基于ET1100 的EtherCAT 測控從站設計與實現

孔偉，陳為

（青島科技大學自動化與電子工程學院，山東青島 266000）

在工業(yè)控制現場，如何將節(jié)點控制及測量信號準確并迅速傳達是現場總線在自動化領域的發(fā)展熱點之一。把以太網技術應用在工業(yè)控制領域，用于滿足工業(yè)控制中高數據量、長傳輸距離及高實時性的性能指標要求，成為了實時工業(yè)以太網的研究熱點[1]。

在基于EtherCAT 技術中，應用IgH 作為主站和修改Linux 內核達到主站的需求成為不同的研究方向[2-4]。有學者采用LAN9252 作為從站控制器來進行遠端數據采集與測量[5-6]。在主站的控制方案中，學者采用倍福TwinCAT 作為主站實現從站的控制[7-8]。同時也對網絡實時性和安全性進行了分析與研究[9-13]。

文中基于EtherCAT 技術設計遠程節(jié)點，使用CODESYS 軟PLC 對節(jié)點進行控制，并設計以網頁的模式顯示控制狀態(tài)與測量數據。同時通過抓包工具對網絡的實時性與可靠性進行分析。

1 系統(tǒng)原理與結構

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)設計遠程節(jié)點從站，根據EtherCAT 運行原理及拓撲結構，系統(tǒng)在從站RJ45 網口懸空后，ESC（從站控制器）自動閉合，產生數據回傳。EtherCAT系統(tǒng)運行如圖1 所示。系統(tǒng)主站采用CODESYS 軟件，將CODESYS 中的Runtime 移植到樹莓派中，使得樹莓派上的外設資源也可以進行使用，同時獲取與使用從站中的數據。系統(tǒng)從站使用倍福公司推出的EtherCAT 專用芯片ET1100 實現EtherCAT 數據的處理，采用STM32F405 微處理器完成主站對從站信號的通信與控制。微處理器STM32F405 上的外設資源豐富，該文設計有8 路數字量輸入/輸出，1 路模擬量輸入/輸出，RS485 通信接口的節(jié)點。通過這幾部分外設資源完成對從站節(jié)點的測量及控制。在標準瀏覽器中顯示可視化界面，完成監(jiān)控與顯示。

圖1 EtherCAT系統(tǒng)運行

1.2 系統(tǒng)工作原理

EtherCAT 網絡是主從結構網絡，主站是網絡中的核心，是通信的發(fā)起者。在網絡中，EtherCAT 主站首先通過標準以太網數據幀頭中的MAC 地址尋址到設備網段，然后通過設備尋址或者邏輯尋址的方式尋址到從站設備，最后通過周期性過程數據通信或者非周期性數據通信完成數據的交互[1]。

在EtherCAT 網絡中利用以太網全雙工工作方式，并利用“On Fly”方式進行報文處理。主站將數據報文發(fā)出，每個從站根據自身ID 地址分辨數據報文中含有自身地址的報文，將數據報文進行讀取或者插入數據，然后WKC（工作計數器）增1，表示完成了對這個地址報文的處理。將報文傳送至下一從站，再次進行讀寫操作。當最后一個從站RJ45 網口存在懸空狀態(tài)，這個從站就會將自身處理完成的報文發(fā)送至主站，這樣就完成一次主站與從站之間的通信。在這個通信過程中，主站將控制數據報文下發(fā)到每一個從站中，完成對從站的控制[14-15]。

在從站對數據讀取或者插入過程中，從站將各自的信息已經寫入到報文中，將從站外設資源的狀態(tài)返回到主站，主站通過讀取其中的數據實現節(jié)點的測量。經過報文的內容，主站將從站的控制狀態(tài)和測量數據在網頁上進行顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 EtherCAT從站控制器（ESC）電路設計

在EtherCAT 從站控制器（ESC）解決方案對比后，選擇倍福公司的ET1100 進行從站實現。ESC 是從站實現EtherCAT 應用層通信協(xié)議處理，是從站實現的關鍵。ESC 在石英晶體電路上選擇25 MHz 時鐘源產生時鐘信號；與微處理器STM32 通信方式選擇SPI（串行外設接口）方式進行數據交換。EEPROM 用于存儲從站信息（ESI），以保證從站信息在從站上電時能夠裝入到對應寄存器中，與ESC通信是通過I2C（Inter-Integrated Circuit）的方式進行數據交互。對比MII（Media Independent Interface）接口與EBUS 接口可知，EBUS（倍福公司使用LVDS 標準定義的數據傳輸標準）在降低時延的同時縮短了通信距離，在與以太網物理層器件PHY 相連時選擇了MII接口。由于在對ESC使用時必須要配置工作模式，且工作模式是由硬件接口電路進行拉高或者拉低實現，這就要求在對ESC 芯片外圍電路設計時配置相應的上拉或下拉電阻。ESC 硬件結構圖如圖2所示。

圖2 ESC硬件結構圖

2.2 EtherCAT從站微處理器電路設計

在對比ARM、FPGA、DSP 等處理器后，該文旨在實現節(jié)點的簡單控制與測量，涉及到信號處理加工較少，因此選擇基于ARM 內核的STM32 可以完成系統(tǒng)所需。在這一部分中，該文需要設計的有1 路模擬量輸入/輸出，8 路數字量輸入/輸出，RS485 通信接口。

在模擬量輸入/輸出接口電路中，使用STM32F4中自帶的12 位ADC/DAC 轉化器。由于設計中將參考電壓鉗制為3.3 V，這就需要在保證模擬量輸入輸出在0～3.3 V 范圍內，同時在模擬量輸入中，設計了滑動變阻器，直接將變阻器經過分壓后的電壓接入到引腳中，如圖3 所示。

圖3 模擬量輸入電路

在數字量輸入輸出電路中，選擇撥碼開關作為數字量輸入，在STM32 引腳輸出時設計上拉電阻將LED 點亮，完成數字量輸出電路。在RS485 通信接口電路設計時，選擇SP3485 芯片完成對接口電路的實現。該文設計的EtherCAT 從站微處理器電路能夠實現在工業(yè)現場多種信號的處理與控制，并且可以與RS485 接口設備進行通信，實現較復雜的控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 從站棧代碼設計

EtherCAT 從站棧代碼由用戶應用層、通用EtherCAT 棧和硬件抽象與PDI（過程數據接口）三部分組成。在該文中用戶應用層實現節(jié)點控制與數據的采集任務；通用EtherCAT 棧是完成EtherCAT 協(xié)議的郵箱等通信任務；硬件抽象與PDI 實現將硬件與軟件相對應硬件抽象接口任務。這樣一種高內聚低耦合的編程結構使得程序健壯性得以更好體現[16]。

3.2 節(jié)點控制與采集程序設計

節(jié)點控制與測量程序包含1 路模擬量輸入輸出、8 路數字量輸入輸出和RS485 接口這三部分[17-18]。使用STM32F405 的ADC 轉換器時，采用STM32 自帶的12 位的模數轉化器，使用單次轉換模式。在DAC轉換器中，同樣設置為12 位模式進行程序編寫。在8 路數字量輸入輸出中，分別對不同的I/O 口進行設為高電平或者低電平的操作即可。在RS485 接口中，僅將接口打開使能，未將主流協(xié)議進行編寫，例如MODBUS 協(xié)議等。

3.3 從站通信程序設計

EtherCAT 從站通信程序是完成從站與主站通信的整個協(xié)議，實現數據鏈路層的核心，包括郵箱通信，支持的CoE（CANopen over EtherCAT）與SoE（Servo Drive over EtherCAT）等行規(guī)，以及過程數據通信和狀態(tài)機等任務。

在通信過程中，主函數的執(zhí)行過程如圖4 所示。從站運行包含自由運行模式、同步模式和DC（分布式時鐘）模式這三種運行模式，該文設計采用自由運行模式。自由運行模式處理周期性數據是以查詢的方式進行工作。在執(zhí)行狀態(tài)機管理機制時，表明查詢狀態(tài)機改變事件請求位發(fā)生了改變，同時主站需要檢查必須的SM（同步管理器）配置是否正確，正確后再開始相應的通信數據處理。

圖4 主函數執(zhí)行過程

在配置完成SM 通道后，還需要配置PDO（過程數據對象）映射關系。這樣從站的物理邏輯地址、PDO 映射關系與報文中的邏輯地址三者產生了聯(lián)系，才能夠完成與主站的通信任務。

3.4 主站程序與網頁顯示設計

EtherCAT 網絡由主站與從站組成。在主站方案中，選擇支持EtherCAT 協(xié)議的CODESYS 軟件來進行開發(fā)。由于從站的信息是由xml文件描述，因此在首次使用從站時，需要將xml 文件拷貝至CODESYS的系統(tǒng)文件夾中。在主站方面，該文將CODESYS Runtime System 移植到樹莓派中，將樹莓派作為控制器對該文設計的從站進行測試。為了直觀顯示各個數字量的狀態(tài)與模擬量輸入輸出的值，該文設計了用于顯示在標準瀏覽器上的可視化界面，利用樹莓派系統(tǒng)中自帶的瀏覽器就可以登錄到網頁進行顯示與控制。

4 從站實驗與分析

使用樹莓派瀏覽器登錄到該文設計網頁，在數字量輸入/輸出測試中，將屏幕上的LED 開關接通或關閉，對應的LED 點亮與熄滅。將撥碼開關的第1位、第2 位、第5 位和第6 位撥至ON 的狀態(tài)，對應的狀態(tài)變?yōu)?，與實際效果相符。

在模擬量通道輸入/輸出實驗中，該文設計了一個模擬量輸入/輸出通道，實驗中采用萬用表與從站模塊同時進行測量，觀察兩者誤差。以模擬量輸入通道為例，分別將萬用表測量與從站測量進行對比，測量結果如表1 所示。

表1 模擬量輸入值對比表

為了分析EtherCAT 數據幀的回環(huán)時間以及報文中的具體含義，該文采用Wireshark 軟件在樹莓派上對EtherCAT 數據報文監(jiān)控，截取報文中的4 幀數據，如表2 所示。由表2 可知，傳送數據量為117 字節(jié)的狀態(tài)下，產生一次數據回環(huán)的時間約為30 μs，兩條發(fā)送數據幀之間時間間隔約為4 ms。

表2 EtherCAT部分數據幀

在表2中，以數據幀14828中的EtherCAT datagram的LWR 命令下的數據為例進行解釋說明，數據為330000001f0b，根據對象字典中的數據設計規(guī)則，其中3300 為0x0033（00110011），表示LED 的第0、1、4、5 位為高電平，對應的LED 燈點亮；0000 為設計的空位，無任何含義，方便觀察數據所設置的間隔；1f0b為0x0b1f，十進制為2 847，是模擬量輸出電壓值為2 847 mV。以數據幀14829 中的EtherCAT datagram的LRD 命令的數據為例進行解釋說明，數據為66000000750e，根據對象字典中的數據設計規(guī)則，其中6600 為0x0066（01100110），表示撥碼開關的第1、2、5、6 位為高電平，即撥碼為ON 的狀態(tài)；0000 為設計的空位，無任何含義，方便觀察數據所設置的間隔；750e 為0x0e75，十進制為3701，根據3 300/4 096×3 701=2 981.76，即模擬量輸入電壓值為2 981.76 mV。與實際狀態(tài)和測量相符，EtherCAT 網絡中報文數據具有可靠性。

5 結論

在該文中，設計了基于EtherCAT 協(xié)議的從站設備，從站設備實現控制與測量，并具有易操作、高可靠性、高實時性與精準性等特性。同時將軟PLC 的控制方案引入到嵌入式設備中，在未來的PLC 控制方案中提供了一種解決思路。在多個從站進行連接至EtherCAT 網絡中時，只需用網線進行連接即可，方便設備組網，能夠廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)等。