時 博，張得禮，金 霞

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，越來越受到工業(yè)控制領(lǐng)域的重視［1-4］。但由于其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所限，實時性不高，目前只是應(yīng)用在管理層與控制層的上層通訊網(wǎng)絡(luò)中［5］。由貝加萊開發(fā)的現(xiàn)場總線Ethernet POWERLINK，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的硬件基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)鏈路層做了修改，同時以工業(yè)上最為廣泛使用的CANopen協(xié)議為基礎(chǔ)定義了應(yīng)用層［6］。為了解決普通以太網(wǎng)的實時性問題，EPL在MAC層上增加了SCNM時間槽網(wǎng)絡(luò)通信管理來對通信進行實時調(diào)度，保證每個節(jié)點在不同時刻對網(wǎng)絡(luò)有存取權(quán)，從而避免了總線使用權(quán)的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性［7］。

1 POWERLINK協(xié)議系統(tǒng)架構(gòu)

EPL協(xié)議是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)，從而滿足控制中高實時性的需求，其克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理介質(zhì)訪問機制載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測（CSMA／CD），由于時間沖突帶來的實時局限性。EPL使用了與CANopen相同的設(shè)備描述文件，同樣的數(shù)據(jù)字典，以及同樣的通信機制，如PDO，SDO和網(wǎng)絡(luò)管理的NMT，像CANopen一樣，直接交叉通信也是一個必要的特性，所有的CANopen應(yīng)用和設(shè)備描述文件可以很快地被同時應(yīng)用到POWERLINK環(huán)境，之間并無差異，因此，POWERLINK可以稱為Ethernet上的CANopen。EPL通信協(xié)議軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPL通信協(xié)議軟件架構(gòu)

1.1 POWERLINK網(wǎng)絡(luò)特點

EPL采用了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而應(yīng)用層則采用了CANopen的SDO和PDO，它仍然支持UDP，TCP，HTTP和FTP，就像是開了一個旁路作為專設(shè)通道來進行時間槽管理。EPL的主要性能指標(biāo)如下：傳輸速度100Mbit／s；刷新周期（最小）100μs；抖動?1μs；傳輸距離，100 m／節(jié)點間距；輪詢方式，支持Client／Server和Producer／Consumer模式；M12＆RJ45連接頭。

1.2 POWERLINK的工作原理

EPL的時間槽管理機制反映了EPL的整個控制機制。1個EPL通信周期可以分成4個階段，如圖2所示。

圖2 EPL通信周期

開始階段。管理節(jié)點發(fā)布“通信周期開始SOC”信號，并以廣播的形式發(fā)給所有從節(jié)點。此信號發(fā)出去后，同步階段開始，各個從節(jié)點就此同步。

同步階段。此階段中所有節(jié)點進行同步信息交換，主站按照一個事先定義好的順序組成一個PRq幀，并發(fā)送給相應(yīng)的從站，要求此站發(fā)布信息，此站獲得發(fā)布許可后，以廣播的形式發(fā)出一幀PRs應(yīng)答信息，所有站點都能收到PRs信息，當(dāng)然也包括那些應(yīng)該獲得這幀信息的站點。站點間的直接橫向通信和CAN總線的通信類似。

異步階段。此階段是用于傳輸那些沒有實時性要求的數(shù)據(jù)而設(shè)定的，管理站發(fā)給某站一個“邀請EoC”幀，此站便可發(fā)布非同步數(shù)據(jù)信息，比如一個IP信息數(shù)據(jù)幀。

閑置階段。2個通信周期間的間隔階段［5-6，8］。

2 運動控制卡系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用DSP+FPGA作為運動控制卡的主控芯片，而POWERLINK通信協(xié)議則是貫穿運動控制的核心。運動控制卡的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

2.1 處理器DSP

可編程DSP采用數(shù)據(jù)總線與程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度［9］。

控制卡選擇TMS320F28335作為MCU主控芯片，與以往的定點DSP相比，28335將EV分解成了相互獨立epwm，ecap，eq 3個模塊，相互之間互不干擾，因此，可以比較方便地實現(xiàn)復(fù)雜的信號輸出。尤其是epwm相對于EV中的PWM輸出功能有了很大的提高。F28335比定點F2812多了一個MAC單元，也就是速度增加了1倍。

圖3 PCB板的系統(tǒng)架構(gòu)

控制卡主要控制對象是伺服電機，卡上集成有光電隔離I／O模塊作為電機接口模塊，DSP的每個事件管理器模塊都包括2個通用定時器（GP），每個GP都可以獨立提供1路PWM通道輸出脈沖信號。因此，1個事件管理模塊可以控制2個電機。對電機的控制采用脈沖+方向的控制方式。

2.2 通訊芯片F(xiàn)PGA

基于FPGA的主站所需資源為7670個LE，因此，選用Altera的Cyclone芯片EP4CE22F17，該芯片總共22320個LE，資源利用率為34%。

openPOWERLINK是EPL的開源應(yīng)用，包括用C語言編寫的EPL應(yīng)用程序代碼和用VHDL語言編寫的FPGA配置程序（openMAC和openHUB等）。因此，F(xiàn)PGA上運行的EPL工程分為2部分：一部分為Quartus工程，用來配置FPGA片上資源及Nios軟核，這是因為EPL的應(yīng)用程序是由C語言編寫的，無法直接在FPGA上運行，因此，需要FGPA實現(xiàn)一個軟CPU用來運行用戶的應(yīng)用程序，這個軟CPU就是Nios軟核；另一部分為Nios工程，用來運行應(yīng)用程序，實際運行EPL協(xié)議棧時，用戶只需要在Nios中對應(yīng)用程序進行修改。

系統(tǒng)使用快速型的NiosⅡ處理器內(nèi)核，工作頻率最快能夠達到100MHz。在此基礎(chǔ)上，植入EPL協(xié)議，實現(xiàn)對以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

MAC主要負責(zé)控制與鏈接物理層介質(zhì)。PHY（物理層接口芯片）采用KS8721芯片，該芯片能夠通過FPGA內(nèi)部的PLL實現(xiàn)外部高達125MHz的時鐘輸入；PHY芯片與RJ45傳輸采用MII模式，接口電路如圖4所示。

圖4 FPGA與PHY控制芯片接口

SRAM與EPCS是電路設(shè)計中不可或缺的部分，兩者的性能直接影響著控制卡的控制精度以及通信的實時性。系統(tǒng)采用512kB的SRAM芯片IS62C51216AL，與FPGA的接口為16bit。EPCS芯片采用FM25L256配置芯片來保存用戶應(yīng)用程序，該芯片克服了Flash擦除次數(shù)引起的使用壽命問題，并防止數(shù)據(jù)查詢困難，具有高速讀寫、低功耗和掉電數(shù)據(jù)保存的特點。

EPL和用戶MCU（這里指軟CPU）之間的通信以下簡稱API，是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵部分。實現(xiàn)EPL的FPGA以下簡稱PCP，用戶的MCU以下簡稱AP。在PCP中用一個雙端口RAM（DPRAM）實現(xiàn)EPL協(xié)議棧與AP之間的通信。該DPRAM內(nèi)部資源包含如下5部分：Control status register，A-synchronous transmit buffer（AP發(fā)送命令給PCP），Asynchronous receive buffer（PCP發(fā)送請求給AP），Synchronous data transmission buffer（TPDO Buffer周期性發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)），Synchronous data receive buffer（RPDO Buffe周期性接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)）［10］。

AP一側(cè)的接口程序步驟：

a.AP一側(cè)創(chuàng)建一個Object Dictionary，然后將應(yīng)用程序中自定義的變量與Object Dictionary中的對象一一綁定。

b.AP發(fā)送“Initialization”給 EPL，進行初始化。

c.AP發(fā)送“Start”命令給PCP，使EPL進程開始啟動。

d.等待EPL進入“OPERATIONAL”狀態(tài)，進入此狀態(tài)，說明EPL協(xié)議棧可以實現(xiàn)正常通信。

e.AP向PCP發(fā)送建立PDO描述的命令，PCP接收到這個命令以后，將返回給AP PDO的描述信息。AP根據(jù)PDO描述信息和對象字典，建立對象字典副本。

f.開始周期性的通信。將aRxpdocopyTable的數(shù)據(jù)從接收PDO緩沖區(qū)拷貝走，將aTxpdoCopy-Table的數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送PDO緩沖區(qū)［11］。

DSP與FPGA通信流程如圖5所示。

圖5 DSP與FPGA通信流程

3 結(jié)束語

本設(shè)計的最大特點就是控制卡成本較低，且利用開源的EPL總線通信協(xié)議，實現(xiàn)起來較簡單。目前實現(xiàn)了EPL主站和從站的運行，并在此基礎(chǔ)上增加了DSP和光電隔離I／O模塊。采用DSP作為核心處理器，實時處理能力更強，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的加減速控制算法、插補以及位置控制算法，充分滿足各種復(fù)雜的多軸運動控制系統(tǒng)的要求。EPL通信協(xié)議完全基于軟件，所有的應(yīng)用都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的硬件來實現(xiàn)，是個比較有前途的通信系統(tǒng)，EPL的引入不僅使運動控制通信實時性更加良好，達到微秒級水平，而且對控制卡的性能改進也更加方便。

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