基于塑料光纖的EtherCat網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

黃宇飛+++蒙靜嬋

摘 要：文章提出一種基于塑料光纖的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在惡劣的、嘈雜的工作環(huán)境中可以提供穩(wěn)定、可靠的通信線路，能夠高速地傳輸控制信號(hào)和指令，采用塑料光纖可以避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導(dǎo)致通信傳輸中斷的危險(xiǎn)，本傳輸系統(tǒng)將利用其自帶的數(shù)據(jù)傳輸物理光纖接口通過塑料光纖連接主從設(shè)備，通過工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制管理，這樣的光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不僅適合于低成本的實(shí)時(shí)控制監(jiān)控設(shè)備的連接，也適合于實(shí)時(shí)高速的大數(shù)據(jù)量的設(shè)備進(jìn)行連接；由于本光纖傳輸系統(tǒng)是通過工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)完美兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3u的特點(diǎn)，也對(duì)未來為設(shè)備更新硬件性能和日常維護(hù)減少了維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；光纖傳輸；塑料光纖；工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT網(wǎng)絡(luò)

引言

本傳輸系統(tǒng)中采用的是EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，但EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速率可達(dá)到100Mb/s，為了解決電磁干擾對(duì)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的影響，本項(xiàng)目提出一種采用塑料光纖進(jìn)行傳輸?shù)膫鬏斀橘|(zhì)，由于傳統(tǒng)的石英光纖非常容易碎，而且安裝難度大，銜接時(shí)需要配置專門的設(shè)備，所以石英光線不適合于進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)通訊使用且成本費(fèi)用太高。本文采用的塑料光纖具有質(zhì)輕、柔軟，更耐破壞（振動(dòng)和彎曲）以及有著優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、耐用性和占用空間小等特點(diǎn)，非常適合于在惡劣、不穩(wěn)定的工作現(xiàn)場(chǎng)使用。另外，這種塑料光纖的切割、布線、粘結(jié)、拋光和其他加工都很容易。由于有較大直徑，塑料光纖安裝和與器件、光源、探測(cè)器等的連接不需要特別的工具，其操作簡(jiǎn)單方便且低成本，同時(shí)，塑料光纖的連接對(duì)端面藏留的灰塵和碎屑不敏感。塑料光纖收發(fā)模塊選用650nm波長(zhǎng)的LED紅光光源，可見光譜操作使得人眼安全，快速排除故障，這樣可以保證主設(shè)備與各個(gè)分散的從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

隨著塑料光纖技術(shù)日益成熟，價(jià)格已經(jīng)和普通以太網(wǎng)設(shè)備相差不遠(yuǎn)，同時(shí)塑料光纖的使用壽命較長(zhǎng)，兼容性很高，在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展中，塑料光纖都是通用的，POF光纖具有極高的安全性和保密性，難以被偷聽；光纖接入方案面臨進(jìn)一步降低成本的壓力，這恰好給塑料光纖的普及提供了非常好的契機(jī)，塑料光纖將成為普遍和大量應(yīng)用的光纖。

1 工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT塑料光纖傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)光纖傳輸系統(tǒng)整體思路

采用光纖傳輸在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不是什么新的技術(shù)，德國(guó)倍福公司曾推出一款EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)多模玻璃光纖（也叫石英光纖）或以太網(wǎng)電纜/EtherCAT電纜（最低CAT5，屏蔽型）進(jìn)行連接的EtherCAT耦合器EK1501-0100，石英光纖在通訊行業(yè)遍及運(yùn)用，但由于石英光纖在光纖耦合互接中精度需求高及光纖配置器材貴重等原因，大大提高了石英光纖的銜接本錢，約束了其在接點(diǎn)多的短距離傳輸范疇的運(yùn)用。

本文基于塑料光纖的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，解決了光纖在布局實(shí)施困難，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，銜接成本和銜接時(shí)產(chǎn)生不必要的費(fèi)用；塑料光纖（POF）與石英光纖對(duì)比，具有以下長(zhǎng)處：

疾速設(shè)備：POF能夠很簡(jiǎn)略地穿過狹小的穿線管，布線所占的空間??；

簡(jiǎn)略銜接：POF在加工上能夠很簡(jiǎn)略地剪斷和銜接，不必拋光、粘結(jié)也能達(dá)到極好的銜接作用，也不必為了銜接而選用專用的設(shè)備；

低價(jià)成本：由于具有以上2個(gè)長(zhǎng)處，所以選用POF做傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，其造價(jià)要比石英光纖接入系統(tǒng)的成本要低；

抗震耐用：POF光纖有質(zhì)輕、柔軟，更耐破壞（振動(dòng)和彎曲）以及有著優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、耐用性等特點(diǎn)，能夠經(jīng)受更大的轟動(dòng)。

安全可靠：選用650nm的LED紅光光源時(shí)，安裝者肉眼可見到傳輸?shù)募t光也容易判斷光纖的連接是否成功。

1.2 光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片選型

本文選用IC Plus公司的IP113ALF光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)置一個(gè)2端口交換機(jī)，支持直通轉(zhuǎn)發(fā)，內(nèi)置128KB RAM數(shù)據(jù)緩沖器，內(nèi)置看門狗定時(shí)器來進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)控，支持EEPROM寄存器進(jìn)行配置，采用0.25u COMS技術(shù)，具有高噪音免疫功能，高性能，所需功耗小，完成10/100BASE-TX到100BASE-FX的轉(zhuǎn)換功能，支持鏈路故障穿越功能，自動(dòng)MDI-MDIX功能，工作性能穩(wěn)定且可靠，可以通過訪問芯片的串行管理接口（SMI）改變芯片內(nèi)部的寄存器設(shè)置；自動(dòng)識(shí)別介質(zhì)信號(hào)的傳輸速率，并實(shí)現(xiàn)全雙工/半雙工自適應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換；支持IEEE802.3u局域網(wǎng)等常用網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，以保證收發(fā)器有良好的兼容性。

1.3 光纖收發(fā)器選型

選用Firecomms公司推出的一款高速率通信收發(fā)一體的光纖模塊EDL301T，它是采用Optolock 設(shè)計(jì)可提供高達(dá)250Mbps傳輸速率的工業(yè)級(jí)收發(fā)器，兼容IEEE802.3u等通信標(biāo)準(zhǔn)，采用650nm的紅光（LED），可見光譜操作使得人眼安全，快速排除故障， LC接口的工業(yè)高速率收發(fā)一體光模塊（650nm）可以兼容POF和HCS 200/、230um光纖。EMI/RFI免疫力，適用于工業(yè)，惡劣的、嘈雜的環(huán)境，低功耗，發(fā)射器能夠運(yùn)行在3-4mA；適合于線徑2.2MM*2接口類型的低成本的塑料光纖，終端用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求長(zhǎng)度準(zhǔn)確的切割塑料光纖。

1.4 塑料光纖選型

本文選用線徑2.2mm，內(nèi)徑1.0mm的塑料光纖，這種光纖抗震防裂性強(qiáng)，無電磁輻射，無電噪音影響，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)成本低，耦合性好，導(dǎo)光能力強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)捷，無需熔焊，可自行任意切割，高寬帶、高速度、高性能，防水、防潮、防磁、防雷電，可滿足特定場(chǎng)合的要求。

2 工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT與塑料光纖傳輸系統(tǒng)電路連接

本文采用一款高速率通信收發(fā)一體采用Optolock設(shè)計(jì)可以提供高達(dá)250Mbps傳輸速率、兼容IEEE802.3u 等通訊協(xié)議，采用+3.3V供電的光纖模塊的EDL301T。其引腳的信號(hào)引腳為L(zhǎng)VPECL電平（低壓正發(fā)射極耦合邏輯），它是由PECL演變而來的，是一種工作在+3.3V或+2.5V電源下的高速差分?jǐn)?shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)的光收發(fā)一體模塊的外圍電路，如圖1所示，光收發(fā)一體模塊把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVPECL差分電信號(hào)，與光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片IP113ALF相應(yīng)引腳直接匹配。

本文設(shè)計(jì)中采用的EtherCAT ASIC芯片ET1100，它直接在硬件中處理EtherCAT協(xié)議，確保硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)性和高性能，與任何下游從站的微控制器機(jī)相關(guān)軟件無關(guān)，該芯片有一個(gè)8KB的雙口內(nèi)存（DPROM）空間用于讀寫過程數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)，可選擇通過平行或串行數(shù)據(jù)總線尋址，最多可以連接32個(gè)數(shù)字量信號(hào)，有很大的擴(kuò)展性。ET1100通過MII接口連接到TLK105，TLK105是一個(gè)單端口的以太網(wǎng)PHY，支持標(biāo)準(zhǔn)媒體獨(dú)立接口（MII），通過簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口（RMII）直接連接到IP113ALF光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，輸出的光信號(hào)通過光收發(fā)一體的光纖模塊EDL301T送到塑料光纖進(jìn)行傳輸，一個(gè)基于塑料光纖的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

3 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本介紹

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)目前多用于提供實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)方案，它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性。使用主從模式介質(zhì)訪問（MAC），主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀中。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件，從站使用專門的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）[1]。

EtherCAT的主要特點(diǎn)：（1）通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)主/從、從/從通訊；（2）通信周期短，實(shí)時(shí)性高；（3）通訊實(shí)時(shí)性采用分布時(shí)鐘機(jī)制實(shí)現(xiàn)，同步時(shí)間快；（4）可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等多種傳送方式接收數(shù)據(jù)；（5）直接通信距離長(zhǎng)；（6）通信速率為100Mb/s；（7）可掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)量多；（8）兼容TCP/IP。

從以太網(wǎng)的角度來看，一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段就是一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，它接收和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC8802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。Ether CAT使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀中的一個(gè)預(yù)留的類型0x88A4來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中其他以太網(wǎng)幀類型，比如IP幀、ICMP幀等。工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性高，一般不使用交換機(jī)，只是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了一些修改，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀是由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域替換成EtherCAT的數(shù)據(jù)幀，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可以完美兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議，一般標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀只有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，但對(duì)于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)一個(gè)數(shù)據(jù)可能有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)數(shù)據(jù)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)組合而成，如圖3所示。

4 工業(yè)以太網(wǎng)光纖收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試

光纖收發(fā)器作為一個(gè)完整的小型光纖通信系統(tǒng)，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)都是比較高的。只有在完整、嚴(yán)格的測(cè)試后，才能發(fā)現(xiàn)問題所在。

工業(yè)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的光接口指標(biāo)、電接口指標(biāo)和主要性能指標(biāo)在測(cè)試系統(tǒng)下測(cè)試的結(jié)果符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)和要求，證明了所開發(fā)的光纖收發(fā)器在理論和實(shí)踐上是可行的，并可將這種塑料光纖傳輸系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中。其整體測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文設(shè)計(jì)出基于塑料光纖設(shè)計(jì)工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT網(wǎng)絡(luò)的光纖傳輸系統(tǒng)，論文重點(diǎn)對(duì)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)光纖收發(fā)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括核心芯片的選擇、電路原理圖設(shè)計(jì)和光纖收發(fā)板的調(diào)試與測(cè)試，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)擁有杰出的通信性能，接線簡(jiǎn)單，協(xié)議開放性好，I/O響應(yīng)速度快，為了防止和減輕在惡劣的、嘈雜的工作環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾的影響，本文用塑料光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于光纖傳輸對(duì)電磁干擾有極強(qiáng)的抵御能力，這樣可以保證系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的保密性、穩(wěn)定性和可靠性，很好地解決了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的電磁干擾問題，同時(shí)也打破了工業(yè)以太網(wǎng)電纜的百米局限性，在真正實(shí)現(xiàn)無阻塞傳輸交換性能的同時(shí)，還提供了平衡流量、隔離沖突和檢測(cè)差錯(cuò)等功能，保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高安全性和穩(wěn)定性。研制高智能化、高穩(wěn)定性、低成本的工業(yè)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換模塊，將會(huì)是工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)新突破。

參考文獻(xiàn)

[1]郇極，劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線Ether CAT驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]周美嬌.用于工業(yè)控制的工業(yè)以太網(wǎng)通信模型[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）.

[3]史殿坤.基于STM32的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.