黄宇飞+++蒙静婵

摘 要：文章提出一种基于塑料光纤的EtherCAT网络传输系统，该系统在恶劣的、嘈杂的工作环境中可以提供稳定、可靠的通信线路，能够高速地传输控制信号和指令，采用塑料光纤可以避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险，本传输系统将利用其自带的数据传输物理光纤接口通过塑料光纤连接主从设备，通过工业以太网Ether CAT网络进行数据传输，实时监控和控制管理，这样的光纤数据传输系统不仅适合于低成本的实时控制监控设备的连接，也适合于实时高速的大数据量的设备进行连接；由于本光纤传输系统是通过工业以太网EtherCAT网络进行数据传输，以EtherCAT网络完美兼容标准以太网协议IEEE802.3u的特点，也对未来为设备更新硬件性能和日常维护减少了维护成本。

关键词：通信技术；光纤传输；塑料光纤；工业以太网Ether CAT网络

引言

本传输系统中采用的是EtherCAT网络，但EtherCAT网络的最高传输速率可达到100Mb/s，为了解决电磁干扰对EtherCAT网络的影响，本项目提出一种采用塑料光纤进行传输的传输介质，由于传统的石英光纤非常容易碎，而且安装难度大，衔接时需要配置专门的设备，所以石英光线不适合于进行远距离的实时通讯使用且成本费用太高。本文采用的塑料光纤具有质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）以及有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小等特点，非常适合于在恶劣、不稳定的工作现场使用。另外，这种塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工都很容易。由于有较大直径，塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接不需要特别的工具，其操作简单方便且低成本，同时，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。塑料光纤收发模块选用650nm波长的LED红光光源，可见光谱操作使得人眼安全，快速排除故障，这样可以保证主设备与各个分散的从设备进行数据交换时的安全性、稳定性和可靠性。

随着塑料光纤技术日益成熟，价格已经和普通以太网设备相差不远，同时塑料光纤的使用寿命较长，兼容性很高，在网络高速发展中，塑料光纤都是通用的，POF光纤具有极高的安全性和保密性，难以被偷听；光纤接入方案面临进一步降低成本的压力，这恰好给塑料光纤的普及提供了非常好的契机，塑料光纤将成为普遍和大量应用的光纤。

1 工业以太网Ether CAT塑料光纤传输系统硬件设计

1.1 EtherCAT网络光纤传输系统整体思路

采用光纤传输在EtherCAT网络已经不是什么新的技术，德国倍福公司曾推出一款EtherCAT网络通过数据传输介质多模玻璃光纤（也叫石英光纤）或以太网电缆/EtherCAT电缆（最低CAT5，屏蔽型）进行连接的EtherCAT耦合器EK1501-0100，石英光纤在通讯行业遍及运用，但由于石英光纤在光纤耦合互接中精度需求高及光纤配置器材贵重等原因，大大提高了石英光纤的衔接本钱，约束了其在接点多的短距离传输范畴的运用。

本文基于塑料光纤的EtherCAT网络传输系统，解决了光纤在布局实施困难，现场环境恶劣，衔接成本和衔接时产生不必要的费用；塑料光纤（POF）与石英光纤对比，具有以下长处：

疾速设备：POF能够很简略地穿过狭小的穿线管，布线所占的空间小；

简略衔接：POF在加工上能够很简略地剪断和衔接，不必抛光、粘结也能达到极好的衔接作用，也不必为了衔接而选用专用的设备；

低价成本：由于具有以上2个长处，所以选用POF做传输介质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统的成本要低；

抗震耐用：POF光纤有质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）以及有着优异的拉伸强度、耐用性等特点，能够经受更大的轰动。

安全可靠：选用650nm的LED红光光源时，安装者肉眼可见到传输的红光也容易判断光纤的连接是否成功。

1.2 光电介质转换芯片选型

本文选用IC Plus公司的IP113ALF光电介质转换芯片，該芯片内置一个2端口交换机，支持直通转发，内置128KB RAM数据缓冲器，内置看门狗定时器来进行内部监控，支持EEPROM寄存器进行配置，采用0.25u COMS技术，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的转换功能，支持链路故障穿越功能，自动MDI-MDIX功能，工作性能稳定且可靠，可以通过访问芯片的串行管理接口（SMI）改变芯片内部的寄存器设置；自动识别介质信号的传输速率，并实现全双工/半双工自适应自动转换；支持IEEE802.3u局域网等常用网络通讯标准，以保证收发器有良好的兼容性。

1.3 光纤收发器选型

选用Firecomms公司推出的一款高速率通信收发一体的光纤模块EDL301T，它是采用Optolock 设计可提供高达250Mbps传输速率的工业级收发器，兼容IEEE802.3u等通信标准，采用650nm的红光（LED），可见光谱操作使得人眼安全，快速排除故障， LC接口的工业高速率收发一体光模块（650nm）可以兼容POF和HCS 200/、230um光纤。EMI/RFI免疫力，适用于工业，恶劣的、嘈杂的环境，低功耗，发射器能够运行在3-4mA；适合于线径2.2MM*2接口类型的低成本的塑料光纤，终端用户可以根据现场实际需求长度准确的切割塑料光纤。

1.4 塑料光纤选型

本文选用线径2.2mm，内径1.0mm的塑料光纤，这种光纤抗震防裂性强，无电磁辐射，无电噪音影响，抗干扰能力强，维护成本低，耦合性好，导光能力强，安装简捷，无需熔焊，可自行任意切割，高宽带、高速度、高性能，防水、防潮、防磁、防雷电，可满足特定场合的要求。

2 工业以太网Ether CAT与塑料光纤传输系统电路连接

本文采用一款高速率通信收发一体采用Optolock设计可以提供高达250Mbps传输速率、兼容IEEE802.3u 等通讯协议，采用+3.3V供电的光纤模块的EDL301T。其引脚的信号引脚为LVPECL电平（低压正发射极耦合逻辑），它是由PECL演变而来的，是一种工作在+3.3V或+2.5V电源下的高速差分数字接口标准。本文设计的光收发一体模块的外围电路，如图1所示，光收发一体模块把光信号转换成LVPECL差分电信号，与光电介质转换芯片IP113ALF相应引脚直接匹配。

本文设计中采用的EtherCAT ASIC芯片ET1100，它直接在硬件中处理EtherCAT协议，确保硬件设备的实时性和高性能，与任何下游从站的微控制器机相关软件无关，该芯片有一个8KB的双口内存（DPROM）空间用于读写过程数据和参数数据，可选择通过平行或串行数据总线寻址，最多可以连接32个数字量信号，有很大的扩展性。ET1100通过MII接口连接到TLK105，TLK105是一个单端口的以太网PHY，支持标准媒体独立接口（MII），通过简化媒体独立接口（RMII）直接连接到IP113ALF光电介质转换芯片进行光电信号转换，输出的光信号通过光收发一体的光纤模块EDL301T送到塑料光纤进行传输，一个基于塑料光纤的EtherCAT网络传输系统框图，如图2所示。

3 EtherCAT网络协议基本介绍

EtherCAT网络目前多用于提供实时功能的以太网方案，它充分利用了以太网的全双工特性。使用主从模式介质访问（MAC），主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧中。主站使用标准的以太网物理层器件，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）[1]。

EtherCAT的主要特点：（1）通信方式灵活，可实现主/从、从/从通讯；（2）通信周期短，实时性高；（3）通讯实时性采用分布时钟机制实现，同步时间快；（4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等多种传送方式接收数据；（5）直接通信距离长；（6）通信速率为100Mb/s；（7）可掛接节点数量多；（8）兼容TCP/IP。

从以太网的角度来看，一个EtherCAT网段就是一个以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC8802.3以太网数据帧。Ether CAT使用标准以太网帧中的一个预留的类型0x88A4来区分网络中其他以太网帧类型，比如IP帧、ICMP帧等。工业以太网EtherCAT网络的实时性高，一般不使用交换机，只是对标准的以太网的数据帧进行了一些修改，EtherCAT网络的数据帧是由标准以太网的数据帧的基础上，在标准以太网数据帧的数据域替换成EtherCAT的数据帧，所以EtherCAT网络可以完美兼容标准以太网的通讯协议，一般标准以太网数据帧只有一个源节点，但对于EtherCAT网络一个数据可能有多个源节点，即一个数据是由多个节点发送的数据组合而成，如图3所示。

4 工业以太网光纤收发转换模块测试

光纤收发器作为一个完整的小型光纤通信系统，各项技术性能指标都是比较高的。只有在完整、严格的测试后，才能发现问题所在。

工业以太网光纤收发器的光接口指标、电接口指标和主要性能指标在测试系统下测试的结果符合预期标准和要求，证明了所开发的光纤收发器在理论和实践上是可行的，并可将这种塑料光纤传输系统运用于实际通信网络中。其整体测试结果，如表1所示。

5 实验总结

本文设计出基于塑料光纤设计工业以太网Ether CAT网络的光纤传输系统，论文重点对EtherCAT工业以太网光纤收发电路进行设计，主要包括核心芯片的选择、电路原理图设计和光纤收发板的调试与测试，EtherCAT网络拥有杰出的通信性能，接线简单，协议开放性好，I/O响应速度快，为了防止和减轻在恶劣的、嘈杂的工作环境产生电磁干扰的影响，本文用塑料光纤进行数据传输，由于光纤传输对电磁干扰有极强的抵御能力，这样可以保证系统在进行数据传输时的保密性、稳定性和可靠性，很好地解决了数据传输时的电磁干扰问题，同时也打破了工业以太网电缆的百米局限性，在真正实现无阻塞传输交换性能的同时，还提供了平衡流量、隔离冲突和检测差错等功能，保证数据传输时的高安全性和稳定性。研制高智能化、高稳定性、低成本的工业以太网光纤收发器转换模块，将会是工业以太网数据传输的一个新突破。

参考文献

[1]郇极，刘艳强.工业以太网现场总线Ether CAT驱动程序设计及应用[M].北京航空航天大学出版社.

[2]周美娇.用于工业控制的工业以太网通信模型[J].仪器仪表学报，2005，26（8）.

[3]史殿坤.基于STM32的工业以太网EtherCAT从站的设计和实现[D].哈尔滨工业大学，2013.