1、本科毕业论文（20 届）EtherCAT 实时工业以太网通信模块电路设计所在学院 专业班级 光电工程与光通信 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要I摘 要随 着 以 太 网 技 术 的 飞 速 发 展 ， 工 业 以 太 网 技 术 已 经 逐 步 取 代 传 统 的 现 场总 线 成 为 现 代 化 工 业 设 备 及 应 用 场 合 的 主 流 通 信 技 术 。 随 着 对 通 信 的 速 度 和精 度 的 要 求 不 断 提 高 ， 实 时 性 工 业 以 太 网 的 发 展 极 其 迅 速 。本 文 基 于 实 时 工 业 以 太 网 EtherCAT 技 术 设
2、计 出 通 信 从 站 电 路 模 块 。 论文 从 EtherCAT 实 时 工 业 以 太 网 、 通 信 模 块 电 路 设 计 、 EtherCAT 通 信 协 议 以及 主 站 和 从 站 通 信 模 块 测 试 四 个 主 要 方 面 开 展 工 作 。 首 先 熟 悉 EtherCAT 的基 本 内 容 ， 在 此 基 础 上 选 择 出 ET1100 和 KS8721BL 两 款 基 本 芯 片 。 以 此 两款 芯 片 为 基 础 ， 设 计 出 EtherCAT 从 站 通 信 模 块 电 路 原 理 图 ， 绘 制 出 PCB 板并 焊 接 出 实 物 。 最 后 ， 基
3、 于 EtherCAT 通 信 协 议 ， 搭 建 主 站 和 从 站 的 通 信 测试 方 案 ， 测 试 验 证 通 信 模 块 电 路 的 可 行 性 和 稳 定 性 ， 达 到 设 计 需 求 ， 在 实 时性 工 业 以 太 网 方 面 有 较 大 的 应 用 价 值 。关 键 词 ： 实时工业以太网，EtherCAT，ET1100，通信模块ABSTRACTIIAbstractWith the rapid development of Ethernet technology, Industrial Ethernet is gradually replacing the traditi
4、onal fieldbus to become a mainstream communication technology of the modern industrial equipment and applications. With the requirement of speed and precision, the real-time Industrial Ethernet has had an extremely fast development. In this dissertation, a slave communication circuit module was desi
5、gned based on the EtherCAT real-time communication technology. The work contains four levels,that is the EtherCAT Real-time Industrial Ethernet, the design of hardware of the communication module ,the protocol of EtherCAT and the test of the EtherCAT communication between master and slave modules. F
6、irstly, on the basis of the familiar with the infrastructure of EtherCAT,choosing one EtherCAT slave controller chip ET1100 and physical chip KS8721BL.Secondly,on account of the two chips,designing the schematic diagram of communication and drawing out its printed circuit board. Finally,on the basis
7、 of the slave circuit board,designing one test scheme between master and slave modules, verifying the feasibility and reliability of EtherCAT communication. There is a great significance in the applications of the real-time industrial Ethernet.Key Words: Real-time Industrial Ethernet, EtherCAT, ET11
8、00, communication module目录III目 录第 1 章 引言 .11.1 课题背景及研究价值 .11.1.1 课题背 景 .11.1.2 课题研究价值及意义 .11.2 EtherCAT 实 时 工 业 以 太 网 技 术 概 述 .21.2.1 工 业 以 太 网 概 况 .21.2.2 EtherCAT 技 术 优 势 及 开 发 现 状 .21.3 EtherCAT 技术国内研发现状 .31.4 课 题 研 究 主 要 内 容 及 重 点 .31.5 本 章 总结 .3第 2 章 系统设计方案 .42.1 EtherCAT 实 时 工 业 以 太 网 .42.1.1
9、主 流 实 时 工 业 以 太 网 技 术 的 比 较 .42.1.2 EtherCAT 基 本 通 信 架 构 .52.2 ET1100 芯 片 .62.2.1 物理通 信 端 口 .62.2.1.1 MII 接口 .62.2.1.2 EBUS/LVDS 接口 .72.2.2 ESC 数 据 链 路 层 控 制 .72.2.2.1 ESC 数 据 帧 处 理 .72.2.2.2 数 据 链 路 错误检测 .82.2.2.3 ESC 数 据 链 路 地 址 .82.2.3 分 布 时 钟 操 作 .92.2.3.1 分 布 时 钟 信 号 .92.2.3.2 同步信号的配置 .92.3 微 控
10、制电路 .10目录IV2.3.1 FPGA 概述 .102.3.2 PDI 接口 .102.3.2.1 数字量 I/O 接口 .112.3.2.2 SPI 从 站 接 口 .112.4 系 统 设 计 框 架 .122.4.1 系统框 架 .122.4.2 通信主 站 的设计 .122.4.3 通信从站模 块 设计 .132.5 本章总结 .14第 3 章 通信从站设计 .153.1 从 站 接 口 模块电路 .153.1.1 ET1100 电 路 设计 .153.1.1.1 ET1100 设 计 原 理 图 .153.1.1.2 ET1100 周 边 电 路 .173.1.2 PHY 芯 片
11、 电 路 设计 .183.1.2.1 物 理 层 PHY 芯 片 选 择 .183.1.2.2 PHY 芯 片 电 路 设 计 .193.2 从 站 微 控 制 模 块 电 路 .203.2.1 FPGA 控制电路 .213.2.2 外 围 电 路 .223.2.2.1 电 源 和 配置模 块 .223.2.2.2 SDRAM 电 路 .233.2.2.3 其 余 外 围 电 路 .243.3 PCB 绘 制 .263.3.1 PCB 布 局 注 意 事 项 .263.3.2 PCB 布 线 注 意 事 项 .263.4 通信从站硬件外观 .273.4.1 从站接口模块电路板 .27目录V3.
12、4.2 从 站 微 控 制 模 块 电 路 板 .283.4.3 焊 接 后 电 路 板 的 实 物 图 .283.4.3.1 从 站 接 口 模块电路板 实 物 图 .283.4.3.2 系 统 电 路 板 实 物 图 .293.5 本 章 总结 .29第 4 章 EtherCAT 通信协议 .304.1 EtherCAT 系统组成 .304.1.1 EtherCAT 主 站 组 成 .304.1.2 EtherCAT 从站组成 .304.1.2.1 从站接口模块 .314.1.2.2 从站微控制模块 .314.2 EtherCAT 数据帧结构 .324.3 EtherCAT 报文寻址 .3
13、34.3.1 EtherCAT 网 段 寻 址 .344.3.2 设 备 寻 址 .344.3.3 逻 辑 寻 址 和 FMMU.354.4 分布时钟 .364.4.1 分 布 时 钟 描 述 .364.4.2 时 钟 同 步 .374.5 通信模式 .384.5.1 周 期 性 过 程 数 据 通 信 .394.5.1.1 从 站 设 备 同步运行模 式 .394.5.1.2 主 站 设 备 同步运行模 式 .394.5.2 非 周 期 性 邮箱数据通信 .404.6 应用层协议 .414.7 本章总结 .42第 5 章 PC 和通信模块电路板通信测试 .435.1 Linux 下 PC 机
14、主站 .43目录VI5.1.1 通信主 站 架构 .435.1.2 通 信 主 站 程 序 .445.2 通 信 从 站 配 置 信 息 .465.3 通 信 从 站 状 态 机 和 通 信 初 始 化 .475.4 通 信 从 站 微 控 制 模 块 .495.4.1 FPGA 微 控 制 器 .495.4.2 FPGA 内 部 架 构 及 代 码 .495.4.2.1 FPGA 内部架构 .495.4.2.2 代码 .505.5 通信测试 .535.5.1 从站到主站的调试 .535.5.2 主 站 到 从 站 的 测 试 .555.5.3 测试结果分析 .565.6 本 章 总结 .56第 6 章 总 结 .576.1 本 文 完成的 工 作 .576.2 后 期 的 工 作 方 向 .57参考文献 .59致谢 .61外文资料原文 .
