基于ERTEC200P芯片的PROFINET IO工業以太網接口開發

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300301）

在“中國制造2025”的背景下，數字化工廠、智能工廠的概念被人們熟知。數字化工廠的本質是信息集成。在自動化領域，通訊技術、工業以太網技術的突破是信息集成的關鍵。

工業以太網技術的應用進一步提高了生產效率、優化利用資源、有利于生產規模的提升。在網絡連接方式上，需要更加靈活的網絡拓撲結構，具備更可靠的網絡冗余特性。在系統應用中，需要更強的抗干擾能力和強大的系統診斷功能。

PROFINET是一種適用于自動化領域的開放式以太網標準，實現了更高的通訊傳輸速率、更強的數字化技術和靈活的網絡技術[1]。PROFINET為用戶提供了一個完整的解決方案，覆蓋所有自動化領域的應用，可無縫集成現場總線系統，目前在自動化領域應用最為廣泛。

本文介紹了一種基于ERTEC200P芯片的PROFINET IO工業以太網接口開發設計方案，包括硬件設計、軟件實現以及通訊測試?；谠摲桨缚煽焖賹崿FPROFINET IO接口開發，對于拓展產品應用領域，提高產品競爭力具有很強的實際意義。

1 PROFINET和ERTEC200P

1.1 PROFINET協議簡介

PROFINET基于標準以太網實現，是一種實時的自動化技術。其中，PROFINET IO對應的中國國家標準為GB/T 25105.1—3—2014。

PROFINET采用100 Mb/s以太網，使用全雙工通信，在一條電纜上實現更多應用[2]。PROFINET是100%交換網絡，不需要中繼器就可以實現靈活的網絡拓撲結構。此外，PROFINET網絡為所有PROFINET設備提供設備診斷和網絡診斷，減少設備停機時間。

PROFINET采用獨立的通道用于IO數據輸出和TCP/IP，無需為TCP/IP準備額外網絡。PROFINET包含三種數據通訊方式，數據通道圖如圖1所示。

圖1 PROFINET數據通道圖Fig.1 Diagram of PROFINET data channel

1）標準數據通訊?；赥CP/IP協議，實現非實時（non real-time，NRT）數據通訊。用于傳遞參數化與配置信息，或讀取診斷數據。

2）實時（real-time，RT）數據通訊。RT通訊是非同步的，循環周期縮短至250 μs，支持100 Mb/s通信，適用于超過90%的自動化領域。PROFINET基于TCP/IP第二層協議，提供了優化的實時通訊通道，縮短數據處理時間。

3）同步實時（isochronous real-time，IRT）數據通訊。IRT技術保證確定性數據和互聯網協議數據同時傳輸，循環周期縮短至31.25 μs。數據傳輸和設備周期是同步的，循環時間縮短至125 μs，滿足高性能（如伺服）控制系統的要求。

1.2 ERTEC200P基本介紹

ERTEC200P是由西門子公司開發的增強型實時以太網控制器。主要特點為：集成了支持IRT的雙端口交換機，符合C類，循環時間可達31.25 μs。

ERTEC200P內部集成標準250 MHz ARM926 EJ-S處理器，可以作為單片系統，所有應用程序都在ERTEC200P實現[3]。其次，外部主機可以通過16/32位并行接口直接訪問片內地址空間IORAM，相當于內置的雙口RAM，將應用程序和通訊處理分開，構成雙核系統。

ERTEC200P包含PROFINET IP核（PN-IP），用于實現高速PROFINET通訊。PN-IP內核包含性能升級的“快速轉發”，“動態幀封裝”和“碎片”機制。因此，ERTEC200P支持開發IRT等實時通訊應用，PN-IP提供最小設備處理周期為31.25 μs的同步輸出。ERTEC 200P還允許無限制地訪問TCP/IP數據和服務，以便可以并行傳輸非時間關鍵數據。

ERTEC 200P適用于各種現場設備類型：快速IO設備、高精測量儀器、同步伺服驅動和編碼器以及所有高性能和智能自動化設備。

1.3 PN IO協議棧

基于ERTEC200P以太網控制器專用芯片，西門子提供完整的PROFINET IO協議棧，支持全部PROFINET規范內容。用戶無需關注協議棧具體實現，即可實現RPFOINET IO工業以太網接口開發。

PROFINET IO協議棧實現的主要功能包括：與PROFINET IO控制器之間的周期及非周期數據交互；處理診斷和硬件中斷，通訊模塊動態增加、刪除中斷；分配以太網使用IP地址及設備名。

PROFINET IO協議棧主要技術參數包括：協議棧版本為V4.5.0；通訊模式為支持RT，IRT；支持協議包括DCP，LLDP，MRP，CLRPC等；IO數據長度為單向最大1 440 B。

2 PROFINET IO硬件設計

基于ERTEC200P構建PROFINET IO設備開發方案。系統主要由基于ERTEC200P的PROFINET IO設備和TCU1變頻器控制單元組成。如圖2所示。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Diagram of hardware structure

圖2中，ERTEC200P+SDRAM+SPI FLASH組成PROFINET IO設備核心部分，構成PROFINET協議棧和用戶程序運行的最小系統。ERTEC200P和SDRAM之間通過16位數據寬度實現高速讀寫。SDRAM存儲器容量為64 MB，SPI FLASH容量為32 MB，滿足PROFINET協議棧和用戶程序的需求。

PROFINET IO設備外部接口：

1）通過20針2.54 mm標準JTAG接口，為ERTEC200P提供程序下載與調試功能。

2）通過3.3 V TTL UART，提供PROFINET協議棧系統運行調試接口。

3）通過網絡變壓器，RJ45接口等，實現2路100 Mb/s PROFINET以太網接口。

4）通過GPIO接口拓展3個LED發光二極管，指示協議棧和系統運行狀態。

5）通過SPI接口連接ERTEC200P與變頻器控制單元，兼容控制器原有接口。

3 PROFINET IO軟件設計

3.1 軟件任務結構

ERTEC200P基于eCos實時操作系統創建系統任務，實現時鐘處理、串口通訊、網絡參數設置、通訊連接處理、PROFINET IO數據更新、通訊狀態顯示、控制器數據處理與交互[4]。系統軟件結構圖如圖3所示。

圖3 軟件結構圖Fig.3 Diagram of software structure

圖3中，各主要組成部分功能如下：

1）Task_MainApp任務負責系統控制，創建PNIO協議棧，初始化PNIO設備信息，檢測協議棧工作狀態。

2）Task_PNPB是PNIO協議棧任務，用于事件處理，如通訊連接關系的建立與斷開，模塊與子模塊的動態插入與刪除，數據處理的更新。Task_PNPB任務負責處理與Task_CycleIO任務的數據交互。

3）Task_RS232任務，用于串口調試，根據串口命令執行相應操作對應的狀態信息。

4）Task_LED任務，根據PROFINET協議棧運行狀態和控制器通訊狀態，控制指示燈的工作狀態。

5）Task_CycleIO任務，根據觸發信號，周期執行PROFINET協議棧與用戶緩存區之間的IO數據交互。根據TRANS_END事件作為觸發信號，或者是固定周期產生的觸發信號，更新設備輸入輸出數據。

IRT通訊模式中，在周期數據的傳輸結束時刻，當所有的控制器IO CR和所有用戶IO CR連接全部完成時生成TRANS_END事件。

6）Task_EXCH任務，根據PROFINET IO設備輸入輸出模型，控制PROFINET IO數據到通訊數據區的轉換。

3.2 數據存取模型

PROFINET IO設備數據存取模型如圖4所示。

圖4 數據存取模型Fig.4 Diagram of data access model

PROFINET IO設備與PROFINET IO控制器建立通訊連接后，在PNIO_cbf_ar_ownership_ind中獲取所有設備組態信息。其中，槽（slot）對應模塊（module），子槽（subslot）對應子模塊（submodule）。然后通過PNIO_sub_plug添加必要的模塊信息。

PROIFNET IO設備調用PNIO_initiate_data_read，接收PROFINET IO控制器下發數據，將PNIO緩沖區數據，根據對應關系放到槽和子槽中。同時，調用PNIO_initiate_data_write，把槽和子槽中數據更新到PNIO緩沖區，上傳給PROFINET IO控制器。

PROFINET IO設備根據通信連接關系和子模塊屬性，按照模塊順序、輸入輸出類型和IO長度，將輸入輸出數據存儲到過程數據緩存區[5]。子模塊屬性在設備GSD文件中定義，表明PROFINET IO設備支持的輸入輸出模塊信息。通過過程緩存區，PROFINET IO設備通過SPI接口實現與變頻器控制單元的數據交換。SPI為全雙工通信。PROFINET IO設備將基于PROFINET IO控制器產生的輸出數據傳送到控制單元，同時將控制單元返回數據傳送到PROFINET IO控制器。

3.3 SPI通信協議

PROFINET IO與變頻器控制單元通過SPI通信方式實現數據交換。一方面ERTEC200P提供SPI外設，開發方便；另一方面，兼容控制器原有接口，根據不同應用場合，可以實現外部通訊模塊無縫替換。

SPI通信協議根據傳輸類型分為兩類，一種是周期性傳輸的通信數據幀，一種是非周期傳輸的通信參數幀，SPI通信協議如圖5所示。

圖5 SPI通信協議Fig.5 SPI communication protocol

3.3.1 通信數據幀

命令字為0x01，表示當前傳輸為數據幀。

模塊ID說明當前通訊模塊類型，SPI協議設計兼容原有通訊模塊，如PROFIBUS DP，對于底層設備而言，可實現無縫替換。

狀態字指示PROFINET IO設備與PROFINET IO控制器的通訊連接狀態。連接關系建立后，從通訊斷開狀態切換到通訊連接狀態。根據數據有效性，在通訊連接狀態，當數據傳輸內容不符時，切換到通訊報警狀態。

根據模塊屬性計算數據區長度，根據過程數據填充數據區內容。通信數據幀為周期性傳輸，當PROFINET IO數據更新后，立即發起和控制單元的數據交換?？刂破骰貜偷臄祿袷脚c發送格式一致，除了模塊ID對應為設備ID，表明當前連接的底層設備信息。

3.3.2 通信參數幀

命令字為0x02，表示當前傳輸為參數幀。

參數幀為非周期數據幀，當PROFINET IO設備初始化，或設備參數信息發生變化時發起傳輸。

參數幀的數據傳輸內容固定，包含6個B的MAC地址和6個B的IP地址，因此無需額外說明數據區長度。

控制器解析到有效數據后，通過外部接口顯示PROFINET設備信息，方便觀測與配置。

4 PROFINET通信測試

通過PROFINET IO控制器到底層設備之間的通信測試，驗證PROFINET IO接口開發功能。測試環境硬件結構圖如圖6所示。

圖6 測試環境結構圖Fig.6 Diagram of test environment

測試環境由PLC S7-1500（PROFINET IO控制器）、PROFINETIO接口設備（ERTEC200P）、TCU1控制板、具備端口鏡像功能的交換機以及安裝TIA Portal V13軟件和wireshark軟件的PC機組成。

首先，將PROFINET IO控制器（PLC S7-1500）經交換機連接ERTEC200P與TCU1控制單元。然后將交換機右側兩個端口配置為鏡像端口，其中一個端口連接到PC機，以便通過wireshark軟件抓取PROFINET通信報文，分析網絡數據包。

通過博圖軟件配置設備組態信息，將PLC S7-1500的IP地址設置為192.168.0.1，PROFINET IO設備的IP地址設置為192.168.0.2，設備通訊模塊Slot1Subslot1選擇64 B輸入，輸入地址IW0-63；Slot2Subslot1選擇64 B輸出，輸出地址QW0-63；如圖7所示。

設置TCU1控制單元，將PLC-1500下發數據回傳。通過博圖軟件在線觀測，比較輸出數據（強制參數值表）與輸入數據（觀測參數值表）二者對應關系，如圖8所示。

圖7 設備組態圖Fig.7 Diagram of device configuration

圖8 輸入數據與輸出數據Fig.8 Diagram of input data and output data

圖8中，將輸出參數值QW8～QW14依次強制為0x5566，0x7788，0x99AA，0xBBCC。輸入參數值與下方的輸出參數值是一致的，說明PLC到TCU1控制器之間數據交互正常，PROFINET IO設備的協議轉換功能實現。

通過wireshark軟件抓取PROFINET通信報文，如圖9所示。

分析抓取數據包，前6個字節0x28，0x63，0x36，0x8b，0xc5，0x66為目的MAC地址，是西門子PLC的MAC地址。接下來的6個字節0x80，0x20，0xcb，0x30，0x06，0xfc為目的MAC地址，是PROFINET IO設備的MAC地址。表明當前數據傳輸方向為從PROFINET IO設備到PLC。接下來的兩個字節0x88，0x92表明當前數據幀為PROFINET 協議幀。中間的 0x55，0x66，0x77，0x88，0x99，0xaa，0xbb，0xcc對應輸入數據。同樣，說明RPFOIENT IO設備轉換功能正常。

圖9 數據包分析Fig.9 Packet analysis

5 結論

本文從開發的角度介紹了一種基于ERTEC200P的PROFINET IO接口的快速實現方案，包括硬件設計、軟件實現與通信測試。本通訊模塊及其配套應用產品TAC1系列變頻器已委托中國PROFIBUS & PROFINET協會（PI-China）進行檢測并順利通過認證測試，充分驗證了方案設計的合理性。通過該設計方案將TACI變頻器產品快速集成到PROFINET網絡，滿足了現場應用的需求，具有很強的實際意義。