基于EtherCAT从站的IO扩展模块设计
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2020-10-16
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基于基于EtherCAT从站的从站的IO扩展模块设计扩展模块设计
针对目前EtherCAT通信网络中从站节点的数字IO应用需求问题，基于微处理器和ESC一体化的嵌入式EtherCAT
从站，提出易于实现的工业数字IO扩展方案，并详细阐述了相关软件和硬件的设计过程。实验结果表明，从站
与数字IO扩展模块结合的系统能够实现多路数字信号的实时采集和输出，达到了预期的设计要求。本设计对基
于EtherCAT从站的应用开发也有一定的参考价值。
0 引言引言
在多数工业应用场景中，都需频繁对各种现场开关量信号进行采集和输出。EtherCAT作为一种性能优越的现场总线，具有
实时性突出、总线利用率高、传输速度快等特点，适合实现可靠的数字IO通信。基于EtherCAT现场总线的数字IO控制具有广
泛的应用价值。随着EtherCAT总线技术的推广，工控领域中EtherCAT从站节点关于数字IO应用的需求逐步提升，而恶劣的工
业现场环境也要求从站节点IO采集和输出方面具备足够的可靠性。
本文基于一轻量级的EtherCAT从站，设计了经济且高效的工业数字IO扩展模块，与从站构成的系统具有稳定性强、集成度
高和安全性好等特点，足以满足工业数字IO的应用需求。
1 总体方案设计总体方案设计
1.1 EtherCAT从站方案设计从站方案设计
综合考虑EtherCAT从站实现的技术难度，本系统采用了TI的AM3359 ICE开发板来实现从站的基本功能。AM3359芯片内部
带有PRU-ICSS可编程工业通信子系统，可通过TI提供的EtherCAT固件代码使PRU-ICSS实现EtherCAT从站控制器的基本功
能。相比于使用ET1100等独立式芯片实现从站控制器的从站方案
[1]
，AM3359独特的ARM+PRU核的架构可以使微处理器与
从站控制器一体化，进而使从站硬件集成度更高，开发周期更短
[2]
。
从站软件采用分层设计方式，分为驱动层、协议层和应用层，基于从站应用层软件实现IO扩展应用为本文研究的重点。
1.2 IO扩展模块方案设计扩展模块方案设计
为满足系统应用需求，基于AM3359从站开发板设计了3个IO扩展模块，每个扩展模块可控制16路的数字量输出和16路的数
字量输入。各扩展模块均由一主控CPU控制，EtherCAT从站主控芯片AM3359与多个扩展模块主控CPU之间通过SPI总线进行
通信，其中扩展模块的主控CPU作为SPI从机，而AM3359芯片作为SPI主机，利用3个GPIO脚作为片选脚，与3个扩展模块的
处理器芯片进行SPI多机通信。设计框架如图1所示。
2 IO模块硬件设计模块硬件设计
IO模块的硬件设计按照功能划分为微处理器单元、DC/DC电源模块、数字量输出单元、数字量输入单元以及JTAG接口单元
等。IO模块硬件设计总体框图如图2所示。
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