基于EtherCAT總線的有效值電流采集傳感器

文/鄭磊 念路兵 熊偉 陳洪海

1 引言

傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域電流初級(jí)采樣多以模擬量的方式進(jìn)行傳輸，目前常規(guī)的電流采集方式有PC電流采集卡和基于以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)字變送器。第一種PC電流采集卡需要使用電流傳感器或變送器將電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為-10V～10V、0～10V、0～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或0～20mA、4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，采集卡AD變換器將輸入信號(hào)進(jìn)行高精度AD轉(zhuǎn)化，最終得到和輸入采集電流成函數(shù)關(guān)系的數(shù)字量，PC再對(duì)數(shù)字量進(jìn)行二次分析處理。第二種基于以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)變送器通過(guò)以太網(wǎng)直接和數(shù)字變送器通訊，得到數(shù)據(jù)采集結(jié)果，電流采集準(zhǔn)確度可達(dá)到0.05級(jí)以上。

本設(shè)計(jì)是根據(jù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集傳輸要求而設(shè)計(jì)的一種高精度、高時(shí)效性電流數(shù)據(jù)采集傳輸方式。該方法解決多通道模擬量采樣及傳輸干擾問(wèn)題，提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

EtherCAT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(wèn)控制 MAC。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，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。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡，從站使用專門的EtherCAT 從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。EtherCAT物理層使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件。

2.2 EtherCAT主站設(shè)計(jì)

EtherCAT主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器或PC，主站和物理層芯片PHY之間通過(guò)一個(gè)MII( Media Independent Ineterface)接口交互數(shù)據(jù)。MII定義了與傳輸介質(zhì)無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)電氣和機(jī)械接口，該接口將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完全隔離開(kāi)，使以太網(wǎng)可以方便地選用任何傳輸介質(zhì)。

2.3 ET1100從站設(shè)計(jì)

EtherCAT 從站設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信傳輸和控制應(yīng)用兩部分功能。主要包含以下5個(gè)部分：

（1）物理層器件；

（2）ESC從站控制器；

（3）從站控制微處理器；

（4）EEPROM；

（5）其它應(yīng)用層器件。

2.4 STM32F407控制單元設(shè)計(jì)

STM32F407內(nèi)置了一個(gè)12位分辨率的ADC。本設(shè)計(jì)利用STM32F407內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換單元將運(yùn)算放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并輸出給ET1100芯片。如圖1所示為STM32F407控制單元設(shè)計(jì)。

STM32F407最大轉(zhuǎn)換頻率為1Mhz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us（在 ADCCLK = 14Mhz,采樣周期為1.5個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)）。ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以由下式計(jì)算：Tcovn = 采樣時(shí)間+12.5 個(gè)周期。

2.5 電流信號(hào)采集處理單元設(shè)計(jì)

由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，電流傳感元件主邊的線圈將導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為次邊的較小電流，再通過(guò)電路放大輸出至AD532有效值轉(zhuǎn)換芯片。

LA100-P是一款在主電路和次級(jí)電路中帶隔離功能的霍爾效應(yīng)電流傳感器。具有很寬的頻率響應(yīng)、無(wú)插入損耗、抗干擾能力強(qiáng)，常應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。如圖2所示為L(zhǎng)A100-P電流信號(hào)采樣設(shè)計(jì)圖。

AD532A采用隱式真有效值計(jì)算法,使用了絕對(duì)值電壓/電流(V/I)轉(zhuǎn)換器、平方器/除法器、低通濾波器、精密電流鏡和一個(gè)輸出緩沖器,具有15V滿量程輸入范圍。將電流采樣傳感器輸出的小電流信號(hào)進(jìn)行放大處理，輸出Signal_out信號(hào)。

圖1：STM32F407控制單元設(shè)計(jì)圖

圖2：電流信號(hào)采樣設(shè)計(jì)圖

2.6 電源環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中需要將24V直流電源轉(zhuǎn)換為±15V的雙端穩(wěn)壓輸出。

DCW03B-15是一款功率為3W的DC-DC穩(wěn)壓雙輸出轉(zhuǎn)換器，24V直流電壓作為輸入，輸出電壓范圍是±15V，電流范圍是±10-±100mA，穩(wěn)壓線性度可達(dá)±0.5%，是一款低成本，高可靠性的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片，滿足本設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換需求。

2.7 ESC和微控制器通信環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

ET1100芯片和STM32F407之間可以采用直接I/O 信號(hào)連接無(wú)需應(yīng)用層微處理器，也可以采用DPRAM 數(shù)據(jù)接口使用外部微處理器訪問(wèn)，支持并行和串行兩種方式。本設(shè)計(jì)采用SPI通信方式連接，通信協(xié)議設(shè)計(jì)如圖3所示。

本模塊兼容支持標(biāo)準(zhǔn)EtherCAT協(xié)議的主站設(shè)備，如倍福的PLC或IPC，也可以采用其它廠家?guī)therCAT主站功能的PLC，如Omron的NJ系列NX1P系列等。在通用IPC上通過(guò)運(yùn)行EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)命令幀控制本模塊。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)采集傳輸方式所帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于EtherCAT總線的數(shù)據(jù)采集傳感器。使用了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域較為成熟的EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸方式配合電流采集、數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行電流數(shù)據(jù)的獲取、處理和傳輸。系統(tǒng)中一個(gè)EtherCAT總線下面理論可以掛25535個(gè)從站設(shè)備，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。大大降低信號(hào)傳輸干擾，減少了上級(jí)控制器的應(yīng)用成本。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間短抖動(dòng)小，時(shí)鐘的抖動(dòng)遠(yuǎn)小于1μs，大約接近IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。既提高了數(shù)據(jù)處理速度和傳輸速度，又保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了一套切實(shí)可行、高效率、低成本的系統(tǒng)應(yīng)用方案。

圖3：通信協(xié)議設(shè)計(jì)圖