基于ARM与FPGA的EtherCAT通信协议研究与数控系统应用

本文主要工作内容围绕EtherCAT现场总线技术在数控系统中的应用展开，着重于针对国内对该技术相对滞后的现状。EtherCAT作为一种高速工业以太网现场总线，因其出色的性能——如低延迟、高带宽利用率、直接I/O访问和良好的同步性，使其在自动化控制领域得到了广泛应用。ETG工业以太网协会的成立进一步推动了技术的发展。 文章首先概述了课题背景，指出国内数控系统在控制精度和实时性上面临的要求提升，促使研究转向高速现场总线，如EtherCAT。研究目标是利用ARM和FPGA技术实现EtherCAT通信协议，将其整合到国产数控系统中，提升系统的竞争力。 研究内容包括： 1. **现场总线技术现状**：介绍了国内外现场总线技术的发展历程和主要类型，强调了EtherCAT在市场上的地位和增长潜力。 2. **EtherCAT通信规范与关键技术研发**： - 描述了EtherCAT的通信规范，包括其独特的"飞读飞写"技术，即直接内存访问，提高数据传输速度。 - 分析了分布式时钟同步技术，确保多个节点之间的精确同步。 - 讨论了WKC（Write-Once Memories）和CRC（循环冗余校验）在数据可靠传输中的作用。 3. **硬件实现**：提出了一种基于嵌入式工控机和EtherCAT主站通信卡的硬件架构，以及使用ARM+FPGA实现从站通信的硬件接口设计。ARM负责执行从站总线协议驱动，而FPGA则负责实际的总线协议处理。 4. **软件设计**：详细阐述了主站和从站的软件设计，包括主站的数据传输协议和高精度分布式时钟技术，以及从站数据链路层传输协议和驱动程序的设计。 5. **平台开发**：开发了完整的EtherCAT总线系统，包括主站平台和从站平台的构建，旨在实现数控系统与EtherCAT网络的无缝集成。 本文的主要研究工作在于填补国内在EtherCAT现场总线技术应用领域的空白，通过技术引进和本地化研发，为我国高档数控系统的发展注入新的动力，提升其在全球市场的竞争力。