王 磊， 李木國， 王 靜， 王曉亮

(1.大連理工大學(xué)電信學(xué)院，遼寧大連116024；2.河南理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作454000；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024)

0 引 言

目前，成為國際標準的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有十余種，其中有6種典型的實時工業(yè)以太網(wǎng)總線在市場上相互競爭，這包括：Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus/IDA和EPA。國內(nèi)外學(xué)者也對這些協(xié)議進行了大量的應(yīng)用研究[1-2]，并設(shè)計開發(fā)了不同應(yīng)用背景下的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[3-6]。但是，其中Ethernet/IP和Modbus/IDA是在TCP/IP協(xié)議應(yīng)用層上實現(xiàn)的實時數(shù)據(jù)交換[7]，這種方式只能應(yīng)用于100ms以上的應(yīng)用場合；EthernetPowerLink、Profinet和EPA是通過在數(shù)據(jù)鏈路層上采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級調(diào)度方案來保證實時性[7]，但只能保證最低5-10ms的實時通信[8]；而EtherCAT采用的是集總幀的調(diào)度方式，在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層都做了相應(yīng)的可以實現(xiàn)微妙級的高實時性通信[9]。

因EtherCAT協(xié)議獨特的特性，它能夠使以太網(wǎng)延伸至現(xiàn)場級通信控制，特別適合大數(shù)據(jù)量、高實時性的I/O通信應(yīng)用。本文設(shè)計提出的基于EtherCAT協(xié)議的現(xiàn)場級實時控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了在主從式結(jié)構(gòu)下主站和從站的具體實現(xiàn)，針對海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)量的浪高監(jiān)測設(shè)計了相應(yīng)的軟件及硬件，從而利用該平臺對EtherCAT協(xié)議的性能進行實驗驗證、分析。

1 EtherCAT協(xié)議特點及系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 EtherCAT總線特性

EtherCAT協(xié)議采用與標準以太網(wǎng)共享幀的方式工作。Ether-CAT總線數(shù)據(jù)幀填充到標準以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)段部分，通過類型標識符域的十六進制數(shù)88A4與其他以太網(wǎng)幀類型相區(qū)別。這種特性使得它很容易實現(xiàn)與標準以太網(wǎng)的兼容。此外，Ether-CAT協(xié)議規(guī)定上位主機(主站)與監(jiān)控分站一起構(gòu)成一個封閉的環(huán)，如圖1所示。

圖1 EtherCAT協(xié)議工作原理

攜帶從站地址的標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀從主站出發(fā)，逐個訪問環(huán)路上的從站。由于從站接口芯片的獨特結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達時，從站接口芯片就會把從主站輸出數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分取下來，或把輸入主站的數(shù)據(jù)插入到以太網(wǎng)幀的相應(yīng)數(shù)據(jù)域位置，然后再把整個以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)到下一個從站，直到最后一個從站，數(shù)據(jù)幀才返回主站處理。在此過程中無需像其它工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議那樣對數(shù)據(jù)幀編碼/解碼，使得數(shù)據(jù)處理時間大大縮短，每個從站數(shù)據(jù)處理延遲僅為十幾納秒。此外，由于EtherCAT協(xié)議支持將連接到網(wǎng)絡(luò)上的所有從站存儲區(qū)統(tǒng)一分配一個唯一的邏輯地址，每個從站通過接口芯片特殊的現(xiàn)場存儲管理單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)邏輯地址到本地存儲器物理地址的映射，因此可以根據(jù)監(jiān)控的需要對每個EtherCAT的數(shù)據(jù)幀做合理的規(guī)劃，從而實現(xiàn)在一次數(shù)據(jù)幀回還過程中對多個從站，多通道數(shù)據(jù)的讀取。

1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，本系統(tǒng)硬件主要包括：EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口電路、核心處理器單片機電路外圍數(shù)據(jù)監(jiān)測A/D轉(zhuǎn)換電路及信號放大濾波等處理電路、多路開關(guān)和浪高儀傳感器；軟件則為數(shù)據(jù)采集和通信程序。系統(tǒng)設(shè)計了10個從站，從距離上位計算機最近的從站開始編號，每個從站連接32個浪高儀，實現(xiàn)32個通道的浪高數(shù)據(jù)監(jiān)測，所有浪高儀編號為1#～320#，從而使得主站程序能夠單獨監(jiān)測任意1個通道數(shù)據(jù)或任意幾個通道組合的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 單個從站的硬件構(gòu)成

單個從站硬件原理框圖如圖3所示，在本系統(tǒng)中采用的核心單片機控制芯片為PIC24HJ256GP610，它的指令執(zhí)行速度能夠達到40Mbps，內(nèi)部具有兩個SPI通信模塊，使用模塊1與網(wǎng)絡(luò)接口芯片ET1100通信，用模塊2與速度為3MSPS的A/D轉(zhuǎn)換器通信。此外用通用接口 RB0～RB3作為第一級多路開關(guān)1、2的通道選擇信號，RF0～RF1分別作為開關(guān)2、1的片選信號；用RD0～RD1作第二級多路開關(guān)3的通道選擇信號，RD3為芯片使能信號。

圖3 單個從站硬件原理框架

2.2 從站網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)

如圖4所示，接口芯片主要包括：一個容量為8K的雙口RAM存儲器，前4K地址分配給寄存器，剩余的4K空間用于郵箱和周期性過程數(shù)據(jù)通信；16個同步管理器單元，用于對雙口RAM存儲區(qū)根據(jù)需要進行分配，同步管理器0和同步管理器1分別用于郵箱輸出和輸入存儲器分配管理，同步管理器2和同步管理器3分別用于過程數(shù)據(jù)輸出和輸入存儲區(qū)分配管理；16個現(xiàn)場存儲器管理單元，用于實現(xiàn)存儲器物理地址到邏輯地址的映射。

圖4 從站接口芯片結(jié)構(gòu)框架

2.3 從站數(shù)據(jù)字典

為了在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層實現(xiàn)標準的輸入/輸出數(shù)據(jù)讀寫操作，設(shè)備行規(guī)定義了標準的數(shù)據(jù)讀寫標識，標識規(guī)范了用于通信的數(shù)據(jù)類型、地址對應(yīng)關(guān)系形成了以XML文件形式表示的數(shù)據(jù)字典。在數(shù)據(jù)字典中每個PDO(過程數(shù)據(jù)對象，實時的周期性數(shù)據(jù))有一個標準的主索引和多個子索引，輸入主站的 PDO主索引為十六進制數(shù)據(jù)：0x1600，0x1601，…，0x16FF，共可達256索引值；輸出主站的PDO主索引為十六進制數(shù)據(jù)：0x1A00，0x1A01，…，0x1AFF，也為 256 個索引值。每個PDO數(shù)據(jù)以實體的方式進行讀取，每個實體分配了一個標準的索引值。在本系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)字典對象分配如表1所示，每個監(jiān)測量為1個16位的整數(shù)值，對應(yīng)一輸入對象索引值，如表1所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對象字典的定義，通過同步管理器管理從站接口的物理存儲器，每個同步管理器管理接口芯片一段連續(xù)的存儲區(qū)，該存儲區(qū)可以存放多個PDO。

2.4 主站數(shù)據(jù)監(jiān)測的實現(xiàn)

運行上位機應(yīng)用程序，選擇需要監(jiān)測的通道，主站通信程序獲得需要讀取的通道號，根據(jù)XML文件規(guī)定組裝數(shù)據(jù)幀，等待數(shù)據(jù)發(fā)送。主站應(yīng)用程序為了使通信能夠安全、可靠的進行，主站在如圖5所示狀態(tài)機的作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖5 EtherCAT狀態(tài)機

狀態(tài)機依次在不同的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間完成不同的任務(wù)：在初始化狀態(tài)及向預(yù)操作轉(zhuǎn)換(IP)期間，主站程序配置數(shù)據(jù)鏈路層信息寄存器、地址寄存器并且設(shè)置應(yīng)用層控制寄存器，配置用于郵箱通信的同步管理器通道，初始化分布時鐘寄存器，之后等待從站應(yīng)用層確認；在預(yù)操作狀態(tài)及預(yù)操作向安全操作轉(zhuǎn)換(PS)期間，實現(xiàn)郵箱通信，主站配置用于過程通信的同步管理器寄存器、現(xiàn)場存儲器管理單元寄存器、應(yīng)用層狀態(tài)請求寄存器，同時請求狀態(tài)轉(zhuǎn)化，等待狀態(tài)確認；在安全操作狀態(tài)及安全操作向操作轉(zhuǎn)換(SO)期間，繼續(xù)郵箱通信，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)通信，發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換請求并等待狀態(tài)確認；在操作狀態(tài)期間，實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的通信操作。在安全操作期間主站發(fā)送讀通道請求數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給從站要讀取的通道編號值，從站響應(yīng)主站要求，打開相關(guān)的多路開關(guān)采集需要讀取相關(guān)編號的傳感器采集的浪高數(shù)值。接下來，主站發(fā)出與以上類似的接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，讀輸入數(shù)據(jù)的數(shù)值。因此，主站通過發(fā)送兩次數(shù)據(jù)幀就能實現(xiàn)任意數(shù)量傳感器數(shù)據(jù)一次性采集，最大限度的保證采集的速度。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

為了對比分析系統(tǒng)的性能，考慮兩種典型情況即：主站加1個從站和主站加多個從站，在實驗室條件下對這兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能分別進行了測試。

表1 數(shù)據(jù)字典索引

首先，將信號發(fā)生器產(chǎn)生的幅值為1V，頻率為10Hz的信號接到3個從站的前兩個通道即：第1個從站的1，2號通道，第2個從站33，64號通道，第3個從站65，96號通道，在主站測得的信號波形如圖6所示，可以看出主站獲得的波形比較平滑。

圖6 3個從站的前兩個通道采集的信號波形

接下來采用同樣的信號測試系統(tǒng)分別對連接1個從站、2個從站和3個從站情況下的響應(yīng)時間進行測試，測試結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出響應(yīng)時間主要分布在250 s左右，另外，從站數(shù)量的增加對系統(tǒng)響應(yīng)時間幾乎沒有影響。

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)時間

為了進一步驗證系統(tǒng)的性能，對包含3個從站系統(tǒng)做了10組測試，給出1000個數(shù)據(jù)點平均響應(yīng)時間如圖8所示，從圖中可以看出采集的10組數(shù)據(jù)點響應(yīng)時間最小值為256.4 s，而最大值為258.8 s，波動差值僅為2.4 s，這在大多數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中基本上可以忽略不計。

圖8 10組數(shù)據(jù)點平均響應(yīng)時間

4 結(jié)束語

EtherCAT協(xié)議因其采用特殊的硬件結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的協(xié)議規(guī)范尤其適用于大容量高實時性的現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。本文通過構(gòu)建海洋浪高數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，通過對單個從站和多個從站的實驗測試表明，系統(tǒng)性能在協(xié)議規(guī)定帶載范圍內(nèi)，不受采集通道數(shù)影響，響應(yīng)時間不但達到微秒數(shù)量級，而且波動非常小，適用于大多數(shù)有高實時性要求的現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控場合。同時，由于EtherCAT協(xié)議采用獨特的數(shù)據(jù)幀調(diào)度形式，一次能夠傳輸高達1498個字節(jié)的數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)也適用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎/O應(yīng)用中。此外，由于采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，通過修正數(shù)據(jù)字典和主站程序即可實現(xiàn)更多通道數(shù)的擴展，從而可以通過簡單的改進應(yīng)用于現(xiàn)場級的監(jiān)測監(jiān)控場合。

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