通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010526077.4	申请日：	2010.10.29
公开号：	CN101963811A	公开日：	2011.02.02
当前法律状态：	驳回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G05B 19/418申请公布日:20110202\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G05B 19/418申请日:20101029\|\|\|公开
IPC分类号：	G05B19/418	主分类号：	G05B19/418
申请人：	深圳市大族激光科技股份有限公司; 深圳市大族电机科技有限公司
发明人：	谢谦; 秦红燕; 王光能; 刘元江; 高云峰
地址：	518000 广东省深圳市南山区高新技术园北区新西路9号
优先权：
专利代理机构：	广州华进联合专利商标代理有限公司 44224	代理人：	何平
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内容摘要

本发明涉及一种通讯控制器以及使用该通讯控制器的工业控制系统，该通讯控制器包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。本发明避免出现信号的干扰和衰减，提高了控制精度和可靠性。采用FPGA控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。

权利要求书

1：一种通讯控制器，其特征在于，包括通讯板以及 FPGA 控制板，所述通讯板与所述 FPGA 控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能的 EtherCAT 通讯程序。
2：根据权利要求 1 所述的通讯控制器，其特征在于，所述 FPGA 控制板物理接口和内部功能能够进行调节。
3：一种工业控制系统，包括作为主站的上位机以及与所述上位机相连的通讯控制器，其特征在于，所述通讯控制器包括通讯板以及 FPGA 控制板，所述通讯板与所述 FPGA 控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能的 EtherCAT 通讯程序。
4：根据权利要求 3 所述的工业控制系统，其特征在于，所述系统还包括与上位机连接的从站，所述通讯控制器设置在所述从站上。
5：根据权利要求 4 所述的工业控制系统，其特征在于，所述通讯板与所述上位机通过标准网口连接。
6：根据权利要求 5 所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机装设有实现 EtherCAT 协议通讯的通讯软件。
7：根据权利要求 6 所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机产生 EtherCAT 协议数据帧，并将对从站的控制命令写入数据帧规定报文中，控制所述数据帧在整个系统中循环。
8：根据权利要求 7 所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机产生下行数据帧到达从站时，所述通讯板接收所述下行数据帧并读取规定报文中主站对从站的控制命令，交于 FPGA 控制板对控制命令进行解析处理；所述通讯板还将由 FPGA 控制板收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报文中。

说明书

通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统
    【技术领域】
     本发明涉及一种通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统。【背景技术】
     运动控制系统主要分速度控制系统和位置控制系统两大类。传统的电气传动系统一般指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。对于位置控制系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。伺服运动控制系统为运动控制领域一个分支，主要是通过伺服驱动装置将给定指令变成期望的机构运动，并通过反馈信号构成闭环系统。一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达天线、数控机床、加工中心、机器人、打印机、复印机、磁记录仪、磁盘驱动器、自动洗衣机等领域得到广泛应用。
     由于网络通信技术的不断提高，网络伺服系统成为目前伺服系统的发展方向。把网路引入伺服控制系统，在控制器和伺服驱动器之间通过网络进行数据通信，使控制器和驱动器之间数据传输在速度和可靠性方面大大的提高，同时也提供了精确的多轴同步功能。但目前由于一些特殊领域的应用，无网络接口的伺服系统仍被某些行业所使用。无网络接口伺服系统通过脉冲 + 方向或模拟信号方式在上位机 ( 主站 ) 和伺服驱动器 ( 从站侧 ) 之间进行通信，其控制灵活，开放性强，在很多工业控制系统中，采用无网络接口伺服系统位置控制方式即脉冲 + 方向的控制方式实现。但当上位控制器与伺服驱动器距离较远时，会出现信号的干扰和衰减等问题，降低了控制精度和可靠性。【发明内容】
     基于此，有必要提供一种提高控制精度和可靠性的通讯控制器。
     此外，还提供一种基于上述通讯控制器的工业控制系统。
     一种通讯控制器，包括通讯板以及 FPGA 控制板，所述通讯板与所述 FPGA 控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能的 EtherCAT 通讯程序。
     优选的，所述 FPGA 控制板物理接口和内部功能能够进行调节。
     一种工业控制系统，包括作为主站的上位机以及与所述上位机相连的通讯控制器，所述通讯控制器包括通讯板以及 FPGA 控制板，所述通讯板与所述 FPGA 控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能的 EtherCAT 通讯程序。
     优选的，所述系统还包括与上位机连接的从站，所述通讯控制器设置在所述从站上。
     优选的，所述通讯板与所述上位机通过标准网口连接。
     优选的，所述上位机装设有实现 EtherCAT 协议通讯的通讯软件。
     优选的，所述上位机产生 EtherCAT 协议数据帧，并将对从站的控制命令写入数据帧规定报文中，控制所述数据帧在整个系统中循环。
     优选的，所述上位机产生下行数据帧到达从站时，所述通讯板接收所述下行数据帧并读取规定报文中主站对从站的控制命令，交于 FPGA 控制板对控制命令进行解析处理；所述通讯板还将由 FPGA 控制板收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报文中。
     上述通讯控制器及使用该通讯控制器的工业控制系统，采用 EtherCAT 协议进行通讯，通讯板集成有 EtherCAT 通讯程序，实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能，从而使得上位机 ( 主站 ) 与从站侧距离较远时，避免出现信号的干扰和衰减，提高了控制精度和可靠性。采用 FPGA 控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。【附图说明】
     图 1 是一个实施例中的通讯控制器结构示意图；
     图 2 是一个实施例中 SPI 接口结构示意图；
     图 3 是一个实施例中通讯控制器工作原理示意图。【具体实施方式】下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
     该通讯控制器应用于工业控制系统中，是基于 EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology，一种是开放的实时以太网络通讯协议。) 协议的通讯控制器，其包括一通讯板以及与通讯板连接的一 FPGA(Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列，即一个包含可编程逻辑组件的功能块 ) 控制板，通讯板与 FPGA 控制板采用串行外设接口 (SPI) 连接，通讯板中集成有实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能的 EtherCAT 通讯程序。
     图 1 是一个实施例中的通讯控制器结构示意图。图 2 是一个实施例中 SPI 接口结构示意图。图 3 是一个实施例中通讯控制器工作原理示意图。结合图 1 至图 3，通讯控制器 100 应用于主从模式的工业控制系统，并设置在工业控制系统的从站上，作为从站进行通讯的专用硬件。通讯控制器 100 包括通讯板 110 以及 FPGA 控制板 120。通讯板 110 通过标准网口与主站进行通讯，通讯板 110 与 FPGA 控制板之间通过 SPI 接口 130 连接， FPGA 控制板与从站设备连接。通讯板 110 中集成有 EtherCAT 通讯程序。该实施例中，通讯板采用 FB1111-0141 板，用户自由配置 FB1111-0141 板的设备描述文档，并通过主站，在主站扫描到从站设备对从站进行初始化时，将设备描述文档存储到从站的 EEPROM 中去。FPGA 控制板 120 中集成有基于 PC 的本身配置的 IP 核，并通过接口 (Altera 或 Xilinx 接口 ) 与其内的软核处理器进行通讯。FPGA 控制板 120 物理接口和内部功能可调，例如内存管理单元 (FMMU) 和同步管理器数量、双口随机存储器 (DPRAM) 大小等等。
     该实施例中，工业控制系统采用上位机作为主站，主站装设有实现 EtherCAT 协议的通讯软件 (TwinCAT)。当主站产生和控制 EtherCAT 协议下行数据帧在整个系统中循环。主站产生下行数据帧，并将对各个从站的控制命令写在下行数据帧规定报文中。下行数据帧到达从站 1 时，由于通讯控制器 100 的通讯板 110 中集成有 EtherCAT 通讯程序，使通讯控制器 100 能够对 EtherCAT 协议的下行数据帧进行支持和处理，实现 EtherCAT 通讯功能
     以及专用功能。具体的，通讯板 110 接收该下行数据帧并读取规定报文中主站对该从站的控制命令，交于 FPGA 控制板 120 对控制命令进行解析处理， FPGA 控制板 120 在 FPGA 里实现对象字典的配置，可根据用户需要，随时修改参数， ( 相较传统采用 MCU 与主站控制板相连接的方式，具有很强的灵活性，不需要针对用户支持的每一种协议改变硬件和配置，传输速度快 )。通讯板 110 将由 FPGA 控制板 120 收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报名中。通讯板 110 完成读取和写入之后，该从站与主站完成数据交换，下行数据帧继续下行到达下一个从站 2，由下一个从站 2 的通讯控制器完成上述操作，直到最后一个从站 N。最后一个从站 N 通讯控制器完成操作后，最后一个从站 N 将下行数据帧变为上行数据帧，通过各个从站返回到主站，主站对返回的上行数据帧进行处理，主站与从站之间完成一次通讯。主站能够对数据帧中规定报文，数据帧长度等进行设置，对 EtherCAT 通讯进行自由配置。
     在其他实施例中，通讯控制器 100 除适用主站 / 从站模式外，还适用于主站与主站的通讯。
     上述通讯控制器及使用该通讯控制器的工业控制系统，采用 EtherCAT 协议进行通讯，通讯板集成有 EtherCAT 通讯程序，实现 EtherCAT 通讯功能以及专用功能，从而使得上位机 ( 主站 ) 与从站侧距离较远时，避免出现信号的干扰和衰减，提高了控制精度和可靠性。采用 FPGA 控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。
     以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 101963811 A(43)申请公布日 2011.02.02CN101963811A*CN101963811A*(21)申请号 201010526077.4(22)申请日 2010.10.29G05B 19/418(2006.01)(71)申请人深圳市大族激光科技股份有限公司地址 518000 广东省深圳市南山区高新技术园北区新西路9号申请人深圳市大族电机科技有限公司(72)发明人谢谦秦红燕王光能刘元江高云峰(74)专利代理机构广州华进联合专利商标代理有限公司 44224代理人何平(54) 发明名称通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统(57) 摘要本发明。

2、涉及一种通讯控制器以及使用该通讯控制器的工业控制系统，该通讯控制器包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。本发明避免出现信号的干扰和衰减，提高了控制精度和可靠性。采用FPGA控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页CN 101963812 A 1/1页21.一种通讯控制器，其特征在。

3、于，包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。2.根据权利要求1所述的通讯控制器，其特征在于，所述FPGA控制板物理接口和内部功能能够进行调节。3.一种工业控制系统，包括作为主站的上位机以及与所述上位机相连的通讯控制器，其特征在于，所述通讯控制器包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。4.根据权利要求3所述的工业控制系统，其特征在于，所述系统还。

4、包括与上位机连接的从站，所述通讯控制器设置在所述从站上。5.根据权利要求4所述的工业控制系统，其特征在于，所述通讯板与所述上位机通过标准网口连接。6.根据权利要求5所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机装设有实现EtherCAT协议通讯的通讯软件。7.根据权利要求6所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机产生EtherCAT协议数据帧，并将对从站的控制命令写入数据帧规定报文中，控制所述数据帧在整个系统中循环。8.根据权利要求7所述的工业控制系统，其特征在于，所述上位机产生下行数据帧到达从站时，所述通讯板接收所述下行数据帧并读取规定报文中主站对从站的控制命令，交于FPGA控制板对控制命令进。

5、行解析处理；所述通讯板还将由FPGA控制板收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报文中。权利要求书CN 101963811 ACN 101963812 A 1/3页3通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统【技术领域】0001 本发明涉及一种通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统。【背景技术】0002 运动控制系统主要分速度控制系统和位置控制系统两大类。传统的电气传动系统一般指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。对于位置控制系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。伺服运动控制系统为运动控制领域一个分支，主要是通过伺服驱动装。

6、置将给定指令变成期望的机构运动，并通过反馈信号构成闭环系统。一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达天线、数控机床、加工中心、机器人、打印机、复印机、磁记录仪、磁盘驱动器、自动洗衣机等领域得到广泛应用。0003 由于网络通信技术的不断提高，网络伺服系统成为目前伺服系统的发展方向。把网路引入伺服控制系统，在控制器和伺服驱动器之间通过网络进行数据通信，使控制器和驱动器之间数据传输在速度和可靠性方面大大的提高，同时也提供了精确的多轴同步功能。但目前由于一些特殊领域的应用，无网络接口的伺服系统仍被某些行业所使用。无网络接口伺服系统通过脉冲+方向或模拟信号方式在上位机(主站)和伺服。

7、驱动器(从站侧)之间进行通信，其控制灵活，开放性强，在很多工业控制系统中，采用无网络接口伺服系统位置控制方式即脉冲+方向的控制方式实现。但当上位控制器与伺服驱动器距离较远时，会出现信号的干扰和衰减等问题，降低了控制精度和可靠性。【发明内容】0004 基于此，有必要提供一种提高控制精度和可靠性的通讯控制器。0005 此外，还提供一种基于上述通讯控制器的工业控制系统。0006 一种通讯控制器，包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。0007 优选的，所述FPGA控制板。

8、物理接口和内部功能能够进行调节。0008 一种工业控制系统，包括作为主站的上位机以及与所述上位机相连的通讯控制器，所述通讯控制器包括通讯板以及FPGA控制板，所述通讯板与所述FPGA控制板采用串行外设接口连接，所述通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。0009 优选的，所述系统还包括与上位机连接的从站，所述通讯控制器设置在所述从站上。0010 优选的，所述通讯板与所述上位机通过标准网口连接。0011 优选的，所述上位机装设有实现EtherCAT协议通讯的通讯软件。0012 优选的，所述上位机产生EtherCAT协议数据帧，并将对从站的控制命令写入数据。

9、说明书CN 101963811 ACN 101963812 A 2/3页4帧规定报文中，控制所述数据帧在整个系统中循环。0013 优选的，所述上位机产生下行数据帧到达从站时，所述通讯板接收所述下行数据帧并读取规定报文中主站对从站的控制命令，交于FPGA控制板对控制命令进行解析处理；所述通讯板还将由FPGA控制板收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报文中。0014 上述通讯控制器及使用该通讯控制器的工业控制系统，采用EtherCAT协议进行通讯，通讯板集成有EtherCAT通讯程序，实现EtherCAT通讯功能以及专用功能，从而使得上位机(主站)与从站侧距离较远时，避免出现信号的干扰和衰减。

10、，提高了控制精度和可靠性。采用FPGA控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。【附图说明】0015 图1是一个实施例中的通讯控制器结构示意图；0016 图2是一个实施例中SPI接口结构示意图；0017 图3是一个实施例中通讯控制器工作原理示意图。【具体实施方式】0018 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。0019 该通讯控制器应用于工业控制系统中，是基于EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology，一种是开放的实时以太网络通讯协议。)协议的通讯。

11、控制器，其包括一通讯板以及与通讯板连接的一FPGA(Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列，即一个包含可编程逻辑组件的功能块)控制板，通讯板与FPGA控制板采用串行外设接口(SPI)连接，通讯板中集成有实现EtherCAT通讯功能以及专用功能的EtherCAT通讯程序。0020 图1是一个实施例中的通讯控制器结构示意图。图2是一个实施例中SPI接口结构示意图。图3是一个实施例中通讯控制器工作原理示意图。结合图1至图3，通讯控制器100应用于主从模式的工业控制系统，并设置在工业控制系统的从站上，作为从站进行通讯的专用硬件。通讯控制器100包括通讯板110以及F。

12、PGA控制板120。通讯板110通过标准网口与主站进行通讯，通讯板110与FPGA控制板之间通过SPI接口130连接，FPGA控制板与从站设备连接。通讯板110中集成有EtherCAT通讯程序。该实施例中，通讯板采用FB1111-0141板，用户自由配置FB1111-0141板的设备描述文档，并通过主站，在主站扫描到从站设备对从站进行初始化时，将设备描述文档存储到从站的EEPROM中去。FPGA控制板120中集成有基于PC的本身配置的IP核，并通过接口(Altera或Xilinx接口)与其内的软核处理器进行通讯。FPGA控制板120物理接口和内部功能可调，例如内存管理单元(FMMU)和同步管理。

13、器数量、双口随机存储器(DPRAM)大小等等。0021 该实施例中，工业控制系统采用上位机作为主站，主站装设有实现EtherCAT协议的通讯软件(TwinCAT)。当主站产生和控制EtherCAT协议下行数据帧在整个系统中循环。主站产生下行数据帧，并将对各个从站的控制命令写在下行数据帧规定报文中。下行数据帧到达从站1时，由于通讯控制器100的通讯板110中集成有EtherCAT通讯程序，使通讯控制器100能够对EtherCAT协议的下行数据帧进行支持和处理，实现EtherCAT通讯功能说明书CN 101963811 ACN 101963812 A 3/3页5以及专用功能。具体的，通讯板11。

14、0接收该下行数据帧并读取规定报文中主站对该从站的控制命令，交于FPGA控制板120对控制命令进行解析处理，FPGA控制板120在FPGA里实现对象字典的配置，可根据用户需要，随时修改参数，(相较传统采用MCU与主站控制板相连接的方式，具有很强的灵活性，不需要针对用户支持的每一种协议改变硬件和配置，传输速度快)。通讯板110将由FPGA控制板120收集的从站的状态数据写入下行数据帧规定报名中。通讯板110完成读取和写入之后，该从站与主站完成数据交换，下行数据帧继续下行到达下一个从站2，由下一个从站2的通讯控制器完成上述操作，直到最后一个从站N。最后一个从站N通讯控制器完成操作后，最后一个从站N将。

15、下行数据帧变为上行数据帧，通过各个从站返回到主站，主站对返回的上行数据帧进行处理，主站与从站之间完成一次通讯。主站能够对数据帧中规定报文，数据帧长度等进行设置，对EtherCAT通讯进行自由配置。0022 在其他实施例中，通讯控制器100除适用主站/从站模式外，还适用于主站与主站的通讯。0023 上述通讯控制器及使用该通讯控制器的工业控制系统，采用EtherCAT协议进行通讯，通讯板集成有EtherCAT通讯程序，实现EtherCAT通讯功能以及专用功能，从而使得上位机(主站)与从站侧距离较远时，避免出现信号的干扰和衰减，提高了控制精度和可靠性。采用FPGA控制板对伺服设备进行控制，则可根据用户需要，随时修改参数，传输速度更快，提高了通讯的灵活性，可靠性更高。0024 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。说明书CN 101963811 ACN 101963812 A 1/2页6图1图2说明书附图CN 101963811 ACN 101963812 A 2/2页7图3说明书附图CN 101963811 A。

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