摘要
传统现场总线因其高成本、低通信速率等因素逐渐被市场淘汰，结合计算机以太网技术的工业以太网逐渐应用于工业主站系统中，并在机器人焊接、机床加工、工业数据采集等多个场合发挥作用。针对工业主站系统高成本低实时性等问题，本文对主站系统的软硬件进行技术研发，提出一种基于EtherCAT的高性能、低成本的主站系统，以期实现更加高效的工业控制。本文主要研究内容如下： （1）主站系统的需求分析及方案设计。对EtherCAT通信协议进行深入研究，讨论EtherCAT主站系统的国内外发展现状，对比已有解决方案并根据自身功能和性能需求，提出主站系统的设计方案。 （2）EtherCAT主站模块设计及优化。选择性价比更高的基于ARM cortex-A72内核的Raspberry Pi4B作为硬件开发平台，软件方面选择在Linux操作系统之上搭建开源主站框架并配置开发环境；通过系统调度优化、系统资源隔离优化、网络驱动优化等策略，在操作系统层面提高主站模块通信实时性；最后在用户层面针对配置阶段和周期运行阶段进行应用程序设计及优化，保证主站模块的高效运行。 （3）EtherCAT从站模块设计。提出从站模块硬件电路设计框架，选择LAN9252芯片设计从站通信板来对数据帧进行处理；选用基于Cortex?-M4内核的STM32F407ZGT6芯片设计从站控制板，来解析网络通信数据和实现应用层逻辑功能；设计外围电路对主站系统项目应用提供支持。 （4）EtherCAT主站系统测试及结果分析。搭建主站系统测试平台，使用万用表、示波器、Wireshark抓包软件等测试工具，对主站系统进行测试。包括主站系统基础功能测试、主从站通信测试、机器人电机驱动测试和系统抖动测试等。实验结果表明，主站系统功能正常，能够实现主从站正常通信；在性能上，系统的抖动在微秒级别，能够达到主站系统对实时性和稳定性的要求。
NETL