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

傳統的工業應用領域電流初級采樣多以模擬量的方式進行傳輸，目前常規的電流采集方式有PC電流采集卡和基于以太網傳輸的數字變送器。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轉換為-10V～10V、0～10V、0～5V的標準電壓信號或0～20mA、4～20mA的標準電流信號，采集卡AD變換器將輸入信號進行高精度AD轉化，最終得到和輸入采集電流成函數關系的數字量，PC再對數字量進行二次分析處理。第二種基于以太網傳輸的數字信號變送器通過以太網直接和數字變送器通訊，得到數據采集結果，電流采集準確度可達到0.05級以上。

本設計是根據工業應用領域數據采集傳輸要求而設計的一種高精度、高時效性電流數據采集傳輸方式。該方法解決多通道模擬量采樣及傳輸干擾問題，提高工業現場信號采樣數據的實時性和可靠性。

2 系統總體方案設計

2.1 系統總體方案設計

EtherCAT充分利用了以太網的“全雙工”特性，使用主從模式介質訪問控制 MAC。在本系統設計中，一個EtherCAT 網段就是一個以太網設備，它接收和發送標準的ISO/IEC8802-3 以太網數據幀。主站使用標準的以太網接口卡，從站使用專門的EtherCAT 從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件。

2.2 EtherCAT主站設計

EtherCAT主站使用標準的以太網控制器或PC，主站和物理層芯片PHY之間通過一個MII( Media Independent Ineterface)接口交互數據。MII定義了與傳輸介質無關的標準電氣和機械接口，該接口將以太網數據鏈路層和物理層完全隔離開，使以太網可以方便地選用任何傳輸介質。

2.3 ET1100從站設計

EtherCAT 從站設備實現通信傳輸和控制應用兩部分功能。主要包含以下5個部分：

（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）其它應用層器件。

2.4 STM32F407控制單元設計

STM32F407內置了一個12位分辨率的ADC。本設計利用STM32F407內置的ADC轉換單元將運算放大器輸出的模擬信號轉化為數字信號并輸出給ET1100芯片。如圖1所示為STM32F407控制單元設計。

STM32F407最大轉換頻率為1Mhz，也就是轉換時間為1us（在 ADCCLK = 14Mhz,采樣周期為1.5個時鐘周期時）。ADC的轉換時間可以由下式計算：Tcovn = 采樣時間+12.5 個周期。

2.5 電流信號采集處理單元設計

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

LA100-P是一款在主電路和次級電路中帶隔離功能的霍爾效應電流傳感器。具有很寬的頻率響應、無插入損耗、抗干擾能力強，常應用于開關電源設計。如圖2所示為LA100-P電流信號采樣設計圖。

AD532A采用隱式真有效值計算法,使用了絕對值電壓/電流(V/I)轉換器、平方器/除法器、低通濾波器、精密電流鏡和一個輸出緩沖器,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進行放大處理，輸出Signal_out信號。

圖1：STM32F407控制單元設計圖

圖2：電流信號采樣設計圖

2.6 電源環節設計

本設計中需要將24V直流電源轉換為±15V的雙端穩壓輸出。

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

2.7 ESC和微控制器通信環節設計

ET1100芯片和STM32F407之間可以采用直接I/O 信號連接無需應用層微處理器，也可以采用DPRAM 數據接口使用外部微處理器訪問，支持并行和串行兩種方式。本設計采用SPI通信方式連接，通信協議設計如圖3所示。

本模塊兼容支持標準EtherCAT協議的主站設備，如倍福的PLC或IPC，也可以采用其它廠家帶EtherCAT主站功能的PLC，如Omron的NJ系列NX1P系列等。在通用IPC上通過運行EtherCAT標準命令幀控制本模塊。

3 結語

本設計針對傳統的電流數據采集傳輸方式所帶來的問題，設計了一種基于EtherCAT總線的數據采集傳感器。使用了工業應用領域較為成熟的EtherCAT數據傳輸方式配合電流采集、數據分析模塊進行電流數據的獲取、處理和傳輸。系統中一個EtherCAT總線下面理論可以掛25535個從站設備，支持多種拓撲結構。大大降低信號傳輸干擾，減少了上級控制器的應用成本。數據傳輸的時間短抖動小，時鐘的抖動遠小于1μs，大約接近IEEE 1588精密時間協議的標準。既提高了數據處理速度和傳輸速度，又保證了數據的實時性。本設計為工業現場數據采集和傳輸提供了一套切實可行、高效率、低成本的系統應用方案。

圖3：通信協議設計圖