文/郑磊 念路兵 熊伟 陈洪海

1 引言

传统的工业应用领域电流初级采样多以模拟量的方式进行传输，目前常规的电流采集方式有PC电流采集卡和基于以太网传输的数字变送器。第一种PC电流采集卡需要使用电流传感器或变送器将电压和电流信号转换为-10V～10V、0～10V、0～5V的标准电压信号或0～20mA、4～20mA的标准电流信号，采集卡AD变换器将输入信号进行高精度AD转化，最终得到和输入采集电流成函数关系的数字量，PC再对数字量进行二次分析处理。第二种基于以太网传输的数字信号变送器通过以太网直接和数字变送器通讯，得到数据采集结果，电流采集准确度可达到0.05级以上。

本设计是根据工业应用领域数据采集传输要求而设计的一种高精度、高时效性电流数据采集传输方式。该方法解决多通道模拟量采样及传输干扰问题，提高工业现场信号采样数据的实时性和可靠性。

2 系统总体方案设计

2.1 系统总体方案设计

EtherCAT充分利用了以太网的“全双工”特性，使用主从模式介质访问控制 MAC。在本系统设计中，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。主站使用标准的以太网接口卡，从站使用专门的EtherCAT 从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。

2.2 EtherCAT主站设计

EtherCAT主站使用标准的以太网控制器或PC，主站和物理层芯片PHY之间通过一个MII( Media Independent Ineterface)接口交互数据。MII定义了与传输介质无关的标准电气和机械接口，该接口将以太网数据链路层和物理层完全隔离开，使以太网可以方便地选用任何传输介质。

2.3 ET1100从站设计

EtherCAT 从站设备实现通信传输和控制应用两部分功能。主要包含以下5个部分：

（1）物理层器件；

（2）ESC从站控制器；

（3）从站控制微处理器；

（4）EEPROM；

（5）其它应用层器件。

2.4 STM32F407控制单元设计

STM32F407内置了一个12位分辨率的ADC。本设计利用STM32F407内置的ADC转换单元将运算放大器输出的模拟信号转化为数字信号并输出给ET1100芯片。如图1所示为STM32F407控制单元设计。

STM32F407最大转换频率为1Mhz，也就是转换时间为1us（在 ADCCLK = 14Mhz,采样周期为1.5个时钟周期时）。ADC的转换时间可以由下式计算：Tcovn = 采样时间+12.5 个周期。

2.5 电流信号采集处理单元设计

由于通电导线周围存在磁场，电流传感元件主边的线圈将导线周围的磁场转换为次边的较小电流，再通过电路放大输出至AD532有效值转换芯片。

LA100-P是一款在主电路和次级电路中带隔离功能的霍尔效应电流传感器。具有很宽的频率响应、无插入损耗、抗干扰能力强，常应用于开关电源设计。如图2所示为LA100-P电流信号采样设计图。

AD532A采用隐式真有效值计算法,使用了绝对值电压/电流(V/I)转换器、平方器/除法器、低通滤波器、精密电流镜和一个输出缓冲器,具有15V满量程输入范围。将电流采样传感器输出的小电流信号进行放大处理，输出Signal_out信号。

图1：STM32F407控制单元设计图

图2：电流信号采样设计图

2.6 电源环节设计

本设计中需要将24V直流电源转换为±15V的双端稳压输出。

DCW03B-15是一款功率为3W的DC-DC稳压双输出转换器，24V直流电压作为输入，输出电压范围是±15V，电流范围是±10-±100mA，稳压线性度可达±0.5%，是一款低成本，高可靠性的稳压转换芯片，满足本设计电源转换需求。

2.7 ESC和微控制器通信环节设计

ET1100芯片和STM32F407之间可以采用直接I/O 信号连接无需应用层微处理器，也可以采用DPRAM 数据接口使用外部微处理器访问，支持并行和串行两种方式。本设计采用SPI通信方式连接，通信协议设计如图3所示。

本模块兼容支持标准EtherCAT协议的主站设备，如倍福的PLC或IPC，也可以采用其它厂家带EtherCAT主站功能的PLC，如Omron的NJ系列NX1P系列等。在通用IPC上通过运行EtherCAT标准命令帧控制本模块。

3 结语

本设计针对传统的电流数据采集传输方式所带来的问题，设计了一种基于EtherCAT总线的数据采集传感器。使用了工业应用领域较为成熟的EtherCAT数据传输方式配合电流采集、数据分析模块进行电流数据的获取、处理和传输。系统中一个EtherCAT总线下面理论可以挂25535个从站设备，支持多种拓扑结构。大大降低信号传输干扰，减少了上级控制器的应用成本。数据传输的时间短抖动小，时钟的抖动远小于1µs，大约接近IEEE 1588精密时间协议的标准。既提高了数据处理速度和传输速度，又保证了数据的实时性。本设计为工业现场数据采集和传输提供了一套切实可行、高效率、低成本的系统应用方案。

图3：通信协议设计图