0 引言

    脈沖發(fā)生器是電力電子、工業(yè)控制、機(jī)器人等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種儀器設(shè)備^[1-3]。脈沖發(fā)生器通常采用模擬電路、微處理器等進(jìn)行設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[2]基于運(yùn)放、三極管等分立模擬器件設(shè)計(jì)了一種PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源，文獻(xiàn)[4]提出了基于HCS12單片機(jī)增強(qiáng)型定時(shí)器復(fù)用I/O輸出頻率和占空比可控PWM信號(hào)的開發(fā)方案，解決了由于硬件限制導(dǎo)致PWM輸出通道不足的問題。文獻(xiàn)[5]基于嵌入式SoC設(shè)計(jì)了一種通用死區(qū)可配置的PWM信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了靈活的控制策略配置。采用分立模擬器件搭建的電路產(chǎn)生PWM信號(hào)，元器件較多，電路較為復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。微處理器或SoC等產(chǎn)生PWM信號(hào)，當(dāng)信號(hào)通道較少時(shí)微處理器能滿足要求，當(dāng)PWM信號(hào)多于4路時(shí)，由于處理器指令順序執(zhí)行，會(huì)產(chǎn)生較大延遲，從而使PWM信號(hào)波形不穩(wěn)^[3]。因此，可采用FPGA進(jìn)行PWM信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA指令是并行執(zhí)行，信號(hào)通道的增多不會(huì)影響脈沖信號(hào)的速度和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制^[6]，文獻(xiàn)[3]和[7]利用FPGA設(shè)計(jì)了能同時(shí)輸出多路PWM信號(hào)的設(shè)備，分別應(yīng)用在不同的場合。上述脈沖信號(hào)發(fā)生器均只能獨(dú)立單機(jī)運(yùn)行，不能通過總線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活快速的配置，因此文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于CAN的脈沖信號(hào)輸出方法及裝置，通過CAN報(bào)文更新PWM輸出頻率和占空比，但是CAN總線通信速率通信較慢，難以應(yīng)用在高速控制需求的場合。

    隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進(jìn)和開展，網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)逐漸廣泛應(yīng)用^[9]，對基礎(chǔ)控制設(shè)備提出了新的應(yīng)用要求。傳統(tǒng)的單機(jī)脈沖發(fā)生器或基于總線的脈沖發(fā)生器不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高速通信和快速響應(yīng)需求，針對該問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，采用EtherCAT實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外部控制系統(tǒng)的通信，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和穩(wěn)定的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    脈沖發(fā)生器用于為工控現(xiàn)場側(cè)設(shè)備提供脈沖控制信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于工控設(shè)備對實(shí)時(shí)性要求較高，本文選用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行通信，EtherCAT是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、拓?fù)潇`活、同步精度高、線纜冗余、具備功能安全協(xié)議功能等特點(diǎn)。脈沖發(fā)生器包括微處理器最小系統(tǒng)、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口、光耦合器（以下簡稱光耦）、固態(tài)功率繼電器以及現(xiàn)場信號(hào)接口。其中，EtherCAT通信控制器通過EtherCAT通信接口接收指令信號(hào)，并對指令信號(hào)進(jìn)行解析，生成解析信號(hào)；微處理器根據(jù)解析信號(hào)配置脈沖信號(hào)的輸出模式并輸出對應(yīng)模式下的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)光耦進(jìn)行電氣隔離后輸出到固態(tài)功率繼電器；固態(tài)功率繼電器用于提高脈沖信號(hào)的帶負(fù)載能力，輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場信號(hào)接口輸出到現(xiàn)場側(cè)設(shè)備。

    脈沖發(fā)生器采用EtherCAT總線通過EtherCAT通信控制器與主機(jī)通信，EtherCAT通信控制器用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信的介質(zhì)訪問控制功能，負(fù)責(zé)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)EtherCAT主站與從站應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換。微處理器用于實(shí)現(xiàn)脈沖輸出卡的邏輯計(jì)算、協(xié)調(diào)控制等功能。

    脈沖發(fā)生器的EtherCAT通信控制器與通信接口包括兩種方式：MII接口和EBUS接口。當(dāng)采用MII接口時(shí)，EtherCAT通信控制器通過MII接口連接PHY芯片，并通過RJ45接口與外部進(jìn)行通信。當(dāng)采用EBUS接口時(shí)，EtherCAT通信控制器直接采用EBUS總線與外部通信。

    固態(tài)功率繼電器可實(shí)現(xiàn)輸出電路的保護(hù)功能，包括過熱保護(hù)、短路保護(hù)等，并輸出診斷信號(hào)給微處理器，診斷信號(hào)經(jīng)光耦進(jìn)行電氣隔離后輸入微處理器，從而實(shí)現(xiàn)輸出電路的診斷功能，提高脈沖發(fā)生器的工作可靠性。固態(tài)功率繼電器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過輸出防護(hù)電路后通過現(xiàn)場信號(hào)接口發(fā)送至現(xiàn)場側(cè)設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU最小系統(tǒng)

    基于設(shè)備自主可控的因素，脈沖信號(hào)發(fā)生器選用龍芯處理器LS1C0300A，LS1C是基于GS232處理器核，提供豐富的外設(shè)接口。采用LS1C的最小系統(tǒng)電路框圖如圖2所示，包括電源、調(diào)試口JTAG、串口UART、存儲(chǔ)器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、復(fù)位電路以及通用的GPIO接口等部分。其中SPI接口連接至EtherCAT從站控制器ET1100；GPIO連接至脈沖輸出電路和診斷電路，并控制報(bào)警電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。LS1C內(nèi)部集成RTC功能，因此在RTC_Clk管腳連接外部時(shí)鐘源32.768 kHz晶振，并提供RTC電池，保持掉電狀況下的精確計(jì)時(shí)。SDRAM通過并行總線連接至LS1C，用于存儲(chǔ)處理器運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)和加載的程序等。LS1C具備多種啟動(dòng)方式，配置對應(yīng)管腳選擇啟動(dòng)方式，本設(shè)計(jì)中Nand_D4與Nand_D5引腳分別連接至高電平和低電平，設(shè)置LS1C從SPI Flash啟動(dòng)，加載PMON引導(dǎo)系統(tǒng)。

2.2 EtherCAT通信電路

    EtherCAT通信電路實(shí)現(xiàn)EtherCAT信號(hào)的收發(fā)功能，如圖3所示，包括ET1100、PHY、EEPROM、時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)變壓器、RJ45接口等部分。ET1100是實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并為從站控制裝置提供數(shù)據(jù)接口。ET1100通過PHY_0接收EtherCAT報(bào)文，從報(bào)文中提取發(fā)送給自己的命令數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，并將本地?cái)?shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)寫到相應(yīng)的子報(bào)文中，實(shí)現(xiàn)外部命令與從站本地?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換，然后ET1100通過PHY_1將EtherCAT報(bào)文發(fā)送給下一設(shè)備。

    EEPROM存儲(chǔ)器與EtherCAT通信控制器通過IIC總線連接。ET1100通過IIC接口與EEPROM連接通信，EEPROM存儲(chǔ)ET1100的設(shè)備配置信息。ET1100連接兩個(gè)MII接口，并輸出時(shí)鐘信號(hào)PHY_Clk、復(fù)位信號(hào)Reset給PHY器件。由于ET1100為降低處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲，對MII接口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對PHY芯片的選擇提出了約束條件^[10]，本設(shè)計(jì)中選用MICREL公司的KSZ8051MLL。ET1100的配置引腳與MII引腳復(fù)用，為了清晰說明本電路的工作模式，在圖3中單獨(dú)展示關(guān)鍵配置引腳，分別將P_MODE[0]和P_MODE[1]引腳連接至地，選擇使用ET1100的端口0和端口1，并將P_CONF(0)和P_CONF(1)引腳連接至地，設(shè)置端口0和端口1使用MII接口，實(shí)現(xiàn)與PHY芯片的通信。

2.3 輸出驅(qū)動(dòng)電路

    脈沖輸出電路包括光耦、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，如圖4所示。光耦實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場側(cè)設(shè)備與內(nèi)部電路的電氣隔離。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的功率放大功能，選用ST公司的小封裝高效能工業(yè)智能固態(tài)功率繼電器VNI2140J，可實(shí)現(xiàn)每路的輸出電流1 A，滿足工業(yè)使用要求。VNI2140J內(nèi)置負(fù)載斷路保護(hù)功能，為每路輸出提供獨(dú)立的主動(dòng)限流功能，防止負(fù)載失效導(dǎo)致的系統(tǒng)電源電壓降低，提供地線失效保護(hù)和診斷功能，當(dāng)負(fù)載過大或出現(xiàn)短路時(shí)，功率繼電器輸出診斷信號(hào)，并通過光耦反饋到CPU芯片實(shí)現(xiàn)故障診斷功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

    脈沖信號(hào)發(fā)生器的工作流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括UART、SPI、通用定時(shí)器、GPIO、ET1100、Flash、SDRAM等外設(shè)。然后通過ET1100接收設(shè)備的配置參數(shù)，包括工作模式、時(shí)基、周期等參數(shù)；處理器根據(jù)配置參數(shù)對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，接收EtherCAT主站的控制數(shù)據(jù)，包括占空比、周期、延遲等，對其進(jìn)行解析、計(jì)算，并輸出對應(yīng)的脈沖信號(hào)。在輸出信號(hào)的同時(shí)，設(shè)備采集故障信息，如果有故障，設(shè)備進(jìn)行報(bào)警處理，并將報(bào)警數(shù)據(jù)寫入寄存器和EtherCAT報(bào)文。

    主站設(shè)置的參數(shù)包括工作模式、占空比、時(shí)基、延時(shí)、周期等參數(shù)。占空比說明輸出的脈沖信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間占脈沖周期的比例；周期說明輸出脈沖信號(hào)的頻率；時(shí)基說明脈沖信號(hào)的最小時(shí)間分辨率；延時(shí)說明在信號(hào)使能后脈沖信號(hào)經(jīng)過延遲時(shí)間后再輸出。

    工作模式確定設(shè)備的脈沖信號(hào)輸出模式，包括4種工作模式：脈沖輸出模式、脈寬調(diào)制(PWM)模式、脈沖串模式以及延時(shí)模式。脈沖輸出模式為脈沖發(fā)生器輸出一個(gè)指定幅值和高電平持續(xù)時(shí)間的脈沖，其余時(shí)間均為低電平。脈寬調(diào)制模式為脈沖發(fā)生器持續(xù)輸出脈沖信號(hào)，其中脈沖幅值和周期固定，脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間根據(jù)接收到的EtherCAT信號(hào)可自動(dòng)調(diào)節(jié)。脈沖串模式為脈沖發(fā)生器輸出指定個(gè)數(shù)的脈沖，其中脈沖幅值、周期和高電平持續(xù)時(shí)間均在收到的EtherCAT信號(hào)中指定。延時(shí)模式為當(dāng)脈沖發(fā)生器接收的數(shù)字量輸入信號(hào)變化時(shí)（包括上升沿或下降沿），延時(shí)指定的時(shí)間再輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，其中數(shù)字量輸入信號(hào)變化方式、延時(shí)時(shí)間、輸出的脈沖信號(hào)類型通過脈沖發(fā)生器接收到的EtherCAT報(bào)文數(shù)據(jù)決定。通過上述4種工作模式，脈沖發(fā)生器能夠滿足不同現(xiàn)場設(shè)備的工作需求。

4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

    脈沖信號(hào)發(fā)生器具有兩個(gè)EtherCAT通信接口，通過EtherCAT通信接口可將多個(gè)脈沖發(fā)生器組網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸出通道的擴(kuò)展功能，其中每個(gè)脈沖發(fā)生器為一個(gè)EtherCAT從站。組網(wǎng)方式包括菊花鏈形和環(huán)形，分別如圖6和圖7所示。

    多個(gè)脈沖發(fā)生器組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障或者鏈路斷開時(shí)，EtherCAT主站可通過環(huán)網(wǎng)的兩端分別訪問其余脈沖信號(hào)發(fā)生器，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

5 試驗(yàn)

    本文基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT設(shè)計(jì)了脈沖信號(hào)發(fā)生器，具備4種工作模式，分別對其進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，其中，圖(a)展示脈沖輸出模式試驗(yàn)結(jié)果，輸出1 s高電平信號(hào)，其他時(shí)間均為低電平；圖(b)展示脈寬調(diào)制（PWM）模式試驗(yàn)結(jié)果，輸出周期為1 s，占空比60%的脈沖信號(hào)；圖(c)展示脈沖串模式試驗(yàn)結(jié)果，輸出3個(gè)脈沖，周期為1 s，占空比為60%；圖(d)展示延時(shí)模式試驗(yàn)結(jié)果，通道2采集高電平信號(hào)，通道1采集脈沖信號(hào)，可看出，在高電平1 s后，脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期為1 s、占空比為50%的3個(gè)脈沖信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器能夠根據(jù)主站的配置產(chǎn)生4種模式的脈沖信號(hào)。

6 結(jié)論

    本文針對傳統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)生器通信能力弱的問題，基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和龍芯LS1C處理器設(shè)計(jì)了一種具備高速通信能力的脈沖信號(hào)發(fā)生器。設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器具備4種工作模式，可應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、車輛控制、電力電子以及工業(yè)控制等多種應(yīng)用場合。

參考文獻(xiàn)

[1] 齊悅，楊耕，竇曰軒，等.PWM控制下多電平混合逆變電路的脈寬調(diào)制及拓?fù)浞治鯷J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18(2)：13-17，26.

[2] 鐘少強(qiáng).PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源：中國，201610819177.3[P].2016-09-12.

[3] 范啟富，張文鋒，溫超.基于FPGA的多功能多路舵機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)[J].控制工程，2008，15(6)：696-698.

[4] 馮道寧，劉昭度，葉陽.3種基于HCS12定時(shí)器的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(2)：140-143.

[5] 張躍玲，汪健，趙忠惠，等.一種嵌入式SOC系統(tǒng)中通用死區(qū)可配置PWM波生成電路，中國，201610842367.7[P].2016-09-22.

[6] POORANI S，URMILAPRIYA T，KUMAR K，et al.FPGA base fuzzy logic controller for electric vehicle[J].The Institution of Engineers，2005，45(5)：1-14.

[7] 楊曉峰，李要乾，鄭瓊林，等.基于DSP-FPGA的模塊化多電平換流器PWM脈沖方案對比[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，39(5)：61-68.

[8] 何丹丹，紀(jì)立君，張進(jìn)明，等.一種信號(hào)輸出方法及裝置，中國，201710134107.9[P].2017-03-08.

[9] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[R].2016.

[10] Beckhoff，EtherCAT slave controller ET1100 hardware data sheet[Z].2010.

作者信息:

林  浩，韓慶敏，宋  棟，陳  海

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京100083）