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的從站硬件設計。憑借dsPICDEM1.1Plus Development Board開發(fā)平臺和TwinCAT軟件，驗證了EtherCAT主從站之間的I/O開關量的通信，并通過SOEM軟件和Linux平臺，驗證了EtherCAT從站接口卡的實時性能。

引言

將以太網(wǎng)技術應用于工業(yè)控制領域形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術是當前工業(yè)控制網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線技術的一個很重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線具有性價比高、傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大、可接入標準以太網(wǎng)端等優(yōu)點。目前，主要的實時以太網(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技術是由德國Beckhoff自動化公司提出的，該技術以其優(yōu)越的性能獲得越來越多的關注。2003年底成立的ETG(Ethernet Techno logy Group)組織負責EtherCAT技術的維護和推廣。該組織已經(jīng)擁有逾千個成員，很多成員已經(jīng)推出相關產(chǎn)品。相關產(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)動器(Elmo Golden);而國內(nèi)在此領域還處于起步階段，只有少數(shù)公司有所涉及，如上海新華集團公司開發(fā)了一套基于EtherCAT技術的DCS控制系統(tǒng)等。對此，本文對工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的硬件和軟件部分進行開發(fā)，最終通過實驗驗證了所開發(fā)的EtherCAT從站具有較高實時性，滿足工業(yè)控制需求。

1 EtherCAT技術介紹

1.1 EtherCAT組成及運行原理

EtherCAT使用全雙工通信技術構成主從結(jié)構，主站使用標準的以太網(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核構成，TI公司已推出帶有EtherCAT功能的微控制器M335X。

EtherCAT的運行原理如圖1所示，圖中j為從站個數(shù)，j=1，2，…，i，…，n。主站發(fā)出下行電報，數(shù)據(jù)幀遍訪所有從站，在數(shù)據(jù)幀到達每個從站時，從站解析出本機報文，并對報文數(shù)據(jù)進行處理，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€從站，從站再進行類似的處理，直至傳輸完整個回路。最后一個從站發(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，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站，完成一個周期的數(shù)據(jù)處理。

1.2 EtherCAT協(xié)議

EtherCAT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構如圖2所示。從圖中可以看出，它采用的是標準的以太網(wǎng)幀結(jié)構，幀類型為0x88A4。數(shù)據(jù)包由EtherCAT頭和Ether CAT數(shù)據(jù)組成，而若干個子報文又組成了數(shù)據(jù)區(qū)。子報文又由子報文頭、數(shù)據(jù)域及工作計數(shù)器組成。子報文頭決定該子報文應傳輸?shù)綄膹恼荆约霸搹恼緦ψ訄笪倪M行讀或者寫操作。在主從站通信的過程中，16位的工作計數(shù)器(WKC)的值顯得尤為重要。主站發(fā)起周期控制的時候，預先給定WKC一個值，當數(shù)據(jù)幀遍歷完整個設備的時候，通過對比返回的WKC值，可以驗證數(shù)據(jù)報文是否被EtherCAT從站節(jié)點正確處理。

2 EtherCAT從站硬件設計

2.1 整體結(jié)構

本文設計的從站硬件電路由物理通信接口、從站控制器及其外圍設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從站硬件設計最關鍵的部分，此部分是實現(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。為了拓展本設計從站接口卡對微處理器的通用性，PDI接口部分引腳引出，可以實現(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)的驗證試驗中，為了測試與接線的方便，使用SPI接口與微處理器進行通信。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ET1100的配置信息;電源模塊采用的是體積小、價格便宜的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是一個功能強大的從站控制器，可以提供4個物理通信端口，實現(xiàn)各種類型的拓撲結(jié)構，且每個端口皆可配置為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ET1100的外圍引腳P_MODE[1：0]和P_CONFIG[3：0]進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，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，ET1100的MII接口省略了發(fā)送FIFO，最遠傳輸距離為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LVDS，最遠傳輸距離為10m。

本設計中，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進行數(shù)據(jù)交換的接口，是底層接口電路，為上層復雜的應用協(xié)議提供硬件基礎。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，這三種接口的實現(xiàn)通過PDI控制寄存器0x140取不同的值來實現(xiàn)。而ET1100中控制寄存器的值是上電時自動加載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。當此引腳信號為高電平時，表示配置信息被正確加載，此時端口才會被激活。本設計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)的測試實驗中使用SPI接口與測試開發(fā)板進行連接。

綜合以上信息，本文詳細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，最終設計的具體電路的實物圖如圖5所示。

3 EtherCAT從站軟件設計

EtherCAT從站的軟件設計主要包括微處理器的軟件設計和ET1100的軟件設計。在本設計中，由于嵌入式主站的設計工作很復雜，所以本測試的主站由PC機擔任，PC機通過倍福公司的TwinCAT軟件實現(xiàn)主站功能，主要負責所有從站設備的工作狀態(tài)以及管理主從站之間的數(shù)據(jù)通信。

ET1100的軟件設計就是把配置好的與硬件相符的XML文件燒寫到EEPROM中，最終實現(xiàn)主從站之間的通信。微處理器dsPIC30F6014A的軟件設計通過操作ET1100實現(xiàn)應用層協(xié)議，其任務主要完成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)場總線邏輯單元進行尋址，緩沖區(qū)可以被主從節(jié)點同時訪問;非周期性數(shù)據(jù)通信采用郵箱方式進行，郵箱數(shù)據(jù)通信使用兩個存儲同步管理通道，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，并且只有當內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部讀出時，一端才能重新寫入數(shù)據(jù)。本實驗中，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 測驗測試及分析

4.1 I/O開關量的實驗測試與分析

以設計的基于從站控制器ET1100的EtherCAT從站接口卡和Microchip公司的dsPICDEM1.1 Plus Development Board開發(fā)板構成從站設備，PC機憑借德國倍福公司開發(fā)的TwinCAT軟件作為主站設備搭建實驗平臺。首先，打開TwinCAT軟件中的System Manager功能，找到I/O Device，單擊鼠標右鍵掃描設備，找到BOX設備，燒寫XML配置文件到ET1100中，完成特定功能的配置，按照功能要求對從站接口板與開發(fā)板進行正確的連線。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，來驗證EtherCAT中主從站之間的通信是否成功。具體實驗結(jié)果如圖7～圖10所示。

由圖7、圖8可知：主站TwinCAT軟件中，寫入開關量1(即高電平)，從站實驗平臺中LED被點亮，驗證了主站到從站數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由圖9與圖10分析可得：對從站平臺按下按鍵，輸出低電子，上位機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_性得到驗證。綜上所述，主從站之間實現(xiàn)了雙工通信，并且驗證了所設計的從站接口卡的可行性。

4.2 EtherCAT從站的實時性能測試

以SOURCEFORGE上開源的SOEM(Simple Open EtherCAT Master)軟件，基于嵌入式操作系統(tǒng)Linux的應用環(huán)境，以及本設計中的從站接口卡作為測試平臺，對EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性進行測試分析。在不同從站節(jié)點個數(shù)組建的網(wǎng)絡下，采集實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)包括主站控制周期平均值、環(huán)運行時間。通過分析實驗數(shù)據(jù)可知，本設計的從站接口卡達到了預定要求，實驗數(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)點個數(shù)組建的網(wǎng)絡下，周期是不變的(約為0.5 ms)，這是由主站來控制的;環(huán)運行時間隨著節(jié)點數(shù)的增加而成倍增加，每增加一個節(jié)點，環(huán)運行時間增加1μs，也就是報文經(jīng)過每個節(jié)點時延時時間約為500 ns，可以看出從站的實時性很好。

結(jié)語

針對EtherCAT應用較廣，但在國內(nèi)起步較晚的現(xiàn)狀，本文詳細闡述了EtherCAT的組成、工作原理以及EtherCAT協(xié)議，并在此基礎上，利用從站控制芯片ET1100設計了一種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進行通信，傳輸介質(zhì)使用100BASE-TX規(guī)范UTP雙絞線纜，可以實現(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。

通過搭建實驗乎臺，對簡單I/O開關量的主從站之間的數(shù)據(jù)傳輸進行了驗證，并利用SOEM對其實時性能進行驗證。綜上可知，本文設計的EtherCAT接口卡有兩方面的優(yōu)點：具有較高實時性，滿足工業(yè)需求;具有較強的通用性，可以作為單獨的I/O從站，也可以融進其他嵌入式設備中進行更深層次的開發(fā)，進一步提高系統(tǒng)的實時性。