施大發(fā)，劉建林，王 輝，阮倩茹

(1. 湖南機電職業(yè)技術學院電氣工程系，中國 長沙 410151；2. 湖南大學電氣與信息工程學院, 中國 長沙 410082)

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動控制公司Beckhoff開發(fā)的一種工業(yè)以太網技術，它基于標準的以太網技術，采用靈活的網絡拓撲結構，具有配置簡單、有效數(shù)據率高、全雙工、易于實現(xiàn)等特性．EtherCAT可以用簡單的線性拓撲結構來取代以太網常用的星形結構，也可以采用“傳統(tǒng)”方式，即采用網絡交換機進行布線，以便整合其他的以太網設備．主站無須專用接口卡，只需采用標準以太網卡即可實現(xiàn)與任何一臺以太網控制器的連接．因此EtherCAT技術出色的性能打破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的瓶頸，實現(xiàn)了一種與現(xiàn)代工業(yè)PC的強大運算能力相匹配的通信技術[1]．EtherCAT也非常適用于小型和中型的控制領域，從而為分布式I/O開辟了新的應用領域．

1 EtherCAT工作原理

EtherCAT采用主從式結構，主站PC機采用標準的100Base-TX以太網卡，從站采用專用芯片．系統(tǒng)控制周期由主站發(fā)起，主站發(fā)出下行電報，電報的最大有效數(shù)據長度為1498字節(jié)．數(shù)據幀遍歷所有從站設備，每個設備在數(shù)據幀經過時分析尋址到本機的報文，根據報文頭中的命令讀入數(shù)據或寫入數(shù)據到報文中指定位置，并且從站硬件把該報文的工作計數(shù)器(WKC)加1，表示該數(shù)據被處理．整個過程會產生大約10 ns的時間延遲．數(shù)據幀在訪問位于整個系統(tǒng)邏輯位置的最后一個從站后，該從站把經過處理的數(shù)據幀做為上行電報直接發(fā)送給主站．主站收到此上行電報后，處理返回數(shù)據，一次通信結束[1]．系統(tǒng)結構原理圖如圖1所示：

圖1 EtherCAT工作原理

2 EtherCAT實時以太網從站總體方案設計

圖2 EtherCAT系統(tǒng)從站硬件結構圖

設計的EtherCAT從站節(jié)點硬件包括從站協(xié)議控制器、從站CPU和網絡接口等部分[2]．EtherCAT從站中最關鍵部分是EtherCAT協(xié)議控制器，它實現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據鏈路層的協(xié)議．現(xiàn)在市場上有多種EtherCAT協(xié)議控制器可供使用，如FPGA實現(xiàn)和ASIC實現(xiàn)．接口連接方式根據PDI的形式來確定．其中從站CPU實現(xiàn)EtherCAT對現(xiàn)場任務的收集與調度；EtherCAT從站控制器實現(xiàn)EtherCAT協(xié)議；EEPROM用于保存從站配置數(shù)據和從站描述數(shù)據；網絡接口用于主從站之間或從站與從站之間的連接，根據EtherCAT從站控制器的不同網絡接口可以分別為2～4個，網絡接口采用標準以太網物理層器件就可以．從站的硬件實現(xiàn)如圖2所示．

3 基于ET1100的EtherCAT從站結構設計

3.1 從站控制器ET1100的內部結構

圖3 ET1100的內部結構功能圖

ET1100是一款強大的EtherCAT從站控制器ESC專用芯片，具有豐富的接口資源．它具有4個數(shù)據收發(fā)端口、8個FMMU單元、4KB控制寄存器、8KB過程數(shù)據存儲器、支持64位的分布時鐘功能．其內部功能結構如圖3所示．

3.2 基于ET1100的從站硬件結構設計

圖4是采用Beckhoff公司的ET1100作為工業(yè)以太網EtherCAT協(xié)議通訊控制器來設計的從站[3-4]．ET1100帶有2個MII接口，它們在硬件上實現(xiàn)了EtherCAT協(xié)議的數(shù)據鏈路層，外擴的2個物理層芯片實現(xiàn)了工業(yè)以太網的的物理層．網絡接口由PHY和網絡變壓器組成，其中網絡變壓器的作用是實現(xiàn)隔離和阻抗匹配，主站PC與從站的數(shù)據通訊速率可達到100 Mbit/s[5]．

圖4 基于ET1100的EtherCAT從站結構框圖

3.3 MII接口與EBUS接口

ET1100有4個物理通信端口，分別命名為端口0到端口3，每個端口都可以配置為MII接口或EBUS接口兩種形式．ET1100使用MII接口時，需要外接以太網物理層PHY芯片．PHY PORTS可由KS8721BL芯片來實現(xiàn)功能，PHY與ET1100之間是通過MII接口來連接的，為了降低處理/轉發(fā)延時，ET1100的MII接口省略了發(fā)送FIFO．具體連接方式如圖5所示[6]．

圖5 ET1100 MII接口連接圖

3.4 EEPROM接口

EtherCAT從站控制器(ESC)提供多種接口規(guī)范， ESC與主機設備之間的接口方式根據過程數(shù)據接口PDI的形式確定(表1)．

其中，I/O方式無需主機CPU；SPI方式用于數(shù)據量較小的過程數(shù)據設備，如數(shù)據采集監(jiān)控等；微處理器方式適用于現(xiàn)場控制，尤其是數(shù)據量較大的復雜設備．在本系統(tǒng)中，從站控制器采用倍福公司的ET1100．ET1100從站控制器提供3種接口規(guī)范：32位數(shù)字量輸入/輸出方式；8/16位同步/異步微處理器方式；串行總線SPI方式．由于電機采用TMS320F2812控制，其接口規(guī)范可選擇微處理器方式，對ET1100自帶的EEPROM進行編程后選擇配置．控制器的EEPROM硬件連接如圖6所示．

表1 ESC接口規(guī)范

圖6 ET1100與EEPROM的連接圖

圖7 從站程序中斷流程圖

3.5 EtherCAT從站軟件設計

從站控制器內部有64 kB的內存空間，其中前4 kB(0x0000．0x0FFF)作為寄存器空間；其余的60 kB作為數(shù)據交換使用．從站控制器與主站交換有2種形式的數(shù)據，一種是周期性數(shù)據，一種是非周期性的數(shù)據.周期性數(shù)據傳輸可以采用緩沖區(qū)方式，任何一方在任何時間都可以訪問此方定義的內存，得到最新的數(shù)據；非周期性數(shù)據的傳輸采用握手方式(郵箱方式)實現(xiàn)，一方寫入數(shù)據到定義的內存，只有完成定義內存的最后一個字節(jié)的寫入，另一方才能開始從定義內存中讀取數(shù)據，而且只有在讀出定義內存的最后一個字節(jié)數(shù)據后，才能重新寫入數(shù)據．通過配置SyncManager寄存器來分配內存現(xiàn)數(shù)據的周期和非周期性數(shù)據的傳輸[4]．

從站應用程序控制器通過中斷或查詢的方式存取從站控制器里的數(shù)據，執(zhí)行具體的應用程序,以中斷方式為例，其程序流程圖如圖7所示．同時從站應用程序控制器維護EtherCAT狀態(tài)機，實現(xiàn)EtherCAT間的狀態(tài)同步與切換．從站應用程序控制器可以是單片機或DSP等微控制器實現(xiàn)，通過串行或并行口和從站控制器相連接[7]．

4 網絡性能測試

本系統(tǒng)通過實驗板成功的構建EtherCAT從站設備，并在系統(tǒng)調試完成后進行性能測試．在主站側，通過TwinCAT PLC進行編程，令測試系統(tǒng)的函數(shù)為

其中，P為位置偏移量;A為正弦幅值;Δt為離散時間間隔;n為從0到T之間變化的整數(shù)．在系統(tǒng)的運行過程中，利用TwinCAT PLC提供的信號跟蹤軟件進行反饋信號的跟蹤來測試網絡傳輸?shù)男阅?，圖8為周期T=1 s和T=2 s時任意時刻所抓取的給定和反饋位置曲線圖．

(a) T=1 s (b) T=2 s圖8 給定和反饋位置曲線圖

由圖8可以看到網絡性能測試中反饋數(shù)據曲線的平滑性，從而可以得出EtherCAT網絡數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定性，整個網絡運行狀態(tài)良好，網絡延遲小，可靠性高，從而驗證了本設計的可行性．

5 結語

本文利用倍福公司的從站控制芯片ET1100, 提出了一種設計EtherCAT工業(yè)以太網總線從站節(jié)點的方法，介紹了一種新的工業(yè)以太網技術EtherCAT．該網絡擁有杰出的通信性能，接線簡單，協(xié)議開放性好，I/O響應速度快，系統(tǒng)軟硬件集成度高．本文設計的從站方案可以單獨作為從站使用，也可以融合到嵌入式系統(tǒng)之中．通過使用基于ET1100的實時工業(yè)以太網技術，可以大大提高系統(tǒng)總線的性能，為改善系統(tǒng)控制算法性能也提供了條件．

參考文獻：

[1] 單春榮, 劉艷強, 郇 極. 工業(yè)以太網現(xiàn)場總線EtherCAT及驅動程序設計[J]. 制造業(yè)自動化, 2007, 29(11): 79-82.

[2] 向乾亮, 辛志遠, 林繼如, 等. 實時以太網EtherCAT 技術在電力系統(tǒng)中的應用[J]. 繼電器, 2008, 36(11): 42-45.

[3] 謝香林，李木國. EtherCAT網絡及其伺服運動控制系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連理工大學,2008:47-53.

[4] 劉艷強，王 健，單春榮.基于EtherCAT的多軸運動控制器研究[J].制造技術與機床，2008(6)：100-103.

[5] 德國倍福公司.實時以態(tài)網：I/O層超高速以態(tài)網[J].自動化博覽,2004,21(4):48-50.

[6] EtherCAT teachnical introduction and overview[R]. Germany:EtherCAT Technology Group, 2007.

[7] 郇 極，劉艷強.工業(yè)以態(tài)網現(xiàn)場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航天大學出版社，2010.