0 引言

    脈沖發(fā)生器是電力電子、工業(yè)控制、機器人等領域廣泛應用的一種儀器設備^[1-3]。脈沖發(fā)生器通常采用模擬電路、微處理器等進行設計，文獻[2]基于運放、三極管等分立模擬器件設計了一種PWM隔離調(diào)光電路及LED調(diào)光驅(qū)動電源，文獻[4]提出了基于HCS12單片機增強型定時器復用I/O輸出頻率和占空比可控PWM信號的開發(fā)方案，解決了由于硬件限制導致PWM輸出通道不足的問題。文獻[5]基于嵌入式SoC設計了一種通用死區(qū)可配置的PWM信號發(fā)生器，實現(xiàn)了靈活的控制策略配置。采用分立模擬器件搭建的電路產(chǎn)生PWM信號，元器件較多，電路較為復雜，調(diào)試困難。微處理器或SoC等產(chǎn)生PWM信號，當信號通道較少時微處理器能滿足要求，當PWM信號多于4路時，由于處理器指令順序執(zhí)行，會產(chǎn)生較大延遲，從而使PWM信號波形不穩(wěn)^[3]。因此，可采用FPGA進行PWM信號發(fā)生器的設計，F(xiàn)PGA指令是并行執(zhí)行，信號通道的增多不會影響脈沖信號的速度和穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)高精度的控制^[6]，文獻[3]和[7]利用FPGA設計了能同時輸出多路PWM信號的設備，分別應用在不同的場合。上述脈沖信號發(fā)生器均只能獨立單機運行，不能通過總線網(wǎng)絡連接到現(xiàn)場控制系統(tǒng)實現(xiàn)靈活快速的配置，因此文獻[8]設計了一種基于CAN的脈沖信號輸出方法及裝置，通過CAN報文更新PWM輸出頻率和占空比，但是CAN總線通信速率通信較慢，難以應用在高速控制需求的場合。

    隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進和開展，網(wǎng)絡化、智能化、數(shù)字化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)逐漸廣泛應用^[9]，對基礎控制設備提出了新的應用要求。傳統(tǒng)的單機脈沖發(fā)生器或基于總線的脈沖發(fā)生器不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高速通信和快速響應需求，針對該問題，本文設計了一種基于高速實時工業(yè)以太網(wǎng)的脈沖信號發(fā)生器，采用EtherCAT實現(xiàn)設備與外部控制系統(tǒng)的通信，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和穩(wěn)定的控制。

1 系統(tǒng)設計

    脈沖發(fā)生器用于為工控現(xiàn)場側(cè)設備提供脈沖控制信號，其結(jié)構框圖如圖1所示。由于工控設備對實時性要求較高，本文選用實時以太網(wǎng)EtherCAT進行通信，EtherCAT是以以太網(wǎng)為基礎的開放架構的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，具有實時性強、拓撲靈活、同步精度高、線纜冗余、具備功能安全協(xié)議功能等特點。脈沖發(fā)生器包括微處理器最小系統(tǒng)、EtherCAT通信控制器、EtherCAT通信接口、光耦合器（以下簡稱光耦）、固態(tài)功率繼電器以及現(xiàn)場信號接口。其中，EtherCAT通信控制器通過EtherCAT通信接口接收指令信號，并對指令信號進行解析，生成解析信號；微處理器根據(jù)解析信號配置脈沖信號的輸出模式并輸出對應模式下的脈沖信號，脈沖信號經(jīng)光耦進行電氣隔離后輸出到固態(tài)功率繼電器；固態(tài)功率繼電器用于提高脈沖信號的帶負載能力，輸出的脈沖信號經(jīng)現(xiàn)場信號接口輸出到現(xiàn)場側(cè)設備。

    脈沖發(fā)生器采用EtherCAT總線通過EtherCAT通信控制器與主機通信，EtherCAT通信控制器用于實現(xiàn)EtherCAT通信的介質(zhì)訪問控制功能，負責處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)EtherCAT主站與從站應用的數(shù)據(jù)交換。微處理器用于實現(xiàn)脈沖輸出卡的邏輯計算、協(xié)調(diào)控制等功能。

    脈沖發(fā)生器的EtherCAT通信控制器與通信接口包括兩種方式：MII接口和EBUS接口。當采用MII接口時，EtherCAT通信控制器通過MII接口連接PHY芯片，并通過RJ45接口與外部進行通信。當采用EBUS接口時，EtherCAT通信控制器直接采用EBUS總線與外部通信。

    固態(tài)功率繼電器可實現(xiàn)輸出電路的保護功能，包括過熱保護、短路保護等，并輸出診斷信號給微處理器，診斷信號經(jīng)光耦進行電氣隔離后輸入微處理器，從而實現(xiàn)輸出電路的診斷功能，提高脈沖發(fā)生器的工作可靠性。固態(tài)功率繼電器輸出的脈沖信號經(jīng)過輸出防護電路后通過現(xiàn)場信號接口發(fā)送至現(xiàn)場側(cè)設備。

2 硬件設計

2.1 CPU最小系統(tǒng)

    基于設備自主可控的因素，脈沖信號發(fā)生器選用龍芯處理器LS1C0300A，LS1C是基于GS232處理器核，提供豐富的外設接口。采用LS1C的最小系統(tǒng)電路框圖如圖2所示，包括電源、調(diào)試口JTAG、串口UART、存儲器SDRAM、Nand Flash、SPI Flash、串行通信SPI接口、復位電路以及通用的GPIO接口等部分。其中SPI接口連接至EtherCAT從站控制器ET1100；GPIO連接至脈沖輸出電路和診斷電路，并控制報警電路，當出現(xiàn)故障時，實現(xiàn)報警功能。LS1C內(nèi)部集成RTC功能，因此在RTC_Clk管腳連接外部時鐘源32.768 kHz晶振，并提供RTC電池，保持掉電狀況下的精確計時。SDRAM通過并行總線連接至LS1C，用于存儲處理器運行過程中的數(shù)據(jù)和加載的程序等。LS1C具備多種啟動方式，配置對應管腳選擇啟動方式，本設計中Nand_D4與Nand_D5引腳分別連接至高電平和低電平，設置LS1C從SPI Flash啟動，加載PMON引導系統(tǒng)。

2.2 EtherCAT通信電路

    EtherCAT通信電路實現(xiàn)EtherCAT信號的收發(fā)功能，如圖3所示，包括ET1100、PHY、EEPROM、時鐘、網(wǎng)絡變壓器、RJ45接口等部分。ET1100是實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并為從站控制裝置提供數(shù)據(jù)接口。ET1100通過PHY_0接收EtherCAT報文，從報文中提取發(fā)送給自己的命令數(shù)據(jù)并將其存儲在內(nèi)部存儲區(qū)，并將本地數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲區(qū)寫到相應的子報文中，實現(xiàn)外部命令與從站本地數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換，然后ET1100通過PHY_1將EtherCAT報文發(fā)送給下一設備。

    EEPROM存儲器與EtherCAT通信控制器通過IIC總線連接。ET1100通過IIC接口與EEPROM連接通信，EEPROM存儲ET1100的設備配置信息。ET1100連接兩個MII接口，并輸出時鐘信號PHY_Clk、復位信號Reset給PHY器件。由于ET1100為降低處理和轉(zhuǎn)發(fā)延遲，對MII接口進行了優(yōu)化設計，對PHY芯片的選擇提出了約束條件^[10]，本設計中選用MICREL公司的KSZ8051MLL。ET1100的配置引腳與MII引腳復用，為了清晰說明本電路的工作模式，在圖3中單獨展示關鍵配置引腳，分別將P_MODE[0]和P_MODE[1]引腳連接至地，選擇使用ET1100的端口0和端口1，并將P_CONF(0)和P_CONF(1)引腳連接至地，設置端口0和端口1使用MII接口，實現(xiàn)與PHY芯片的通信。

2.3 輸出驅(qū)動電路

    脈沖輸出電路包括光耦、驅(qū)動電路和保護電路，如圖4所示。光耦實現(xiàn)現(xiàn)場側(cè)設備與內(nèi)部電路的電氣隔離。驅(qū)動電路實現(xiàn)脈沖信號的功率放大功能，選用ST公司的小封裝高效能工業(yè)智能固態(tài)功率繼電器VNI2140J，可實現(xiàn)每路的輸出電流1 A，滿足工業(yè)使用要求。VNI2140J內(nèi)置負載斷路保護功能，為每路輸出提供獨立的主動限流功能，防止負載失效導致的系統(tǒng)電源電壓降低，提供地線失效保護和診斷功能，當負載過大或出現(xiàn)短路時，功率繼電器輸出診斷信號，并通過光耦反饋到CPU芯片實現(xiàn)故障診斷功能。

3 軟件設計

    脈沖信號發(fā)生器的工作流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進行初始化，包括UART、SPI、通用定時器、GPIO、ET1100、Flash、SDRAM等外設。然后通過ET1100接收設備的配置參數(shù)，包括工作模式、時基、周期等參數(shù)；處理器根據(jù)配置參數(shù)對設備進行設置，接收EtherCAT主站的控制數(shù)據(jù)，包括占空比、周期、延遲等，對其進行解析、計算，并輸出對應的脈沖信號。在輸出信號的同時，設備采集故障信息，如果有故障，設備進行報警處理，并將報警數(shù)據(jù)寫入寄存器和EtherCAT報文。

    主站設置的參數(shù)包括工作模式、占空比、時基、延時、周期等參數(shù)。占空比說明輸出的脈沖信號的高電平持續(xù)時間占脈沖周期的比例；周期說明輸出脈沖信號的頻率；時基說明脈沖信號的最小時間分辨率；延時說明在信號使能后脈沖信號經(jīng)過延遲時間后再輸出。

    工作模式確定設備的脈沖信號輸出模式，包括4種工作模式：脈沖輸出模式、脈寬調(diào)制(PWM)模式、脈沖串模式以及延時模式。脈沖輸出模式為脈沖發(fā)生器輸出一個指定幅值和高電平持續(xù)時間的脈沖，其余時間均為低電平。脈寬調(diào)制模式為脈沖發(fā)生器持續(xù)輸出脈沖信號，其中脈沖幅值和周期固定，脈沖的高電平持續(xù)時間根據(jù)接收到的EtherCAT信號可自動調(diào)節(jié)。脈沖串模式為脈沖發(fā)生器輸出指定個數(shù)的脈沖，其中脈沖幅值、周期和高電平持續(xù)時間均在收到的EtherCAT信號中指定。延時模式為當脈沖發(fā)生器接收的數(shù)字量輸入信號變化時（包括上升沿或下降沿），延時指定的時間再輸出相應的脈沖信號，其中數(shù)字量輸入信號變化方式、延時時間、輸出的脈沖信號類型通過脈沖發(fā)生器接收到的EtherCAT報文數(shù)據(jù)決定。通過上述4種工作模式，脈沖發(fā)生器能夠滿足不同現(xiàn)場設備的工作需求。

4 網(wǎng)絡拓撲

    脈沖信號發(fā)生器具有兩個EtherCAT通信接口，通過EtherCAT通信接口可將多個脈沖發(fā)生器組網(wǎng)構成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)脈沖信號輸出通道的擴展功能，其中每個脈沖發(fā)生器為一個EtherCAT從站。組網(wǎng)方式包括菊花鏈形和環(huán)形，分別如圖6和圖7所示。

    多個脈沖發(fā)生器組成環(huán)形網(wǎng)絡時，網(wǎng)絡中任何一個設備發(fā)生故障或者鏈路斷開時，EtherCAT主站可通過環(huán)網(wǎng)的兩端分別訪問其余脈沖信號發(fā)生器，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

5 試驗

    本文基于實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT設計了脈沖信號發(fā)生器，具備4種工作模式，分別對其進行試驗，結(jié)果如圖8所示，其中，圖(a)展示脈沖輸出模式試驗結(jié)果，輸出1 s高電平信號，其他時間均為低電平；圖(b)展示脈寬調(diào)制（PWM）模式試驗結(jié)果，輸出周期為1 s，占空比60%的脈沖信號；圖(c)展示脈沖串模式試驗結(jié)果，輸出3個脈沖，周期為1 s，占空比為60%；圖(d)展示延時模式試驗結(jié)果，通道2采集高電平信號，通道1采集脈沖信號，可看出，在高電平1 s后，脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為1 s、占空比為50%的3個脈沖信號。試驗結(jié)果表明，所設計的脈沖信號發(fā)生器能夠根據(jù)主站的配置產(chǎn)生4種模式的脈沖信號。

6 結(jié)論

    本文針對傳統(tǒng)脈沖信號發(fā)生器通信能力弱的問題，基于實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和龍芯LS1C處理器設計了一種具備高速通信能力的脈沖信號發(fā)生器。設計的脈沖發(fā)生器具備4種工作模式，可應用于機器人運動控制、車輛控制、電力電子以及工業(yè)控制等多種應用場合。

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作者信息:

林  浩，韓慶敏，宋  棟，陳  海

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京100083）