專利名稱：一種EtherCAT以太網網關及其工作方法
技術領域：
本發明涉及一種不同網絡總線之間的數據轉換裝置，特別是一種基于NiosII的 EtherCAT以太網網關及其工作方法。
背景技術：
隨著工業以太網應用的日益廣泛，用于辦公及信息自動化的以太網開始向下延 伸，直接應用于現場自動化控制。在機車控制網絡領域，隨著列車自動化和舒適度的提高，包括列車運行控制、旅客 信息系統、多媒體等車載數據量急劇增加，傳統CAN、DeviceNet, PROFIBUS、WorldFIP等現 場總線)逐漸顯現弊端，如傳輸速率低、通用性差等。目前，國外龐巴迪等交通設備制造商 已經將以太網成功運用于動車組列車網絡控制系統。IEC標準IEC 61375-2-5Ed. 1. O和IEC 61375-3-4Ed. 1. O也已將以太網列為可選的標準列車通訊網絡。可見，工業以太網在機車控 制領域將具有廣泛的應用前景。EtherCAT 是控制自動化以太網技術 Ethernet for Control Automation Technology的縮寫，是一種適用于工業自動化的實時、高速以太網通訊協議。它有速度快、 低成本、高度開放、可融入任何標準以太網設備等特點。它已經作為一種標準化的技術，被 納入國際標準化的體系，IEC把它作為IEC/PAS 62407規范，ISO也將它納入ISO 15745。Powerlink網絡與EtherCAT網絡一樣，也是廣泛應用的實時工業以太網解決方 案，在列車控制網絡系統有著潛在的應用前景。但二者在應用協議上有所區別，在EtherCAT 和Powerlink兩種網絡共存的情況下，不能直接進行互聯通訊，需要設計一種網關來解決 這個問題。
發明內容
為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種EtherCAT以太網網關及其 工作方法，從而解決了 EtherCAT專用通訊網絡與廣泛使用的工業控制網絡Power 1 ink現場 總線間的互聯問題。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下一種EtherCAT以太網網關，包括EtherCAT總線協議控制器、EtherCAT總線收發 器、Nios II中央控制器、Powerlink總線協議控制器、Powerlink總線收發器，所述的Nios II中央控制器分別與EtherCAT總線協議控制器和Powerlink總線協議控制器雙向連接， 所述的EtherCAT總線協議控制器經EtherCAT總線收發器與EtherCAT總線雙向連接，所述 的Powerlink總線協議控制器經Powerlink總線收發器與Powerlink總線雙向連接；所述 的Nios II中央控制器包括一個32位的RISC處理器的Nios II處理器內核。一種EtherCAT以太網網關的工作方法，包括EtherCAT總線數據轉成Powerlink 總線數據方法和Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據方法，具體包括以下步驟A、EtherCAT總線數據轉換成Powerlink總線數據
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AUEtherCAT總線收發器接收EtherCAT總線的數據并發送到EtherCAT總線協議 控制器；A2, EtherCAT總線協議控制器根據EtherCAT總線通訊協議規定，接收EtherCAT數 據幀；A3,Nios II中央控制器讀取EtherCAT總線協議控制器的EtherCAT數據，進行邏 輯運算處理后，生成Powerlink數據，寫入Powerlink總線協議控制器；A4、PoWerlink總線協議控制器根據Powerlink總線通訊協議規定，讀取NiosII中 央控制器寫入Powerlink總線協議控制器中的數據，經過編碼生成Powerlink數據幀；A5、Powerlink總線收發器接收Powerlink總線協議控制器的Powerlink數據幀 并發送到Powerlink總線；B、Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據Bi、Powerlink總線收發器接收Powerlink總線的數據并發送到Powerlink總線 協議控制器；B2、Powerlink總線協議控制器根據Power 1 ink總線通訊協議規定，接收 Powerlink數據中貞；B3、Nios II中央控制器讀取Powerlink總線協議控制器的Powerlink數據，進行 邏輯運算處理后，生成EtherCAT數據，寫入EtherCAT總線協議控制器；B4、EtherCAT總線協議控制器根據EtherCAT總線通訊協議規定，讀取NiosII中 央控制器寫入EtherCAT總線協議控制器中的數據，經過編碼生成EtherCAT數據幀；B5、EtherCAT總線收發器，接收EtherCAT總線協議控制器的EtherCAT數據幀并 發送到EtherCAT總線。本發明所述的Nios II中央控制器，負責EtherCAT總線協議控制器和Powerlink 協議控制器的數據交換，具有圖形化編程接口，用戶使用符合IEC61131-3的語言編寫控制 邏輯。與現有技術相比，本發明通過Nios II中央控制器與Powerlink總線協議控制 器和Powerlink總線收發器的結合，實現了 EtherCAT總線協議控制器和Powerlink協議 控制器的數據交換，解決了機車專用的EtherCAT控制網絡和廣泛使用的工業控制網絡 Powerlink現場總線的互聯問題，具有設計新穎、可靠、靈活等特點，在軌道車輛以及農林機 械等行業以及相關領域具有廣泛的應用前景。
本發明共有2張附圖，其中圖1是一種EtherCAT以太網網關的結構框圖。圖2是Nios II中央控制器及其外圍接口電路結構框圖。圖中l、EtherCAT總線協議控制器，2、EtherCAT總線收發器，3、Nios II中央控制 器，4、Powerlink總線協議控制器，5、Powerlink總線收發器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。如圖1所示，一種基于Nios II的
4EtherCAT網關，包括EtherCAT總線協議控制器l、EtherCAT總線收發器2、Nios II中央控 制器3、Powerlink總線協議控制器4、Powerlink總線收發器5，所述的Nios II中央控制 器3分別與EtherCAT總線協議控制器1和Powerlink總線協議控制器4雙向連接，所述的 EtherCAT總線協議控制器1經EtherCAT總線收發器2與EtherCAT總線雙向連接，所述的 Powerlink總線協議控制器4經Powerlink總線收發器5與Powerlink總線雙向連接。一種基于Nios II的EtherCAT網關的工作方法，包括EtherCAT總線數據轉換成 Powerlink總線數據方法和Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據方法，具體包括 以下步驟A、EtherCAT總線數據轉換成Powerlink總線數據AUEtherCAT總線收發器2接收EtherCAT總線的數據并發送到EtherCAT總線協 議控制器1 ；A2,EtherCAT總線協議控制器1根據EtherCAT總線通訊協議規定，接收EtherCAT 數據幀；A3,Nios II中央控制器3讀取EtherCAT總線協議控制器1的EtherCAT數據，進 行邏輯運算處理后，生成Powerlink數據，寫入Powerlink總線協議控制器4 ；A4、Powerlink總線協議控制器4根據Powerlink總線通訊協議規定，讀取Nios II中央控制器3寫入Powerlink總線協議控制器4中的數據，經過編碼生成Powerlink數 據幀；A5、Powerlink總線收發器5，接收Powerlink總線協議控制器4的Powerlink數 據幀并發送到Powerlink總線；B、Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據Bi、Powerlink總線收發器5接收Powerlink總線的數據并發送到Powerlink總 線協議控制器4 ；B2、Powerlink總線協議控制器4根據Power 1 ink總線通訊協議規定，接收 Powerlink數據中貞；B3、Nios II中央控制器3讀取Powerlink總線協議控制器4的Powerlink數據， 進行邏輯運算處理后，生成EtherCAT數據，寫入EtherCAT總線協議控制器1 ；B4、EtherCAT總線協議控制器1根據EtherCAT總線通訊協議規定，讀取Nios II 中央控制器3寫入EtherCAT總線協議控制器1中的數據，經過編碼生成EtherCAT數據幀；B5,EtherCAT總線收發器2，接收EtherCAT總線協議控制器1的EtherCAT數據幀 并發送到EtherCAT總線。本發明所述的Nios II中央控制器3，負責EtherCAT總線協議控制器1和 Powerlink總線協議控制器4的數據交換，具有圖形化編程接口，用戶使用符合IEC61131-3 的語言編寫控制邏輯。下面結合圖1-2對本發明的電路及其工作原理作進一步說明本發明的電路包括 EtherCAT總線控制電路、Powerlink總線控制電路、Nios II中央控制器3及其外圍接口電 路，具體電路分類如下如圖1所示，EtherCAT總線控制電路是EtherCAT總線和Nios II中央控制器3接 口的主要控制電路，主要包括EtherCAT總線協議控制器l、EtherCAT總線收發器2和Nios
5II中央控制器3接口電路。Nios II中央控制器3通過標準的總線讀寫來控制EtherCAT 總線協議控制器1發送或者接受EtherCAT總線的數據，EtherCAT總線協議控制器1負責 總線的監視和管理、發送或接收數據、編碼或解碼數據幀。EtherCAT總線收發器2負責將收 發的數據轉換成符合EtherCAT總線物理層規定的電信號，同時對EtherCAT的總線控制電 路進行隔離和保護。如圖1所示，Powerlink總線控制電路是Powerlink總線和Nios II中央控制器 3接口的主要控制電路，主要包括Powerlink總線協議控制器4、Powerlink總線收發器5 和Nios II中央控制器3接口電路。Nios II中央控制器3通過標準的總線讀寫來控制 Powerlink總線協議控制器4發送或者接受Powerlink總線的數據，Powerlink總線協議控 制器4負責總線的監視和管理、發送或接收數據、編碼或解碼數據幀。Powerlink總線收發 器5負責將收發的數據轉換成符合Powerlink總線物理層規定的電信號，同時對Powerlink 的總線控制電路進行隔離和保護。如圖2所示，Nios II中央控制器3及其外圍接口電路實現了網關的中央控制功 能，主要包括Nios II中央控制器3、代碼存儲器、配置存儲器、程序存儲器。Nios II中央控 制器3是Altera推出的第二代軟核嵌入式處理器解決方案，Nios II處理器內核是一個32 位的RISC處理器，它具有共享的通用指令集結構，專門針對Altera的主流FPGA系列進行 了優化，主要負責運行PLC虛擬機和用戶的應用程序。代碼存儲器由非易失性閃存(FLASH) 組成，永久存儲網關的控制代碼。配置存儲器由非易失性閃存(FLASH)組成，永久存儲用戶 的應用數據和總線配置數據。程序存儲器由同步動態隨機訪問存儲器(SDRAM)組成，具有 速度快、容量大的優點，用于代碼運行時的內存分配。用戶可以通過圖形化編程工具進行應 用程序的編寫和編譯，生成二進制代碼文件后通過網絡接口下載至配置存儲器中，運行于 Nios II中央控制器3的PLC虛擬機將自動加載并執行用戶應用程序，對總線數據進行邏輯 處理。
權利要求
一種EtherCAT以太網網關，包括EtherCAT總線協議控制器(1)、EtherCAT總線收發器(2)、Nios II中央控制器(3)，其特征在于還包括Powerlink總線協議控制器(4)、Powerlink總線收發器(5)，所述的Nios II中央控制器(3)分別與EtherCAT總線協議控制器(1)和Powerlink總線協議控制器(4)雙向連接，所述的EtherCAT總線協議控制器(1)經EtherCAT總線收發器(2)與EtherCAT總線雙向連接，所述的Powerlink總線協議控制器(4)經Powerlink總線收發器(5)與Powerlink總線雙向連接；所述的Nios II中央控制器(3)包括一個32位的RISC處理器的Nios II處理器內核。
2.—種EtherCAT以太網網關的工作方法，其特征在于包括EtherCAT總線數據轉成 Powerlink總線數據方法和Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據方法，具體包括 以下步驟A、EtherCAT總線數據轉換成Powerlink總線數據AUEtherCAT總線收發器(2)接收EtherCAT總線的數據并發送到EtherCAT總線協議 控制器⑴；A2,EtherCAT總線協議控制器(1)根據EtherCAT總線通訊協議規定，接收EtherCAT數 據幀；A3,Nios II中央控制器(3)讀取EtherCAT總線協議控制器(1)的EtherCAT數據，進 行邏輯運算處理后，生成Powerlink數據，寫入Powerlink總線協議控制器(4)；A4、Powerlink總線協議控制器⑷根據Powerlink總線通訊協議規定，讀取Nios II 中央控制器⑶寫入Powerlink總線協議控制器(4)中的數據，經過編碼生成Powerlink 數據幀；A5、Powerlink總線收發器(5)接收Powerlink總線協議控制器(4)的Powerlink數 據幀并發送到Powerlink總線；B、Powerlink總線數據轉換成EtherCAT總線數據Bi、Powerlink總線收發器(5)接收Powerlink總線的數據并發送到Powerlink總線 協議控制器(4)；B2、Powerlink總線協議控制器⑷根據Powerlink總線通訊協議規定，接收 Powerlink數據中貞；B3、Nios II中央控制器(3)讀取Powerlink總線協議控制器(4)的Powerlink數據， 進行邏輯運算處理后，生成EtherCAT數據，寫入EtherCAT總線協議控制器(1)；B4、EtherCAT總線協議控制器(1)根據EtherCAT總線通訊協議規定，讀取Nios II中 央控制器(3)寫入EtherCAT總線協議控制器(1)中的數據，經過編碼生成EtherCAT數據 幀；B5,EtherCAT總線收發器(2)，接收EtherCAT總線協議控制器(1)的EtherCAT數據幀 并發送到EtherCAT總線。
3.根據權利要求1所述的一種EtherCAT以太網網關的工作方法，其特征在于所述的 Nios II中央控制器(3)，負責EtherCAT總線協議控制器(1)和Powerlink協議控制器的 數據交換，具有圖形化編程接口，用戶使用符合IEC61131-3的語言編寫控制邏輯。
全文摘要
本發明公開了一種EtherCAT網關及其工作方法，所述的網關包括EtherCAT總線協議控制器、EtherCAT總線收發器、Nios II中央控制器、Powerlink總線協議控制器、Powerlink總線收發器，Nios II中央控制器分別與EtherCAT總線協議控制器和Powerlink總線協議控制器雙向連接，Powerlink總線協議控制器與Powerlink總線收發器雙向連接。本發明通過Nios II中央控制器實現了EtherCAT總線協議控制器和Powerlink協議控制器的數據交換，解決了列車通訊網絡中的EtherCAT與Powerlink的互聯問題。
文檔編號H04L12/66GK101917321SQ201010235940
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者任寶兵, 寧壽輝, 李礫工, 杜振環, 王曉鵬 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發中心