分布式測控系統即集散控制系統，是一種以控制器和現場設備為基礎，將相關工藝信號匯集到系統中，并由操作站進行監視或其他控制操作，用于實現對生產過程的數據采集、控制和監視功能的系統。分布式測控系統通常由輸入輸出模塊通信模塊、控制器和人機界面等模塊組成組成，其主要特點是分散控制、集中操作，被廣泛應用于應用于化工、石化電力、核電、制藥、冶金、建材等對生產連續性、流程規范要求較高的流程工業領域。在分布式測控系統的幫助下，大型工業自動化生產線可實現集中作業、分散控制，將流程設備的停機率減少到最低限度。據制造業排名數據庫，2023年我國分布式測控系統市場規模約124億元，同比增長11.9%，預計2026年整個市場規模有望達151億元。

▲典型分布式測控系統結構（來源：中控技術）

工業現場通常存在測控點分散、測控范圍大、作業環境復雜的問題，且工業現場對測控系統的數據傳輸實時性具有嚴格要求?；诂F場總線的測控系統雖然能夠實現控制分散、信息集中，但其采用的“操作站-控制站-現場儀表”結構模式，系統成本較高，而且各廠家生產的標準不同，不能互聯，給用戶使用帶來了極大的不便。傳統現場總線應用在測控系統中逐漸暴露出實時性差、系統擴展復雜和穩定性不足等問題，已無法滿足現代工業測控系統的需求，網絡化、分布式、實時性成為當下測控系統的核心。

▲基于現場總線技術的測控系統結構

目前，工業以太網技術不斷成熟、成本迅速降低，已成為大規模測試系統的首選方案。EherCAT 作為一種新型工業以太網總線，具有數據傳輸實時性高、可靠性好、系統結構拓撲靈活等優點。將 EherCAT 總線技術應用于測控系統，設計一種串聯型分布式測控系統，該系統可對多種信號同時進行多通道的測量和控制。基于EherCAT 總線技術可以實現具有實時性好、抗干擾能力強的分布式測控網絡，同時可以針對不同的測控需要進行功能模塊的擴展，可以解決工業現場中高密度實時數據的傳輸問題。

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基于 EtherCAT 的分布式測控系統

基于 EtherCAT 的分布式測控系統采用一主多從的體系結構，主站與從站之間以及各從站之間通過標準網線連接構成 EtherCAT 通信網絡。主站是測控系統的控制中心，管理主從站間EtherCAT總線通信功能并實現人機交互，從站實現具體的測量及控制功能，同時在EtherCAT數據幀經過時獲取控制信息，并將采集的數據信息插入到EtherCAT數據幀中反饋給主站。

▲基于EherCAT的分布式測控系統總體結構

系統主站通常采用PC機運行TwinCAT軟件控制器的方式實現，硬件方面只需要一個帶有標準網卡的PC機，主要用于開發控制程序、配置從站單元、開發人機界面等。測控系統工作時，可視化界面通過用戶的操作獲取用戶的控制意圖，并形成控制信息。然后，PLC控制程序將控制信息進行處理，然后將處理后的控制信息轉發給EtherCAT驅動程序。EtherCAT驅動程序將處理后的控制信息打包，形成EtherCAT數據幀，并將 EtherCAT 數據幀轉發給網卡驅動。網卡驅動將 EtherCAT數據幀封裝成以太網數據幀，然后通過 NIC 網卡發送給測控系統從站。類似的，當EtherCAT數據幀從站返回到主站時，TwinCAT可以獲取從站采集的數據信息，并通過可視化界面將采集的數據實時顯示出來。從站包括EtherCAT通信及測量控制兩部分。通信板實現與系統主站的 EtherCAT 通信功能,接收系統主站發送的 EtherCAT下行數據幀并進行解析，獲取主站發送的控制信息并將控制信息轉發給測控板微處理器，同時獲取測控板采集的數據信息，并將采集的數據信息插入到EtherCAT數據幀中返回給主站。測控板為測控系統測量及控制功能的實現單元，通常包括多路開關量輸入測量、多路脈沖量輸入測量、多路模擬量輸入測量以及多路開關量輸出控制、多路脈沖量輸出控制、多路模擬量輸出控制。此外還包括一 SPI接口和一個串口，其中 SPI接口用于和通信板進行數據交換，獲取主站控制信息并反饋采集的數據信息，串口可以和PC 機RS232等接口通信，方便獲取系統從站狀態信息，便于調試。

▲典型的基于 EherCAT 的分布式測控系統細分結構

02

基于 EherCAT 的分布式測控系統從站

數據采集與處理的微處理器與EherCAT從站控制器構成的最小系統從站核心單元，用于主站與各從站模塊數據交換。

▲典型基于 EherCAT 的分布式測控系統從站結構

從站通信模塊

通信模塊主要實現系統從站與主站的EtherCAT 通信功能，一方面將主站的控制通過 EtherCAT 總線傳遞給從站微處理器實現相應的控制功能，另一方面將從站微處理器采集的數據通過 EtherCAT 總線反饋給主站。通信板主要包括 EtherCAT 網絡接口電路、PDI接口電路和 ESC外圍電路三部分。EtherCAT 網絡接口電路實現 EtherCAT 協議的物理層及數據鏈路層，PDI接口電路用于從站微處理器與 ESC間數據交換，ESC外圍電路包括時鐘電路、配置電路和 EEPROM 接口電路。

▲典型EtherCAT 通訊板結構框圖

從站檢測控制模塊

測控系統的檢測及控制電路實現開關量、脈沖量、模擬量信號輸入采集以及輸出控制功能。

▲典型檢測及控制系統結構框圖開關量輸人采集功能使用從站微處理器自帶的GPIO 接口實現，通過光耦實現電氣隔離，采用雙向TVS二極管保護電路不受沖擊電流影響。脈沖量輸人采集功能使用從站微處理內部強大的定時器實現，輸入的差分脈沖信號經過輸入差分驅動器形成單端信號，并通過高速光耦連接到從站微處理內部定時器輸人引腳通過定時器輸入捕獲功能獲取輸入脈沖的頻率值。AD采樣轉換模塊針對某被測對象實際工況進行設計，可實現多通道高精度單端或差分信號同步采集，每通道獨立采樣，支持同步數據采集，并能記錄采集數據對應的絕對時間信息。

03

碼靈半導體EtherCAT分布式測控系統解決方案

EterCAT從站的核心部分是EterCAT從站控制器芯片（ESC）。碼靈半導體推出的CF110x系列為EtherCAT分布式測控系統從站控制器芯片提供了新的選擇。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

碼靈半導體CF110x系列ESC芯片使用外部25 MHz晶振工作，通過并行總線和微處理進行數據交互。EEPROM用來存儲從站配置信息，當CF110x系列在上電或復位后，會自動讀取EEPROM內的配置數據并裝入相應寄存器，CF110x系列和EEPROM通過I2C串行總線完成數據交互。CF110x系列提供了多層可編程中斷結構，當CF110x系列發生中斷時，微處理器進入中斷程序讀取CF110x系列中斷寄存器判斷中斷事件源，從而進行相應的處理。CF110x系列內置 PHY0 和 PHY1，其與內置網絡變壓器的標準RJ45接口相連。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

同時碼靈半導體開發了多款IO模塊，可滿足分布式測控系統在數據采集端（采集器）的應用需求，并配有專門的耦合器。CF110x系列最多支持3個EtherCAT 接口，可配置其中一個接口作為系統內總線接口，另外兩個接口為以太網作為外總線接口。其中一個接口與上行鏈路相連，用以實現 EtherCAT總線耦合器連入EtherCAT系統的功能，另一個連接下行鏈路采集器，實現將下行鏈路采集器接入EtherCAT系統的功能。EtherCAT總線耦合器使得系統拓撲結構不限制為菊花鏈結構，提高了系統的靈活性。

▲16路獨立式IO應用方案框圖及實物

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案實物

▲碼靈半導體刀片式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體刀片式IO（含耦合器）應用方案實物

采用 EtherCAT 總線可以使測控系統擁有良好的實時性、可靠性及可擴展性能。而基于碼靈半導體CF110x系列實現的EtherCAT 通信技術，可滿足分布式測控系統對通道數量多、采集及控制精度高、信號種類多樣等開發需求，適用于工業、農業等各種場合，應用前景開闊。