摘要：文章介紹了EtherCAT總線的原理與相關(guān)協(xié)議，根據(jù)協(xié)議的內(nèi)容給出EtherCAT總線主站設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)PowerPC處理器MPC5200和DSP信號(hào)處理器TMS320C6455的研究，設(shè)計(jì)出以該器件為核心控制的Ethercat主站硬件平臺(tái)，并完成主站協(xié)議軟件在MPC5200的具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站軟件

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3678-04

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是分布式控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線具有刷新周期短，數(shù)據(jù)傳輸容量大，數(shù)據(jù)傳輸效率高，同步性能高等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有EtherCAT技術(shù)、EtherNet/IPIP技術(shù)、Ethernet Powerlink技術(shù)、Modbus/TCP技術(shù)等[1-3]。

EtherCAT是由德國(guó)Beckhoff 自動(dòng)化公司開發(fā)，該總線具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點(diǎn)，在硬件實(shí)現(xiàn)上具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、接線簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，為今后實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，更是今后實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)的首選[4]。

1 Ethercat總線的工作原理與相關(guān)協(xié)議[5-6]

1.1 Ethercat總線的工作原理

2 主站的硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP單元

核心器件采用TMS320C6455[9]，該器件TI公司推出的高速信號(hào)處理器，最高工作頻率為1.2GHz，該模塊主要電路包括時(shí)鐘、復(fù)位、JTAG調(diào)試接口、存儲(chǔ)器、通信電路、模擬量接收電路等組成。DSP主要用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)信號(hào)處理（如：數(shù)控系統(tǒng)多軸的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)算法、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法），并將運(yùn)算結(jié)果通過FPGA傳送到PowerPC控制的EtherCAT總線上。存儲(chǔ)器電路主要包括DDR2存儲(chǔ)器以及FLASH存儲(chǔ)器和DSP的接口，DDR2存儲(chǔ)器用于存放數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)運(yùn)行程序和系統(tǒng)重要參數(shù)。模擬量接收電路在FPGA控制下，將外部輸入的模擬信號(hào)數(shù)字化后送入DSP，用于數(shù)據(jù)信號(hào)處理。通信電路主要為千兆以太網(wǎng)接口電路，DSP內(nèi)部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通過外部擴(kuò)展PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，千兆網(wǎng)主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和調(diào)試使用。

2.2 FPGA單元

在設(shè)計(jì)中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件內(nèi)部有39600個(gè)LE 資源，有1兆位的RAM，可提供三百多個(gè)輸入輸出 引腳，芯片內(nèi)部集成了一百多個(gè)個(gè)乘法器和4 個(gè)PLL 鎖相環(huán)，滿足硬件設(shè)計(jì)需求。FPGA用于實(shí)現(xiàn)DSP和PowerPC的雙向數(shù)據(jù)交換，PowerPC將接收到的EtherCAT總線上各控制單元的信息通過FPGA傳送到DSP內(nèi)部，DSP通過FPGA可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到EtherCAT總線上各單元。另外，F(xiàn)PGA還用于邏輯控制，實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出信息、開關(guān)量輸入輸出信息與DSP、PowerPC的無(wú)縫連接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）單元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，該器件為Freescale 公司推出的32位高性能處理器，器件主頻工作頻率為400MHz，為了提高程序運(yùn)算速度，器件內(nèi)核分別帶有16K字節(jié)的程序、數(shù)據(jù)高速緩存，帶有一個(gè)雙精度浮點(diǎn)處理單元。對(duì)于外部關(guān)鍵信號(hào)，片內(nèi)帶有標(biāo)準(zhǔn)中斷管理單元。為了實(shí)現(xiàn)器件與外部通信，MPC5200B片內(nèi)集成一路100M的以太網(wǎng)控制器，兩路CAN總線控制器，多路串行口控制器。該單元由MPC5200B、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 調(diào)試接口、通信接口電路、存儲(chǔ)器接口電路以及對(duì)外擴(kuò)展接口電路等組成。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理接口以及主站協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，并提供相應(yīng)的控制軟件。

2.4 電源單元

2.5 通信單元

在設(shè)計(jì)中為了考慮硬件的兼容性，采用了多種通信接口，在DSP上掛接一路1000M的以太網(wǎng)，用于DSP系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)設(shè)置，在PowerPC上掛接一路100M以太網(wǎng)接口，六路串行接口（分別為2個(gè)RS232口、兩個(gè)RS485口、2個(gè)CAN接口）。1000M的以太網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT總線物理接口，RS232口用于實(shí)現(xiàn)與PC通信，RS485口和CAN接口可以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備接口，滿足系統(tǒng)通用性要求。

3 主站軟件設(shè)計(jì)

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC兩個(gè)運(yùn)行程序，DSP程序主要功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，PowerPC程序功能為實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的通信和設(shè)備的控制。DSP運(yùn)行的軟件主要為算法研究，由于篇幅所限，文章著重詳述在PowerPC硬件平臺(tái)下，EtherCAT協(xié)議和控制軟件在Linux操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站軟件功能

在PowerPC下運(yùn)行的EtherCAT 主站軟件主要包含如下功能：首先，完成系統(tǒng)主站硬件的初始化，軟件能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；其次，主站軟件通過發(fā)送命令要對(duì)EtherCAT 系統(tǒng)以及各個(gè)從站進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)主站與各從站之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議解析和轉(zhuǎn)發(fā)；再次，主站軟件可支持在線下載、實(shí)時(shí)更新。軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化編程，底層軟件提供硬件驅(qū)動(dòng)，中間層軟件為上層應(yīng)用軟件和底層軟件提供接口，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件與驅(qū)動(dòng)軟件隔離。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站軟件具體實(shí)現(xiàn)

EtherCAT初始化完成后，在Linux內(nèi)新建兩個(gè)內(nèi)核定時(shí)器，一個(gè)用于完成周期性數(shù)據(jù)通信，另一個(gè)用于輪詢非周期性任務(wù)，也就是狀態(tài)機(jī)處理任務(wù)。周期性數(shù)據(jù)通信定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)最高，定時(shí)器運(yùn)行周期通過配置軟件設(shè)置，非周期任務(wù)查詢定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)較低，周期可定為50毫秒。

初始化和配置完成后，啟動(dòng)定時(shí)器開始發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀，并檢查返回的數(shù)據(jù)幀，對(duì)返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，獲取從站的數(shù)據(jù)交給DSP處理，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將新的輸出命令發(fā)給PowerPC，PowerPC繼續(xù)發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀。

4 結(jié)論

采用基于DSP和PowerPC的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了EtherCAT總線主站相關(guān)協(xié)議，通過測(cè)試可知， 主站周期性的向各從站（測(cè)試時(shí)，從站數(shù)量為3）發(fā)送EtherCAT 數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包數(shù)量為1518字節(jié)），各從站接收到自己的數(shù)據(jù)包，再向主站返回相應(yīng)信息，EtherCAT總線延時(shí)時(shí)間為3.02μS，可以看出主站設(shè)計(jì)滿足實(shí)時(shí)性要求。

參考文獻(xiàn)：

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