基于ETHERCAT网络的监控系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103631190 A (43)申请公布日 2014.03.12 CN 103631190 A (21)申请号 201310542835.5 (22)申请日 2013.11.05 G05B 19/048(2006.01) G05B 19/418(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 唐厚君 陆亭华 曹其新 董诗阳 蔡位焜 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 基于 EtherCAT 网络的监控系统 (57) 摘要 本发明公开了一。

2、种基于 EtherCAT 网络的监 控系统， 包括如下部件 ： 支持 EtherCAT 协议的 主站和多个从站， 所述主站和多个从站相串联组 成一个网段， 所述主站位于该网段的一端 ； 支持 EtherCAT 协议的伺服控制模块 ； 支持 EtherCAT 协议的传感信号模块 ； 支持 EtherCAT 协议的图像 采集模块 ； 其中， 每一个从站分别与与其对应的 伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集模块 相串联组成子网段。本发明实现了在远距离情况 下对所视环境的监控及对执行机构的远程控制操 作， 组成监控系统的各模块部分均支持 EtherCAT 协议， 具有网络拓扑结构灵活、 系统配置简。

3、单、 通 信速率高、 实时性好、 有效数据率高等的优势。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (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5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103631190 A CN 103631190 A 1/1 页 2 1. 一种基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 包括如下部件 ： - 支持 EtherCAT 协议的主站和多个从站， 所述主站和多个从站相串联组成一个 EtherCAT 网段， 所述主站位于该 EtherCAT 网段的一端 ； - 支持 EtherCAT 。

4、协议的伺服控制模块 ； - 支持 EtherCAT 协议的传感信号模块 ； - 支持 EtherCAT 协议的图像采集模块 ； 其中， 每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集模块 相串联组成子网段。 2. 根据权利要求 1 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述主站上安 装有支持 EtherCAT 协议的主站以太网卡， 所述主站通过主站以太网卡与其中一个从站相 串联。 3. 根据权利要求 1 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述每一个从 站均包括 ： 控制底板、 分别安装于控制底板上的处理器和外围电路、 以及。

5、分别与处理器相连 接且支持 EtherCAT 协议的从站以太网卡和通信模块 ； 其中， 所述从站通过通信模块向上通 过 EtherCAT 网络并与主站相连接， 所述从站通过从站以太网卡向下通过 EtherCAT 网络并 与相对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集模块相串联组成一个子网段。 4. 根据权利要求 1 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述伺服控制 模块包括 ： 支持 EtherCAT 协议的直流伺服驱动器以及与直流伺服驱动器相应的直流伺服 电机 ； 所述直流伺服驱动器上设有支持 EtherCAT 协议的伺服控制器及伺服接口， 所述直流 伺服驱动器。

6、通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连接并通信。 5. 根据权利要求 4 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述直流伺服 驱动器包括伺服通信模块， 所述直流伺服驱动器通过伺服通信模块连接至 EtherCAT 网段 中。 6. 根据权利要求 1 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述传感信号 模块包括传感设备， 其中， 传感设备包括以下任一个或任多个部件 ： - 距离传感器 ； - 光电开关 ； 所述距离传感器和光电开关均配有支持 EtherCAT 协议的传感控制器及传感接口， 所 述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从。

7、站相连接并通信。 7. 根据权利要求 6 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述传感控制 器包括传感通信模块， 所述传感控制器通过传感通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 8. 根据权利要求 1 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述图像采集 模块包括用于图像采集的网络摄像头， 所述网络摄像头配有支持 EtherCAT 协议的图像采 集控制器及图像采集接口， 所述网络摄像头通过图像采集控制器及图像采集接口与相对应 的从站相连接并通信。 9. 根据权利要求 8 所述的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其特征在于， 所述图像 采。

8、集控制器包括图像采集通信模块， 所述图像采集控制器通过图像采集通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 权 利 要 求 书 CN 103631190 A 2 1/5 页 3 基于 EtherCAT 网络的监控系统 技术领域 0001 本发明涉及通信技术领域的监控系统， 具体是一种基于 EtherCAT 网络的监控系 统。 背景技术 0002 监控系统中， 主要任务是按远端的现场实时情景、 状态信息反馈等对执行机构进 行一些必要的控制操作， 由于其控制单元与执行机构之间存在空间上的一定空间上的距离 间隔， 使得控制指令、 反馈信息等需要通过适用于远距离情况的通信方式进行传输。 0003 传统的。

9、监控系统中兼有以太网传输、 现场总线控制等形式的通信技术， 其中以太 网在带宽、 速率上有一定优势而在实时性方面有所欠缺， 故采用现场总线的方式来实现机 构控制以满足实时性要求， 而现场总线在传输速率上有一定的局限性。 另一方面， 现场总线 已售出组件的数目非常少， 且现场总线的专用型强， 不同总线之间的协议转换复杂， 因此控 制系统和现场设备的综合成本相当高。再者， 这种传统方案中线束较多、 布线成本尤为显 著。 同时， 信号粒度方面的灵活性向来都是通过运行从属子网的模块化现场设备来实现的， 这种子网增加了系统整体的复杂性， 并在实时性和周期时间等方面存在明显不足。在监控 领域中， 许多很高。

10、的要求是无法利用不同通信技术协议来完成的。 0004 如今工业以太网系统已经发展成为了性能相当强大的通信系统， 并且在自动化 领域中有着越来越重要的作用。实时工业以太网技术 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)在传统以太网的基础上加以改进， 通过processing on the fly、 分布时钟同步等技术， 具有网络拓扑结构灵活、 系统配置简单、 通信速率高、 实时性好、 有效 数据率高等的优势， 同时接口技术、 网关技术等的兼容性问题和速度在使用 EtherCAT 之后 也已不再是难题， 因此 EtherCAT 技术在现。

11、代工业控制领域有着相当开阔的应用前景。 发明内容 0005 本发明目的在于针对现有技术中存在的上述不足， 提供一种基于 EtherCAT 网络 的监控系统。 0006 为实现上述目的， 本发明是通过以下技术方案实现的 ： 0007 一种基于 EtherCAT 网络的监控系统， 包括如下部件 ： 0008 - 支持 EtherCAT 协议的主站和多个从站， 所述主站和多个从站相串联组成一个网 段， 所述主站位于该网段的一端 ； 0009 - 支持 EtherCAT 协议的伺服控制模块 ； 0010 - 支持 EtherCAT 协议的传感信号模块 ； 0011 - 支持 EtherCAT 协议的图。

12、像采集模块 ； 0012 其中， 每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集 模块相串联组成子网段。 0013 优选的， 所述主站上安装有支持 EtherCAT 协议的主站以太网卡， 所述主站通过主 说 明 书 CN 103631190 A 3 2/5 页 4 站以太网卡与其中一个从站相串联。 0014 优选的， 所述每一个从站均包括 ： 控制底板、 分别安装于控制底板上的处理器和外 围电路、 以及分别与处理器相连接且支持 EtherCAT 协议的从站以太网卡和通信模块 ； 其 中， 所述从站通过通信模块向上通过 EtherCAT 网络并与主站相连接， 所述从站通过从站。

13、以 太网卡向下通过 EtherCAT 网络并与相对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集 模块相串联组成一个子网段。 0015 优选的， 所述伺服控制模块包括 ： 支持 EtherCAT 协议的直流伺服驱动器以及与直 流伺服驱动器相应的直流伺服电机 ； 所述直流伺服驱动器上设有支持 EtherCAT 协议的伺 服控制器及伺服接口， 所述直流伺服驱动器通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连接 并通信。 0016 优选的， 所述直流伺服驱动器包括伺服通信模块， 所述直流伺服驱动器通过伺服 通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 0017 优选的， 所述传感信号模块包括传感设备， 其中， 。

14、传感设备包括以下任一个或任多 个部件 ： 0018 - 距离传感器 ； 0019 - 光电开关 ； 0020 所述距离传感器和光电开关均配有支持 EtherCAT 协议的传感控制器及传感接 口， 所述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从站相连接并通 信。 0021 优选的， 所述传感控制器包括传感通信模块， 所述传感控制器通过传感通信模块 连接至 EtherCAT 网段中。 0022 优选的， 所述图像采集模块包括用于图像采集的网络摄像头， 所述网络摄像头配 有支持 EtherCAT 协议的图像采集控制器及图像采集接口， 所述网络摄像头通过图像采集 控制器及图像采集接口与相。

15、对应的从站相连接并通信。 0023 优选的， 所述图像采集控制器包括图像采集通信模块， 所述图像采集控制器通过 图像采集通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 0024 本发明提供的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 其主站、 从站、 伺服控制模块、 传感 信号模块以及图像采集模块均可支持 EtherCAT 协议， 从而实现了基于 EtherCAT 网络的监 控功能。实时以太网 EtherCAT 技术的应用使得上述系统具有网络拓扑结构灵活、 系统配置 简单、 通信速率高、 实时性好、 有效数据率高等优势。 0025 本发明适合大范围、 远距离应用的信号与图像采集、 远程控制。 附图说。

16、明 0026 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显 ： 0027 图 1 为本发明基于 EtherCAT 网络的监控系统结构示意图 ； 0028 图 2 为本发明从站结构示意图 ； 0029 图 3 为本发明控制器结构示意图。 说 明 书 CN 103631190 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0030 下面对本发明的实施例作详细说明 ： 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程。 应当指出的是， 对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。

17、进， 这些都属于本发明的保 护范围。 0031 请同时参阅图 1 至图 3。 0032 本实施例提供了一种基于 EtherCAT 网络的监控系统， 包括如下部件 ： 0033 - 支持 EtherCAT 协议的主站和多个从站， 所述主站和多个从站相串联组成一个网 段， 所述主站位于该网段的一端 ； 0034 - 支持 EtherCAT 协议的伺服控制模块 ； 0035 - 支持 EtherCAT 协议的传感信号模块 ； 0036 - 支持 EtherCAT 协议的图像采集模块 ； 0037 其中， 每一个从站分别与与其对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集 模块相串联组成子网段。 00。

18、38 进一步地， 所述主站上安装有支持 EtherCAT 协议的主站以太网卡， 所述主站通过 主站以太网卡与其中一个从站相串联。 0039 进一步地， 所述每一个从站均包括 ： 控制底板、 分别安装于控制底板上的处理器和 外围电路、 以及分别与处理器相连接且支持 EtherCAT 协议的从站以太网卡和通信模块 ； 其 中， 所述从站通过通信模块向上通过 EtherCAT 网络并与主站相连接， 所述从站通过从站以 太网卡向下通过 EtherCAT 网络并与相对应的伺服控制模块、 传感信号模块以及图像采集 模块相串联组成一个子网段。 0040 进一步地， 所述伺服控制模块包括 ： 支持 Ether。

19、CAT 协议的直流伺服驱动器以及与 直流伺服驱动器相应的直流伺服电机 ； 所述直流伺服驱动器上设有支持 EtherCAT 协议的 伺服控制器及伺服接口， 所述直流伺服驱动器通过伺服控制器及接口与相对应的从站相连 接并通信。 0041 进一步地， 所述直流伺服驱动器包括伺服通信模块， 所述直流伺服驱动器通过伺 服通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 0042 进一步地， 所述传感信号模块包括传感设备， 其中， 传感设备包括以下任一个或任 多个部件 ： 0043 - 距离传感器 ； 0044 - 光电开关 ； 0045 所述距离传感器和光电开关均配有支持 EtherCAT 协议的传感控制器及。

20、传感接 口， 所述距离传感器和光电开关通过传感控制器及传感接口与相对应的从站相连接并通 信。 0046 进一步地， 所述传感控制器包括传感通信模块， 所述传感控制器通过传感通信模 块连接至 EtherCAT 网段中。 0047 进一步地， 所述图像采集模块包括用于图像采集的网络摄像头， 所述网络摄像头 配有支持 EtherCAT 协议的图像采集控制器及图像采集接口， 所述网络摄像头通过图像采 集控制器及图像采集接口与相对应的从站相连接并通信。 说 明 书 CN 103631190 A 5 4/5 页 6 0048 进一步地， 所述图像采集控制器包括图像采集通信模块， 所述图像采集控制器通 过图。

21、像采集通信模块连接至 EtherCAT 网段中。 0049 本实施例具体为 ： 0050 本实施例提供了一种基于 EtherCAT 网络的适合大范围、 远距离应用的能够完成 信号与图像采集、 远程控制任务的监控系统， 如图 1 所示， 包括 ： 0051 包括支持 EtherCAT 协议的主站 1 和多个从站 2， 所述主站 1 和多个从站 2 相串联 组成一个网段， 所述主站 1 位于该网段的一端 ； 0052 伺服控制模块， 支持 EtherCAT 协议的直流伺服驱动器及相应直流伺服电机 3 ； 0053 传感信号模块， 配有支持 EtherCAT 协议的传感控制器的传感设备 4， 如距离。

22、传感 器、 光电开关等 ； 0054 图像采集模块， 用于图像采集的网络摄像头以及相应支持 EtherCAT 协议的图像 采集控制器 5 ； 0055 其中， 各从站 2 对应伺服控制模块 3 或传感信号模块 4 或图像采集模块 5， 相串联 组成一个子网段。 0056 EtherCAT 以标准以太网技术为基础， 在 MAC( 媒体访问层 ) 增加了一个确定性调 度的软件层， 该软件层实现了通信周期内的 EtherCAT 数据帧的传输。EtherCAT 数据帧采 用标准的 IEEE802.3 以太网帧， 在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型 Ox88A4， 采用这种方式可以使控制命。

23、令、 状态信息等数据直接写入 EtherCAT 数据帧内， 并 且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一个网络中并行。一个 EtherCAT 数据帧中可以包 含若干个 EtherCAT 子报文。 0057 当EtherCAT数据帧通过每一个从站设备时， 从站2读取对于该设备十分重要的数 据， 并可在 EtherCAT 数据帧经过时插入子报文， 在读取到相关的数据之后从站 2 会识别出 对应的命令， 并进行处理 ； 网段中的最后一个从站 2 将经过充分处理的报文返回， 这样该报 文就作为一个响应报文由第一个从站 2 返回到主站 1。 0058 当 EtherCAT 数据帧通过每一个底层端子设备时， 。

24、伺服驱动器 3 或传感器控制器 4 或图像采集控制器 5 读取对于该设备重要的数据或插入需要传输的子报文。伺服驱动器 3 或传感器控制器 4 或图像采集控制器 5 在读取到相关的数据之后会识别出对应的命令， 并 进行处理 ； 子网段中的最后一个伺服驱动器 3 或传感器控制器 4 或图像采集控制器 5 将经 过充分处理的报文返回， 该报文作为一个响应报文由第一个底层端子设备返回到对应的从 站 2。 0059 EtherCAT 数据帧被传递过去的时候仅被延迟几个位时间， 且该过程在从站 2、 伺 服驱动器3、 传感器控制器4、 图像采集控制器5中都是通过硬件实现的， 因此与协议堆栈软 件的实时运行。

25、系统或处理器性能无关。 0060 所述主站 1 上安装有支持 EtherCAT 协议的主站以太网卡， 所述主站 1 通过所述主 站以太网卡与其中一个从站 2 相串联， 再与多个从站 2 相串联后组成一个网段。 0061 如图 2 所示， 所述每一个从站 2 均包括 ： 控制底板、 安装于所述控制底板上的处理 器及外围电路、 与所述处理器相连接且支持 EtherCAT 协议的从站以太网卡和通信模块。其 中， 所述通信模块使所述从站向上通过 EtherCAT 网络作为 “从站” 与上述主站相连接， 所述 从站以太网卡使所述从站向下通过 EtherCAT 网络作为 “主站” 与伺服驱动器或传感设备或。

26、 说 明 书 CN 103631190 A 6 5/5 页 7 图像采集设备相串联组成一个子网段。参见图 2， 从站 2 采用 ARM Cortex 系列芯片 21 作为 核心处理器 ； 通信模块使用 ESC 控制芯片 (ET1100)22， 使设备以 “从站模式” 在与主站相串 联的网段中运行， 从而直接在硬件中处理 EtherCAT 协议 ； 以太网卡使用标准以太网控制芯 片 (Realtek RTL8102)23， 使设备以 “主站模式” 在与伺服驱动器 3、 传感器控制器 4、 图像采 集控制器 5 相串联的子网段中运行。 0062 所述直流伺服驱动器 3、 传感控制器 4、 图像采集。

27、控制器 5 上都设置有支持 EtherCAT 协议的通信模块， 可以直接连接到 EtherCAT 网段中。如图 3 所示， 所述伺服控制 器、 传感控制器以及图像采集控制器均可以采用TMS320F28335芯片41作为处理器， 通信部 分使用 ESC 控制芯片 (ET1100)42， 从而直接在硬件中处理 EtherCAT 协议。传感信号通过 A/D 或 IO 端口 43 进而由处理器 41 进行处理成 EtherCAT 信息 ； 图像信息则经过视频通道 53 而由处理器 41 进行压缩处理。 0063 本实施例提供的基于 EtherCAT 网络的监控系统， 适合于大范围、 远距离情况下的 信号与图像采集、 远程控制操作等任务， 可应用于的如楼宇自动化控制、 遥操作机器人等场 合。 本发明利用同一通信媒体实现所有部件之间的通信， 降低了网络的复杂度， 同时具有网 络拓扑结构灵活、 系统配置简单、 通信速率高、 实时性好等优势。 0064 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是， 本发明并不局限于上述 特定实施方式， 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影 响本发明的实质内容。 说 明 书 CN 103631190 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103631190 A 8 。