實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT從站的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了EtherCAT的工作原理、通信協(xié)議和基于專用芯片ET1100的從站硬件設(shè)計(jì)。憑借dsPICDEM1.1Plus Development Board開發(fā)平臺(tái)和TwinCAT軟件，驗(yàn)證了EtherCAT主從站之間的I/O開關(guān)量的通信，并通過SOEM軟件和Linux平臺(tái)，驗(yàn)證了EtherCAT從站接口卡的實(shí)時(shí)性能。

引言

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線技術(shù)的一個(gè)很重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線具有性價(jià)比高、傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大、可接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端等優(yōu)點(diǎn)。目前，主要的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有如下幾種：Pro finet、TC-net、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus-RTPS、SERCOS III，以及我國自主研制的EPA等。

EtherCAT技術(shù)是由德國Beckhoff自動(dòng)化公司提出的，該技術(shù)以其優(yōu)越的性能獲得越來越多的關(guān)注。2003年底成立的ETG(Ethernet Techno logy Group)組織負(fù)責(zé)EtherCAT技術(shù)的維護(hù)和推廣。該組織已經(jīng)擁有逾千個(gè)成員，很多成員已經(jīng)推出相關(guān)產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)主要來自國外，如以色列Elmo公司已推出基于EtherCAT的Elmo伺服直流驅(qū)動(dòng)器(Elmo Golden);而國內(nèi)在此領(lǐng)域還處于起步階段，只有少數(shù)公司有所涉及，如上海新華集團(tuán)公司開發(fā)了一套基于EtherCAT技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)等。對(duì)此，本文對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的硬件和軟件部分進(jìn)行開發(fā)，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所開發(fā)的EtherCAT從站具有較高實(shí)時(shí)性，滿足工業(yè)控制需求。

1 EtherCAT技術(shù)介紹

1.1 EtherCAT組成及運(yùn)行原理

EtherCAT使用全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，傳輸介質(zhì)通常使用100BASE-TX規(guī)范的5類UTP雙絞線纜;從站由專用控制芯片或者FPGA IP核構(gòu)成，TI公司已推出帶有EtherCAT功能的微控制器M335X。

EtherCAT的運(yùn)行原理如圖1所示，圖中j為從站個(gè)數(shù)，j=1，2，…，i，…，n。主站發(fā)出下行電報(bào)，數(shù)據(jù)幀遍訪所有從站，在數(shù)據(jù)幀到達(dá)每個(gè)從站時(shí)，從站解析出本機(jī)報(bào)文，并對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)從站，從站再進(jìn)行類似的處理，直至傳輸完整個(gè)回路。最后一個(gè)從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由緊挨著主站的從站作為響應(yīng)，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站，完成一個(gè)周期的數(shù)據(jù)處理。

1.2 EtherCAT協(xié)議

EtherCAT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出，它采用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，幀類型為0x88A4。數(shù)據(jù)包由EtherCAT頭和Ether CAT數(shù)據(jù)組成，而若干個(gè)子報(bào)文又組成了數(shù)據(jù)區(qū)。子報(bào)文又由子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域及工作計(jì)數(shù)器組成。子報(bào)文頭決定該子報(bào)文應(yīng)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的從站，以及該從站對(duì)子報(bào)文進(jìn)行讀或者寫操作。在主從站通信的過程中，16位的工作計(jì)數(shù)器(WKC)的值顯得尤為重要。主站發(fā)起周期控制的時(shí)候，預(yù)先給定WKC一個(gè)值，當(dāng)數(shù)據(jù)幀遍歷完整個(gè)設(shè)備的時(shí)候，通過對(duì)比返回的WKC值，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)文是否被EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)正確處理。

2 EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的從站硬件電路由物理通信接口、從站控制器及其外圍設(shè)備和電源模塊等部分組成。從站控制器ET1100與物理通信端口的連接部分是EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，此部分是實(shí)現(xiàn)主站與從站以及從站與微控制器數(shù)據(jù)通信中不可或缺的。為了拓展本設(shè)計(jì)從站接口卡對(duì)微處理器的通用性，PDI接口部分引腳引出，可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字量I/O接口、SPI接口及并行微處理器通信接口的連接。

本文后續(xù)的驗(yàn)證試驗(yàn)中，為了測試與接線的方便，使用SPI接口與微處理器進(jìn)行通信。從站接口卡的整體硬件電路如圖3所示。EEPROM采用的是24LC16B，存儲(chǔ)ET1100的配置信息;電源模塊采用的是體積小、價(jià)格便宜的SP6205EM，固定輸出3.3 V電壓;物理芯片選擇的是KSZ87 21;RJ45選擇的是集成了變壓器接頭的HanRun HR911105A。

2.2 物理通信端口

ET1100是一個(gè)功能強(qiáng)大的從站控制器，可以提供4個(gè)物理通信端口，實(shí)現(xiàn)各種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且每個(gè)端口皆可配置為MII或EBUS兩種類型。通信端口類型配置無需軟件編程，可直接通過對(duì)ET1100的外圍引腳P_MODE[1：0]和P_CONFIG[3：0]進(jìn)行上拉或者下拉獲得。其中，P_CON FIG[3：0]決定通信接口的類型，P_MODE[1：0]決定通信接口的數(shù)目。ET1100使用MII接口時(shí)，需要外接以太網(wǎng)物理層芯片，并且為了降低處理/轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，ET1100的MII接口省略了發(fā)送FIFO，最遠(yuǎn)傳輸距離為100 m;EtherCAT協(xié)議自定義了一種物理層傳輸方式EBUS，EBUS傳輸介質(zhì)使用低壓差分信號(hào)LVDS，最遠(yuǎn)傳輸距離為10m。

本設(shè)計(jì)中，物理通信端口使用的是端口0與端口1，且使用能傳輸100 m的MII類型，則有如下配置信息：P_MODE[0：1]下拉決定端口0與端口1被使能用，而P_CONFIG[0：1]上拉表示端口0與端口1使用MII類型。本文物理芯片選用的是KSZ8721，其電路連接圖如圖4所示。

2.3 過程數(shù)據(jù)接口

從站控制芯片ET1100的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口又稱為過程數(shù)據(jù)接口，簡稱為PDI。PDI是微處理器與ET1100進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，是底層接口電路，為上層復(fù)雜的應(yīng)用協(xié)議提供硬件基礎(chǔ)。ET1100的PDI接口可分為SPI接口、微處理器接口和數(shù)字量I/O接口，這三種接口的實(shí)現(xiàn)通過PDI控制寄存器0x140取不同的值來實(shí)現(xiàn)。而ET1100中控制寄存器的值是上電時(shí)自動(dòng)加載EEPROM中用戶配置的數(shù)據(jù)，并且ET1100提供一專用引腳來表征此配置信息是否被正確加載。當(dāng)此引腳信號(hào)為高電平時(shí)，表示配置信息被正確加載，此時(shí)端口才會(huì)被激活。本設(shè)計(jì)中三種接口方式皆可以使用，但是SPI接口具有接線少、使用方便、傳輸速度快等優(yōu)勢，因而后續(xù)的測試實(shí)驗(yàn)中使用SPI接口與測試開發(fā)板進(jìn)行連接。

綜合以上信息，本文詳細(xì)介紹了從站硬件整體框圖、ET1100的物理通信端口、PDI接口以及外圍芯片具體選型與使用，最終設(shè)計(jì)的具體電路的實(shí)物圖如圖5所示。

3 EtherCAT從站軟件設(shè)計(jì)

EtherCAT從站的軟件設(shè)計(jì)主要包括微處理器的軟件設(shè)計(jì)和ET1100的軟件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，由于嵌入式主站的設(shè)計(jì)工作很復(fù)雜，所以本測試的主站由PC機(jī)擔(dān)任，PC機(jī)通過倍福公司的TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)主站功能，主要負(fù)責(zé)所有從站設(shè)備的工作狀態(tài)以及管理主從站之間的數(shù)據(jù)通信。

ET1100的軟件設(shè)計(jì)就是把配置好的與硬件相符的XML文件燒寫到EEPROM中，最終實(shí)現(xiàn)主從站之間的通信。微處理器dsPIC30F6014A的軟件設(shè)計(jì)通過操作ET1100實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，其任務(wù)主要完成dsPIC30F6014A硬件的初始化、ET1100的初始化以及過程數(shù)據(jù)的處理等。

非周期性數(shù)據(jù)通信與周期性過程數(shù)據(jù)通信是EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主從站之間數(shù)據(jù)交換的兩種形式。周期性過程數(shù)據(jù)通信采用現(xiàn)場總線邏輯單元進(jìn)行尋址，緩沖區(qū)可以被主從節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問;非周期性數(shù)據(jù)通信采用郵箱方式進(jìn)行，郵箱數(shù)據(jù)通信使用兩個(gè)存儲(chǔ)同步管理通道，通常主站到從站通信使用SM0，從站到主站通信使用SM1，它們可被配置成一個(gè)緩沖區(qū)方式，使用握手來避免數(shù)據(jù)溢出，只有把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫滿后，另一端才能讀取，并且只有當(dāng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部讀出時(shí)，一端才能重新寫入數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，從站程序采用的是非周期性數(shù)據(jù)通信，并且采用的是查詢方式，程序流程圖如圖6所示。

4 測驗(yàn)測試及分析

4.1 I/O開關(guān)量的實(shí)驗(yàn)測試與分析

以設(shè)計(jì)的基于從站控制器ET1100的EtherCAT從站接口卡和Microchip公司的dsPICDEM1.1 Plus Development Board開發(fā)板構(gòu)成從站設(shè)備，PC機(jī)憑借德國倍福公司開發(fā)的TwinCAT軟件作為主站設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先，打開TwinCAT軟件中的System Manager功能，找到I/O Device，單擊鼠標(biāo)右鍵掃描設(shè)備，找到BOX設(shè)備，燒寫XML配置文件到ET1100中，完成特定功能的配置，按照功能要求對(duì)從站接口板與開發(fā)板進(jìn)行正確的連線。在TwinCAT軟件以及開發(fā)板中編寫測試程序，通過觀察開發(fā)板上LED的明亮以及TwinCAT軟件中的圖示，來驗(yàn)證EtherCAT中主從站之間的通信是否成功。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖10所示。

由圖7、圖8可知：主站TwinCAT軟件中，寫入開關(guān)量1(即高電平)，從站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中LED被點(diǎn)亮，驗(yàn)證了主站到從站數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由圖9與圖10分析可得：對(duì)從站平臺(tái)按下按鍵，輸出低電子，上位機(jī)主站得到了從高電平到低電平的突變，從而從站到主站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性得到驗(yàn)證。綜上所述，主從站之間實(shí)現(xiàn)了雙工通信，并且驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的從站接口卡的可行性。

4.2 EtherCAT從站的實(shí)時(shí)性能測試

以SOURCEFORGE上開源的SOEM(Simple Open EtherCAT Master)軟件，基于嵌入式操作系統(tǒng)Linux的應(yīng)用環(huán)境，以及本設(shè)計(jì)中的從站接口卡作為測試平臺(tái)，對(duì)EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行測試分析。在不同從站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)下，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括主站控制周期平均值、環(huán)運(yùn)行時(shí)間。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計(jì)的從站接口卡達(dá)到了預(yù)定要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

分析表中數(shù)據(jù)可以得出：在不同從站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)下，周期是不變的(約為0.5 ms)，這是由主站來控制的;環(huán)運(yùn)行時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而成倍增加，每增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，環(huán)運(yùn)行時(shí)間增加1μs，也就是報(bào)文經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)延時(shí)時(shí)間約為500 ns，可以看出從站的實(shí)時(shí)性很好。

結(jié)語

針對(duì)EtherCAT應(yīng)用較廣，但在國內(nèi)起步較晚的現(xiàn)狀，本文詳細(xì)闡述了EtherCAT的組成、工作原理以及EtherCAT協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上，利用從站控制芯片ET1100設(shè)計(jì)了一種EtherCAT從站卡。此從站接口卡采用MII類型的物理通信接口與同步串行總線SPI進(jìn)行通信，傳輸介質(zhì)使用100BASE-TX規(guī)范UTP雙絞線纜，可以實(shí)現(xiàn)100 m內(nèi)的可靠傳輸，而且SPI通信方式具有接線少等優(yōu)點(diǎn)。

通過搭建實(shí)驗(yàn)乎臺(tái)，對(duì)簡單I/O開關(guān)量的主從站之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用SOEM對(duì)其實(shí)時(shí)性能進(jìn)行驗(yàn)證。綜上可知，本文設(shè)計(jì)的EtherCAT接口卡有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：具有較高實(shí)時(shí)性，滿足工業(yè)需求;具有較強(qiáng)的通用性，可以作為單獨(dú)的I/O從站，也可以融進(jìn)其他嵌入式設(shè)備中進(jìn)行更深層次的開發(fā)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。