个生产线上的设备进行集中控制和调度，所有的设备作为中央控制器的从站系统并通过总线网络将各种传感器数据传输到中央控制器中。目前市场上的从站系统大多由国外厂商供货，价格较高、维护成本较大，对生产线的升级改造会造成非常大的影响。同时，在机器人控制系统领域，机器人应用需要配置大量的力传感器，对其模拟量输入采集从站系统的体积重量和功耗提出了很高的要求，目前的常规设计难以满足需要。
发明内容
本发明的目的在于：针对工业控制和机器人控制系统领域中，需要采用总线网络将传感器输出模拟信号与中央控制器进行数据交换的需要，本申请提供了一种具有电路简单、使用范围广泛、成本低、可靠性高等优点的基于EtherCAT总线网络的模拟量采集从站系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统，包括：模拟量采集模块10、主控制器模块20、网络通信模块30和电源模块40；其中，所述模拟量采集模块10，用来采集16路±10V的模拟量电压信号；所述主控制器模块20，与所述模拟量采集模块10通过16位并行总线进行数据传输；并将电压数据信号通过SPI接口传输给所述网络通信模块30；所述网络通信模块30，将所述电压数据信号转化为EtherCAT总线数据信号，并与EtherCAT总线网络上的主站或从站控制器进行数据交换；所述电源模块40，用来提供所述从站系统的电源。
在本发明的另一方案中，所述模拟量采集模块10包括第一接插件XS1和模数转换芯片U1；所述第一接插件XS1连接所要采集的16路±10V的模拟量电压信号；所述模数转换芯片U1用来将所采集的模拟量电压信号转换为数字电压信号，同时通过16位数据总线与所述主控制器模块20进行数据传输。
在本发明的另一方案中，所述第一接插件XS1共有32个引脚，奇数引脚连接所采集的16路±10V输入的模拟量信号，偶数引脚都与GND连接。
在本发明的另一方案中，所述主控制器模块20包括微控制器U2；所述微控制器U2通过16位数据总线与所述模拟量采集模块10进行连接、与所述网络通信模块30通过SPI接口进行连接。
在本发明的另一方案中，所述主控制器模块20还包括配置接口J1，所述配置接口J1用来给微控制器U2烧写程序。
在本发明的另一方案中，所述网络通信模块30包括从站控制器U3，所述从站控制器U3用来将从所述主控制器模块20接收的电压数据信号，转换为EtherCAT总线信号。
在本发明的另一方案中，所述网络通信模块30还包括存储器芯片U4、网络变压器芯片U5和U6，所述存储器芯片U4用来存储从站控制器U3的配置信息，所述网络变压器芯片U5和U6用来接收从站控制器U3所转换的EtherCAT总线信号并与网络中的主站/其他从站进行数据交换。
在本发明的另一方案中，所述网络通信模块30还包括第二接插件XS2和第三接插件XS3，所述第二接插件XS2是EtherCAT总线的输入接口；所述第三接插件XS3是EtherCAT总线的输出接口。
在本发明的另一方案中，所述电源模块40包括电源芯片U7和电源芯片U8，所述电源芯片U7将输入的6V～26V电源转换为+5V；所述电源芯片U8将+5V电压转换为+3.3V。
在本发明的另一方案中，所述电源模块40还包括第四接插件XS4，所述第四接插件XS4连接外部输入的6V～26V电源。
综上所述，本发明针对工业控制领域中采用总线网络将传感器输出模拟信号与中央控制器进行数据交换的需要，设计了一种由模拟量采集模块、主控制器模块、网络通信模块、电源模块组成的从站系统，具有以下显著优点：
1.本发明电路简单、使用元器件少、占用空间小，与以往的从站系统相比，有效减少了对于工控系统的占用空间。
2.采用EtherCAT总线网络，其数据传输速率高、性能可靠稳定，可以在各种自动化生产线、机器人控制以及需要进行实时总线网络数据传输的环境下进行大规模的系统级联。
3.本发明可同时采集16路±10V输出的模拟量信号，减少了从站系统搭建的数量。
4.本发明所设计的从站控制器采用的元器件成本较低，系统的成本相对于现有产品大幅降低，可以有效降低整个系统的成本。
附图说明
图1是本发明的电路实施模块图；
图2是本发明的模拟量采集模块原理示意图；
图3是本发明的主控制器模块原理示意图；
图4是本发明的网络通信模块原理示意图；
图5是本发明的电源模块原理示意图；
附图标记：10-模拟量采集模块、20-主控制器模块、30-网络通信模块、40-电源模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明提供一种基于EtherCAT总线的模拟量采集从站系统，包括：模拟量采集模块10、主控制器模块20、网络通信模块30和电源模块40；其中，所述模拟量采集模块10，用来采集16路±10V的模拟量电压信号；所述主控制器模块20，与所述模拟量采集模块10通过16位并行总线进行数据传输；并将电压数据信号通过SPI接口传输给所述网络通信模块30；所述网络通信模块30，将所述电压数据信号转化为EtherCAT总线数据信号，并与EtherCAT总线网络上的主站或从站控制器进行数据交换；所述电源模块40，用来提供所述从站系统的电源。
如图2所示，具体地，所述模拟量采集模块10由第一接插件XS1、模数转换芯片U1、第一至第九电容C1～C9组成。
所述第一接插件XS1共有32个引脚，16个奇数引脚1-31连接所采集的16路±10V输入的模拟量电压信号，16个偶数引脚2-32都与GND连接；模数转换芯片U1用来将所输入的模拟量电压信号转换为数字电压信号，同时通过16位数据总线41-48和53-60与主控制器模块20进行数据传输，并且将片选、硬件/软件模式选择、采样通道选择、复位等功能引脚与主控制器模块20的控制引脚连接；第一至第九电容C1～C9连接模数转换芯片U1的电源引脚，用来保证芯片的正常工作。
如图3所示，具体地，所述主控制器模块20由微控制器U2、第一晶振Y1、第十至第十二电容C10～C12、配置接口J1组成。
所述微控制器U2通过16位数据总线与模拟量采集模块10进行连接、与网络通信模块30通过引脚19-22的SPI接口进行连接；第一晶振Y1与微控制器U2连接，用来提供工作所需要的振荡频率；第十电容C10、第十一电容C11用来对第一晶振Y1正常工作提供负载电容；配置接口J1用来给微控制器U2烧写程序。
如图4所示，具体地，所述网络通信模块30由从站控制器U3（图中U3A和U3B合一起为U3的原理示例图）、存储器芯片U4、网络变压器芯片U5和U6、第二晶振Y2、第一和第二电感L1和L2、第十三至第二十电容C13～C20、第一至第十六电阻R1～R16、第二接插件XS2、第三接插件XS3组成。
所述从站控制器U3用来将主控制器模块20所处理的电压数据信号进行解码，转换为EtherCAT总线信号并传输给网络变压器芯片；存储器芯片U4用来存储从站控制器U3的配置信息；网络变压器芯片U5和U6用来接收从站控制器U3所转换的EtherCAT总线信号并与EtherCAT网络中的主站/其他从站进行数据交换；第二晶振Y2用来给从站控制器U3提供工作所需要的振荡频率；第一和第二电感L1和L2用来对+3.3V电源进行滤波；第十三电容C13、第十六电容C16是+3.3V电源的滤波电容，第十四电容、第十五电容C14、C15是第二晶振Y2正常工作的负载电容，第十七至第二十电容C17～C20是网络变压器芯片U5和U6的滤波电容；第一至第九电阻R1～R9是信号限流电阻，第十和第十一电阻R10、R11是存储器芯片U4的IIC接口上拉电阻，第十三至第十六电阻R13～R16是网络变压器芯片U5和U6的滤波电阻；第二接插件XS2连接网络变压器芯片U5，是EtherCAT总线的输入接口，可接收EtherCAT网络中的其他从站的数据；第三接插件XS3连接网络变压器芯片U6，是EtherCAT总线的输出接口，可将数据传输给EtherCAT网络中的主站。
如图5所示，具体地，所述电源模块40由电源芯片U7、电源芯片U8、第一二极管D1、第三电感L3、第二十一至第二十八电容C21～C28、第十七至第十九电阻R17～R19、第四接插件XS4组成。
所述第四接插件XS4连接外部输入的6V～26V电源。所述电源芯片U7将输入的6V～26V电源转换为+5V；电源芯片U8将+5V电压转换为+3.3V；第一二极管D1是输入电源的保护二极管；第三电感L3是+5V电源的滤波电感；第二十一电容C21是电源芯片U7的驱动电容，第二十七电容C27、第二十八电容C28是输入电源的滤波电容，第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十五电容C25是+5V电源的滤波电容，第二十四电容C24、第二十六电容C26是+3.3V电源的滤波电容；第十七至第十九电阻R17～R19是电源芯片U7的电压输出配置电阻。
本发明所述的从站系统，具有电路简单、使用范围广泛、成本低、可靠性高等优点。其采用EtherCAT总线网络，数据传输速率高、性能稳定，非常适用于在各种自动化生产线、机器人控制以及需要进行实时总线网络数据传输的环境下进行大规模的系统级联应用。
在上述实施例中，具体电路可以根据实际需求进行相应的更换，本申请的具体电路不代表本申请的技术方案的所有实施例。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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