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高实时性远程传感器数据采集

硬件配置​

  • 主站: Windows 10 × 1 + Intel i3 × 1
  • 称重变送器: EtherCAT 称重模块 × 15 (分布在厂区不同料仓)
  • 网络拓扑: 菊花链，可分支，节点间最远 80m

成本分析​

类别型号/规格参考单价 (¥)数量小计 (¥)
称重变送器EtherCAT 称重模块600159,000
工控机Intel i3 级别2,50012,500
整线参考总计≈ ¥11,500

以上为核心部件参考价 (RMB)，不含称重传感器、线缆等。

性能指标​

  • 采样周期: 250 µs
  • 称重精度: ±0.1%
  • 传输距离: 节点间最远 80m
  • 采集通道: 15 路 (每模块 4 通道, 本示例仅用 1 通道)

应用场景​

化工原料料仓管理系统。
15 个称重变送器分布在厂区不同料仓（节点间最远 80m），主站以 250µs 周期实时采集重量数据。
本示例作为数据采集层，外部系统直接访问 Weights[] 属性获取实时重量，实现库存监控、自动补料、超限告警等业务逻辑。
实际运用往往是系统主动高速采集。
也可用于多点温度/压力/流量等传感器的高速同步采集场景。

代码示例​

PDO 结构体定义 (4 通道模块, 本示例仅用 1 通道)​

using System.Runtime.InteropServices;

/// <summary>
/// 4通道称重变送器输入 PDO (0x6000)
/// 每个子索引为一个通道的重量值, 只读
/// 本示例仅使用 W1 (1通道)
/// </summary>
[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
public struct WeighingModule_Input
{
    public int W1;   // 0x6000:01 - 1通道重量值 (本示例使用)
    public int W2;   // 0x6000:02 - 2通道重量值
    public int W3;   // 0x6000:03 - 3通道重量值
    public int W4;   // 0x6000:04 - 4通道重量值
}

/// <summary>
/// 4通道称重变送器输出 PDO (0x7000)
/// 标定命令: 写1=标零, 写4=清零, 写16=确认无砝码标定, 写>100=标增益
/// </summary>
[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
public struct WeighingModule_Output
{
    public int Calibration1;   // 0x7000:01 - 1通道标定
    public int Calibration2;   // 0x7000:02 - 2通道标定
    public int Calibration3;   // 0x7000:03 - 3通道标定
    public int Calibration4;   // 0x7000:04 - 4通道标定
    public int FullScale;      // 0x7000:05 - 满量程
    public int Sensitivity;    // 0x7000:06 - 灵敏度 (实际值×10000, 如2.0mv/V写20000)
}

控制代码​

using System;
using System.Threading;
using DarraEtherCAT_Master;

class WeighingController
{
    // ============ 可配置参数 (外部设置) ============

    /// <summary> 称重模块数量 </summary>
    public static int ModuleCount { get; set; } = 15;

    // ============ 采集数据 (外部系统直接读取) ============

    /// <summary>
    /// 所有料仓实时重量 (每模块仅用 W1), 外部系统直接访问此属性
    /// </summary>
    public static int[] Weights { get; set; } = new int[15];

    /// <summary>
    /// 采样计数, 外部系统可据此判断数据是否刷新
    /// </summary>
    public static volatile long SampleCount;

    static void Main(string[] args)
    {
        var master = new DarraEtherCAT()
            .LoadENI("config/sensor_acquisition.xml")
            .Build();

        if (master == null)
        {
            Console.WriteLine("主站初始化失败!");
            return;
        }

        try
        {
            var (success, msg) = master.SetState(EcState.OP);
            if (!success)
            {
                Console.WriteLine($"无法进入 OP 状态: {msg}");
                return;
            }

            int slaveCount = Math.Min(ModuleCount, master.Slaves.Count);
            Console.WriteLine($"传感器采集启动! 在线模块: {slaveCount}/{ModuleCount}");

            // 映射只需获取一次, 引用指向共享PDO内存, 循环内直接读取即可
            // 因为从站数量动态, 使用 unsafe 指针数组缓存映射地址
            unsafe
            {
                // 预获取所有模块的输入PDO指针
                WeighingModule_Input*[] inputs = new WeighingModule_Input*[slaveCount];
                for (int i = 0; i < slaveCount; i++)
                    fixed (WeighingModule_Input* p = &master.Slaves[i].InputsMapping<WeighingModule_Input>())
                        inputs[i] = p;

                while (true)
                {
                    // 遍历所有称重模块, 仅读取 W1 (1通道)
                    for (int i = 0; i < slaveCount; i++)
                        Weights[i] = inputs[i]->W1;

                    SampleCount++;
                    Thread.Sleep(0);
                }
            }
        }
        finally
        {
            master.Dispose();
        }
    }

    // ============ 外部系统调用接口 ============

    /// <summary>
    /// 获取指定料仓重量 (外部系统直接调用)
    /// </summary>
    public static int GetWeight(int moduleIndex) => Weights[moduleIndex];

    // ============ 标定流程 ============
    //
    //  有砝码标定 (推荐):
    //    1. 空载 → TareZero()          清零
    //    2. 放上已知砝码 → CalibrateGain(砝码重量)  标定增益
    //
    //  无砝码标定:
    //    1. SetCalibrationParams(灵敏度, 满量程)   写入传感器参数
    //    2. 空载 → TareZero()                      清零
    //    3. ConfirmNoWeightCalibration()            确认无砝码标定

    /// <summary>
    /// 步骤1: 空载清零 (秤台上无物料时调用)
    /// </summary>
    public static void TareZero(DarraEtherCAT master, int moduleIndex)
    {
        ref var output = ref master.Slaves[moduleIndex].OutputsMapping<WeighingModule_Output>();
        output.Calibration1 = 1;  // 1=标零
    }

    /// <summary>
    /// 步骤2: 放上已知砝码后标定增益 (写入砝码实际重量值, 必须>100)
    /// </summary>
    /// <param name="knownWeight">砝码重量值 (必须>100, 如5000g写5000)</param>
    public static void CalibrateGain(DarraEtherCAT master, int moduleIndex, int knownWeight)
    {
        ref var output = ref master.Slaves[moduleIndex].OutputsMapping<WeighingModule_Output>();
        output.Calibration1 = knownWeight;  // >100=标增益
    }

    /// <summary>
    /// 无砝码标定: 写入传感器参数 (需在清零前调用)
    /// </summary>
    /// <param name="sensitivity">传感器灵敏度 (实际值×10000, 如2.0mV/V写20000)</param>
    /// <param name="fullScale">满量程值</param>
    public static void SetCalibrationParams(DarraEtherCAT master, int moduleIndex, int sensitivity, int fullScale)
    {
        ref var output = ref master.Slaves[moduleIndex].OutputsMapping<WeighingModule_Output>();
        output.Sensitivity = sensitivity;
        output.FullScale = fullScale;
    }

    /// <summary>
    /// 无砝码标定: 确认 (清零后调用)
    /// </summary>
    public static void ConfirmNoWeightCalibration(DarraEtherCAT master, int moduleIndex)
    {
        ref var output = ref master.Slaves[moduleIndex].OutputsMapping<WeighingModule_Output>();
        output.Calibration1 = 16;  // 16=确认无砝码标定
    }
}