本文档详细介绍了 Alius DCU 域控制器的所有外部接口，包括引脚定义、电气特性、连接方法和软件开发接口。通过本文档，开发者可以充分利用 DCU 丰富的 I/O 资源。

接口概览

DCU 域控制器提供了多种工业标准接口，满足机器人系统的多样化连接需求：

接口类型数量连接器类型主要功能
CAN-FD23-pin 接线端子实时控制总线
RS-48523-pin 接线端子工业设备通信
EtherCAT2RJ45实时以太网控制
千兆以太网1RJ45网络连接
USB 3.02Type-A高速外设
USB 2.02Type-A外设连接
MIPI-CSI2FPC摄像头输入
MIPI-DSI1FPC显示输出
调试串口1Micro USB系统调试
电源输入12-pin 接线端子9-36V 电源

CAN-FD 接口

CAN-FD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）是经典 CAN 总线的升级版本，支持更高的波特率和更大的数据负载。

硬件规格

  • 协议标准：ISO 11898-1:2015（CAN 2.0A/B 和 CAN-FD）
  • 仲裁段波特率：最高 1 Mbps
  • 数据段波特率：最高 5 Mbps
  • 数据帧长度：经典 CAN 最大 8 字节，CAN-FD 最大 64 字节
  • 收发器：TJA1044GT（NXP），具备总线故障保护
  • 隔离电压：2500 Vrms（信号与系统地为电气隔离）
  • 终端电阻：120Ω，可通过软件配置启用/禁用

引脚定义

引脚名称描述颜色建议
1CANH高电平 CAN 信号黄色
2CANL低电平 CAN 信号绿色
3GND信号地（隔离地）黑色

Linux 使用方法

DCU 在 Linux 下将 CAN-FD 接口暴露为网络设备，可使用标准 SocketCAN 框架进行开发。

配置 CAN 接口

# 配置 CAN0 为 CAN-FD 模式，仲裁段 1Mbps，数据段 5Mbps
sudo ip link set can0 type can bitrate 1000000 dbitrate 5000000 fd on
sudo ip link set can0 up

# 配置 CAN1（经典 CAN 模式，1Mbps）
sudo ip link set can1 type can bitrate 1000000
sudo ip link set can1 up

发送 CAN 帧

// C 语言示例：发送 CAN-FD 帧
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>

int s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
struct sockaddr_can addr;
struct canfd_frame frame;

// 启用 CAN-FD 帧支持
int enable_fd = 1;
setsockopt(s, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FD_FRAMES, &enable_fd, sizeof(enable_fd));

frame.can_id = 0x123;  // CAN ID
frame.len = 64;         // CAN-FD 最大 64 字节
frame.flags = CANFD_BRS; // 使用比特率切换
// 填充数据...
write(s, &frame, sizeof(frame));

Python 示例

import can

# 创建 CAN 总线实例
bus = can.interface.Bus(channel='can0', bustype='socketcan')

# 发送消息
msg = can.Message(
    arbitration_id=0x123,
    data=[0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88],
    is_extended_id=False,
    is_fd=True,
    bitrate_switch=True
)
bus.send(msg)

# 接收消息
for msg in bus:
    print(f"ID: {msg.arbitration_id:X}, Data: {msg.data.hex()}")

RS-485 接口

RS-485 是一种差分信号串行通信标准，具有抗干扰能力强、传输距离远的特点，广泛应用于工业环境。

硬件规格

  • 协议标准：TIA/EIA-485-A
  • 最高波特率：12 Mbps
  • 最大电缆长度：1200 米（低速时）
  • 差分信号幅度：1.5V - 5V
  • 接收器输入阻抗：≥ 12 kΩ
  • 隔离电压：2500 Vrms
  • 终端电阻：120Ω，板载可配置

引脚定义

引脚名称描述颜色建议
1A (D+)正差分信号黄色
2B (D-)负差分信号绿色
3GND信号地黑色

Linux 使用方法

RS-485 接口在 Linux 下映射为标准串口设备（/dev/ttyS* 或 /dev/ttyUSB*）。

配置串口参数

# 配置 RS485-0 为 115200 波特率，8 数据位，无校验，1 停止位
stty -F /dev/ttyS1 115200 cs8 -cstopb -parenb

# 启用 RS-485 方向的硬件自动切换（推荐）
echo 1 > /sys/class/tty/ttyS1/rs485/rs485_enable

Python 示例（Modbus RTU）

import serial
from pymodbus.client import ModbusSerialClient

# 创建 Modbus RTU 客户端
client = ModbusSerialClient(
    port='/dev/ttyS1',
    baudrate=115200,
    parity='N',
    stopbits=1,
    bytesize=8,
    timeout=1
)

# 读取保持寄存器
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, slave=1)
if result.isError():
    print("通信错误")
else:
    print(f"寄存器值: {result.registers}")

EtherCAT 接口

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种高性能实时以太网协议，特别适合多轴运动控制和分布式 I/O 系统。

硬件规格

  • 协议标准：ETG 1000 系列
  • 物理层：100BASE-TX（100 Mbps 全双工）
  • 拓扑结构：菊花链（daisy chain）、线型、树型
  • 循环周期：最小 1 ms（典型应用），最小可达 100 μs
  • 同步精度：< 1 μs（分布式时钟）
  • 最大从站数：理论上 65535 个，推荐不超过 32 个

使用方法

DCU 支持作为 EtherCAT 主站运行。Alius 提供了基于 IgH EtherCAT Master 的软件栈。

安装 EtherCAT 主站软件

sudo apt install -y aliu-ethercat-master
sudo systemctl enable ethercat
sudo systemctl start ethercat

配置 EtherCAT 网络

# 编辑 EtherCAT 主站配置
sudo nano /etc/ethercat/master.conf

# 配置内容示例：
# MASTER0_DEVICE="eth1"
# DEVICE_MODULES="generic"

枚举 EtherCAT 从站

# 扫描总线上的从站设备
sudo ethercat slave

# 输出示例：
# 0  0:0  PREOP  +  Alius Joint Module v1.0
# 1  0:1  PREOP  +  Alius Joint Module v1.0
# 2  0:2  PREOP  +  Alius IMU Sensor v1.0

过程数据通信（PDO）示例

import ctypes
from aliu_ethercat import EtherCATMaster

# 创建主站实例
master = EtherCATMaster()

# 扫描并初始化从站
master.scan()
master.set_state('OPERATIONAL')

# 周期性过程数据交换
for cycle in range(1000):
    # 发送目标位置（PDO 输出）
    master.write_outputs(slave_id=0, data=[target_pos])

    # 读取实际位置（PDO 输入）
    actual_pos = master.read_inputs(slave_id=0, size=4)

    # 控制周期 1 ms
    master.wait_sync()

以太网接口

DCU 提供 1 路千兆以太网接口，用于网络连接、远程调试和数据传输。

硬件规格

  • 速率：10/100/1000 Mbps 自适应
  • 全双工支持：是
  • PoE 支持：可选（需定制）
  • PHY 芯片：Realtek RTL8211F
  • 连接器：RJ45，带指示灯

配置示例

# 配置静态 IP
sudo ip addr add 192.168.1.100/24 dev eth0
sudo ip link set eth0 up

# 配置 VLAN（可选）
sudo ip link add link eth0 name eth0.100 type vlan id 100
sudo ip addr add 192.168.100.100/24 dev eth0.100

MIPI-CSI 摄像头接口

DCU 提供 2 路 MIPI-CSI 接口，可用于连接摄像头模块，实现视觉感知功能。

硬件规格

  • 标准：MIPI CSI-2 v1.3
  • 数据通道：4 lane/路
  • 最大数据速率：2.5 Gbps/lane
  • 支持分辨率：最高 4K@60fps
  • 连接器：30-pin FPC（0.5 mm 间距）

支持摄像头模块

  • Sony IMX219（树莓派 Camera v2）
  • Sony IMX477（树莓派 HQ Camera）
  • Alius Vision Module（定制摄像头模块）

使用方法

# 查看摄像头设备
v4l2-ctl --list-devices

# 捕获图像
ffmpeg -f v4l2 -i /dev/video0 -vframes 1 capture.jpg

# 使用 GStreamer 预览
gst-launch-1.0 v4l2src device=/dev/video0 ! video/x-raw,format=NV12,width=1920,height=1080 ! autovideosink

MIPI-DSI 显示接口

DCU 提供 1 路 MIPI-DSI 接口，可用于连接 LCD 显示面板，实现本地 HMI。

硬件规格

  • 标准：MIPI DSI v1.2
  • 数据通道：4 lane
  • 最大数据速率：2.5 Gbps/lane
  • 支持分辨率：最高 4K@60fps
  • 连接器：31-pin FPC（0.3 mm 间距）

支持显示面板

  • Alius 7-inch LCD Panel（1024×600，电容触摸）
  • Alius 10.1-inch LCD Panel（1280×800，电容触摸）

USB 接口

DCU 提供 4 个 USB 主机接口（2× USB 3.0 + 2× USB 2.0），可用于连接各种外设。

使用建议

  • USB 3.0：推荐用于连接高速设备，如激光雷达、深度摄像头、NVMe 固态硬盘。
  • USB 2.0：可用于连接键盘、鼠标、WiFi 模块等低速设备。
  • 电源限制：每个端口最大输出 500 mA，连接高功耗设备时建议使用带外接电源的 USB Hub。