基于以太網器件的高性能工業現場總線FED

胡 星 郇 極 劉 喆

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

近年來基于以太網的工業現場總線已經成為工業控制設備現場總線的發展方向.國際電工委員會IEC于2007年頒布了10種基于以太網的現場總線標準，如 EtherCAT，PROFINET，SERCOSⅢ等［1］.這些總線具有豐富的控制功能，能夠覆蓋從小規模自動化設備到超大規模自動化車間和工廠的應用需求.但是它們的技術使用難度較大，需要開發大量的驅動程序而且配置過程非常復雜.在工業自動化領域中，用于設備控制的現場總線占有很大的應用需求比例.例如:數控機床中數控系統與伺服裝置的通信，工業機器人控制系統與伺服裝置的通信，它們通常要求很高的通信速度和很高的通信可靠性，但是不要求很復雜的可配置性.適用于大規模車間和工廠的現場總線對于這些應用來說過于復雜，這類應用需要開發一種配置簡便、低成本、高可靠性的現場總線.以太網在計算機網絡領域中獲得了廣泛應用，強大的市場需求使其核心物理層器件得以大規模生產，在性能和成本方面顯示出極大的優越性.因此本文提出一種基于以太網器件的工業現場總線FED(Fieldbus based on Ethernet Devices).FED 主要面向工業自動化設備，使用便捷無需復雜驅動程序，自動完成網絡的建立和通信的準備工作，能在底層網絡透明的情況下實現高速實時通信.

1 FED結構和工作原理

工業以太網通常將ISO/OSI定義的標準7層通信模型簡化為3層模型，分別為物理層、數據鏈路層和應用層［1］.3層結構如圖1所示.FED采用通用以太網物理層器件(帶變壓器trafo的RJ45接頭和PHY芯片)和專門開發的FPGA片上系統(SOC，System On Chip)分別實現物理層和鏈路層.應用層可以由設備用戶自行定義，也可以采用目前自動化設備常用的通信協議，例如CANopen，SERCOS等.

FED原理如圖2所示，采用了主從式控制方式，線性拓撲結構，主站與上層的控制器相連，從站與上層的IO設備或者伺服電機相連.FED數據傳輸率為100 Mbit/s，站點連接使用100BASETX標準電纜，最大距離100m，主站可以最多掛接255個從站.主從站采用統一的硬件結構，FED站點可以被配置成為主站或者從站.主站負責參數設定、指令發送、過程數據采集和狀態信息的讀取，并且對系統的異常做出處理.從站負責指令數據提取和狀態信息寫入.

圖1 FED的體系結構

圖2 FED結構和運行原理

站點的Rx為接收端口，Tx為發送端口.主站發出下行數據幀，遍歷所有從站設備.每個從站在數據幀經過時交換其中的數據，然后傳遞報文給下一個從站，最后一個從站把經過完全處理的數據幀作為上行數據幀返回發送給主站，主站收到上行數據幀后，處理返回數據，一次通訊結束.

2 FED數據幀格式和通信模式

2.1 數據幀格式

在FED協議中，主站把給從站發送的所有信息打包到一個數據幀內，這種數據幀稱為集總幀.

通用以太網因為考慮到載波偵聽的碰撞檢測機制的效率問題，規定網絡上傳輸的幀大小不能超過1 536 Byte.FED使用的是全雙工傳輸，由于沒有沖突檢測和回退機制，FED集總幀的長度可以超過普通以太網規定的標準幀長度.

FED數據幀的格式如圖3所示.FED協議規定了“FED 幀頭”包含了“Preamble”，“SFD”和“標識碼”3個字段.“Preamble”和“SFD”是指IEEE 802.3標準所規定的前導碼和幀起始界定符;“標識碼”包含“U/D”、“保留”和“幀類型”3個字段;“U/D”位用來標記該數據幀是上行還是下行;“保留”是系統保留的擴展功能控制位;“幀類型”是用來區分FED不同運行過程中使用的數據幀;“數據區”是指數據幀的具體內容;“FCS”是指采用了CRC32的幀校驗序列.

圖3 FED幀格式

FED有3個運行過程:編碼配置過程、讀寫空間配置過程和周期運行過程.在這3個過程分別使用編碼配置幀(幀類型=0)、讀寫空間配置幀(幀類型=1)和數據空間幀(幀類型=2).

2.2 編碼配置過程

FED從系統上電開始進入編碼配置過程，在編碼配置過程中使用編碼配置幀.該配置幀如圖4所示，“當前站號”是指配置幀從主站發出后每經過一個從站加1，表明從站在系統中物理位置編號;“從站本地編碼區”中是由各從站硬件設定的從站本地編碼.

圖4 編碼配置幀

主站首先發出編碼配置幀，幀的“當前站號”為0，“從站本地編碼區”為空.配置幀經過第一個從站時從站把“當前站號”加1，把本地編碼順序填寫在“從站本地編碼區”中，最后把“幀校驗序列”重新計算后發給下一個從站.幀依次傳遞，每一個從站都進行上述操作，當配置幀經過最后一個從站返回主站的時候，主站不僅獲取了系統中的從站數量，而且獲得了各從站的本地編碼和物理位置編號的對應關系，本文把這種對應關系稱為編碼映射.如果各從站的本地編碼沒有沖突，這個配置過程只要1次通訊就能完成，如果有沖突主站會停止并報警.

2.3 讀寫空間配置過程

接下來FED進入到配置過程的第2步——讀寫空間配置過程，在編碼配置過程中使用編碼配置幀.該配置幀如圖5所示.“當前數據地址指針”是當前從站的讀寫數據在數據空間中的起始地址，用來給從站建立數據地址映射;“空間申請表”標示各從站讀空間大小和寫空間大小，反應了各從站申請的讀寫空間長度的大小.

圖5 讀寫空間配置幀

主站發出讀寫空間配置幀，幀的“當前站號”為0，“當前數據地址指針”為0，“空間申請表”內容為空.配置幀經過第1個從站時從站把當前站號加1，把需要申請的讀寫空間大小順序填入“空間申請表”中，并把“當前數據地址指針”加上該從站所占用的讀寫空間總長度，最后把“幀校驗序列”重新計算后發給下一個從站.幀依次傳遞，每一個從站都進行上述操作，當配置幀經過最后一個從站返回主站的時候，主站就能得到所有從站的讀寫數據空間在數據空間幀中的對應關系.本文把這種對應關系稱為數據映射.該配置過程1次通訊可以完成.

2.4 周期運行過程

主站在自動完成編碼配置過程和讀寫空間配置過程后立即通知上層控制器，上層控制器根據編碼映射和數據映射控制主站對從站開始周期性數據操作.

主站按照設定好的控制周期，每一個周期發送一個數據空間幀.數據空間幀如圖6所示.“索引表”標明了主站決定的每個從站讀寫數據權限;“周期性數據區”中從站數據按照從站在系統中的物理位置，也就是在配置過程中數據幀經過從站的先后順序進行排列.

圖6 數據空間幀

從站按照在系統中的物理位置依次占用索引表的2位比特，這2位比特稱為該從站的索引位.例如索引表的第1個字節可以作為從站1到從站4的索引位.2位比特的第1位表示從站讀權限，第2位表示從站寫權限.權限位的值如果為0則表示從站沒有相應的操作權限，值為1則表示從站有相應的操作權限.數據空間幀經過從站時，從站按照操作權限對本站的周期性數據進行操作，然后反轉索引位.例如從站如果進行了讀操作就把讀權限位的1反轉到0，如果進行了寫操作就把寫權限位的1反轉到0，如果該從站既沒有讀權限也沒有寫權限則把索引位的00反轉到11.該操作的意義是提示主站該從站正確操作了權限范圍內的周期性數據，同時告知主站從站處于正常的工作狀態，有利于主站對于網絡和站點情況的監控和診斷，索引位的反轉操作見表1.

表1 索引位的反轉操作

從站在數據空間幀經過時讀取控制數據執行指令，同時把狀態數據寫入幀中，反轉索引位.數據空間幀返回主站后，主站對每個從站的狀態數據和索引位進行甄別和處理并且準備開始下一周期的發送.在系統中運行的數據空間幀實際上就是一個以控制周期為基準定時刷新的數據空間，供主從站交換數據.

3 基于SOC的主從站實現方法及實驗

3.1 飛讀寫的實現

飛讀寫功能可以使FED從站在接收的同時處理并轉發數據幀.如圖7所示，從站一旦探測到數據幀的到來，FPGA中的飛讀寫模塊(Fly_moudle)就開始工作.模塊監視正在經過從站的數據幀位置，如果該位置是本從站的讀地址，那么模塊將數據幀中該位置的字節復制出一個副本，同時數據幀不停留直接被發送出該從站.當數據幀中從站讀地址的數據字節被全部復制，副本數據會被組合成為完整的數據供從站上層設備訪問;如果模塊監視到經過從站的數據幀位置是本從站的寫地址，模塊會將準備好寫入的字節替代當前數據幀中該位置的數據，同時數據幀立即被發送出該從站.飛讀寫功能使若干從站可以同時處理集總幀的不同部分，因此保證了通信的快速性和實時性.

圖7 飛讀寫功能

圖8 主從站結構功能圖

3.2 主從站構成

針對FED這種易操作的以太網現場總線，主從站使用相同的硬件結構，統一的硬件和接口使安裝和匹配更簡便.站點可以使用FPGA引腳電平設定站點類型和配置參數，例如主站的主從屬性和讀寫空間.

考慮到主從站系統功能的復雜性和可擴展性，主從站FPGA內的模塊結構如圖8虛線框內所示.片上 NiosII軟處理器通過 Avalon MM和Avalon DMA兩種片上總線接口連接了各種硬件描述功能模塊.其中主站獨有負責幀生成和幀接收的Control_moudule模塊，而從站獨有負責飛讀寫的Fly_module模塊和負責幀轉發的Loop_module 模塊，其余的 Config，Registers，MII_control，Receive和Transmit 5個模塊為主從站通用模塊.Config負責芯片的主從屬性和從站本地編碼等基本配置，Registers為功能寄存器模塊，MII_control為管理PHY芯片的模塊，Receive和Transmit為接收和發送數據流的模塊.NiosII還通過Avalon MM接口和片內DPRAM相連，主從站的上層設備通過DPRAM和FED站點進行數據交換.

3.3 實 驗

為了測試FED主從站性能，如圖9所示，作者搭建了站點間電纜長度為15 m的單主站雙從站的測試系統.數據延遲分析如圖10所示.SignalTAP是一款功能強大且極具實用性的FPGA片上調試工具.據SignalTAP測量數據，在FED從站中數據幀從PHY的MII接收引腳到FPGA，經過FPGA處理后再到MII發送管腳需要的延時tf=760 ns.根據芯片手冊，PHY芯片接收數據的最大延時tr=110ns，發送數據的最大延時tt=60ns，數據幀在15 m電纜上傳播的延時tw=50ns，因此經過一個從站的總延時 ts=0.98 μs.

圖9 實驗驗證系統

圖10 數據幀延遲分析

4 結論

在線性拓撲中每個數據幀會2次經過同一個從站，在本實驗系統中2個從站會帶來4 μs的延遲.根據主站的SignalTAP測量結果，主站發出數據幀和收到數據幀的間隔為4 μs，與計算數據一致.根據實驗結果可知在系統掛載最多255個從站，每個從站為2 Byte輸入2 Byte輸出數據時，系統的最小控制周期可以達到0.51 ms.其實時通信能力遠遠超過目前流行的現場總線RS485和CAN.因此FED完全滿足CNC、工業機器人等自動化設備對于高速實時通信的需求.

References)

［1］郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010:1－28，115－120 Huan Ji，Liu Yanqiang.Design and application of industrial Ethernet fieldbus EtherCAT drivers［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2010:1 － 28，115 － 120(in Chinese)

［2］郇極，尹旭峰.數字伺服通訊協議SERCOS驅動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:19－27 Huan Ji，Yin Xufeng.Design and application of digital servo communications protocol SERCOS drivers［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005:19 － 27(in Chinese)

［3］張鳳登.從MAC角度分析現場總線的多樣性［J］.自動化儀表，2009，30(7):1 －5 Zhang Fengdeng.Analyzing the diversificationn of fieldbus standards from the viewpoint of media access control［J］.Process Automation Instrumentation，2009，30(7):1 －5(in Chinese)

［4］Bechhoff Information System.Products ＆ solution CD［EB/CD］.Eiserstraβe:Beckhoff Inc，2007［2012-02-03］

［5］EtherCAT Technology Group.EtherCAT_SoE_specification_V1.01.pdf，version 1.01［EB/OL］.Nuremberg:EtherCAT Technology Group，2010［2012-02-03］.http://www.ethercat.org/cn/publications.html#logo

［6］Rafal C，Lukasz H.Field level industrial Ethernet network data analysis［J］.Communications in Computer and Information Science，2011，160:358 －366

［7］Xiong Jianqiao，Xiong Xiaosong.The research of CNC communication based on industrial Ethernet［J］.Electrical Engineering and Control，2011，98:689 －694

［8］劉喆，郇極，劉艷強.基于XML的EtherCAT工業以太網協議解析技術［J］.北京航空航天大學學報，2011，37(9):1086－1090 Liu Zhe，Huan Ji，Liu Yanqing.Parser of industrial Ethernet EtherCAT bassed on XML［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37(9):1086 － 1090(in Chinese)