劉曉勝，鄭檢，李瑩雪，吳海濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引言

由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)（Ethernet）是建立在載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其在網(wǎng)絡(luò)通信方面存在不確定性和實(shí)時(shí)性能差等天然缺陷，已經(jīng)越來越難以滿足現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求[1-2]。以EtherCAT 為代表的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)在確定性和實(shí)時(shí)性方面的不足，并逐漸被應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人等各種高速運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合，已經(jīng)成為現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

EtherCAT 是發(fā)展到目前為止速度最快、功能最強(qiáng)的以太網(wǎng)解決方案。它于2003年被引入市場(chǎng)，并于2007年成為國際標(biāo)準(zhǔn)，EtherCAT 技術(shù)協(xié)會(huì)（EtherCAT Technology Group, ETG）負(fù)責(zé)推廣和持續(xù)研發(fā)該技術(shù)。EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)除了具備高速高效的實(shí)時(shí)通信能力，同時(shí)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，成本低易實(shí)現(xiàn)，集成安全等特點(diǎn)[4]。本文以赫優(yōu)訊公司的NetX500 芯片為核心，設(shè)計(jì)了一種通用的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口模塊。該模塊可與任意滿足其接口要求的控制系統(tǒng)連接，使控制系統(tǒng)成為一個(gè)EtherCAT 主站或者從站，具有良好的通用性和互操作性。通過對(duì)模塊的通信測(cè)試，驗(yàn)證了該模塊具備強(qiáng)大的EtherCAT 通信性能，可以滿足大多數(shù)快速運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合的要求。

2 高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT

2.1 EtherCAT 協(xié)議

EtherCAT 采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3 的物理層。EtherCAT 將其報(bào)文嵌入到標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中（形成EtherCAT 數(shù)據(jù)幀），通過幀類型0x88A4 識(shí)別EtherCAT 數(shù)據(jù)幀。由于EtherCAT 協(xié)議被優(yōu)化適用于短小的周期性過程數(shù)據(jù)，因此無需龐大的協(xié)議棧，例如TCP/IP 或UDP/IP。

標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。EtherCAT 幀的數(shù)據(jù)區(qū)包括2 個(gè)字節(jié)的EtherCAT數(shù)據(jù)頭和 44～1498 字節(jié)的 EtherCAT 數(shù)據(jù)。EtherCAT 頭中的EtherCAT 數(shù)據(jù)長度代表所有子報(bào)文的總長度，類型一般為1，表示此EtherCAT數(shù)據(jù)幀用于主站與從站之間的通信。數(shù)據(jù)區(qū)由一個(gè)或多個(gè)EtherCAT 子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備或從站存儲(chǔ)區(qū)域，表1給出了EtherCAT 子報(bào)文的結(jié)構(gòu)定義[5]。

圖1 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀 Fig.1 The EtherCAT frame structure

表1 EtherCAT 子報(bào)文結(jié)構(gòu)定義 Tab.1 The definition of EtherCAT sub-packet structure

2.2 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其實(shí)時(shí)性原理

EtherCAT 采用主從模式進(jìn)行通信，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535 個(gè)設(shè)備，同時(shí)支持線型、環(huán)形、樹形、星型、菊花鏈型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EtherCAT物理層允許兩個(gè)設(shè)備最大間隔100m，采用光纖時(shí)可達(dá)到更遠(yuǎn)的間距，網(wǎng)絡(luò)最大通信速率達(dá)到100Mbit/s。一個(gè)典型的EtherCAT 環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 EtherCAT 通信網(wǎng)絡(luò)及其通信原理 Fig.2 The structure and principle of the EtherCAT network

EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中由主站發(fā)送下行數(shù)據(jù)幀，每個(gè)從站接收到數(shù)據(jù)幀之后，讀取尋址到該從站的數(shù)據(jù)，之后將它的反饋數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀，繼續(xù)下傳數(shù)據(jù)。最后一個(gè)從站處理完數(shù)據(jù)之后，再將數(shù)據(jù)幀上行傳輸回主站，從而完成了一個(gè)循環(huán)周期。

與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)傳輸機(jī)制相比，EtherCAT 避免了網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的確定性，改善了以太網(wǎng)的帶寬利用率，報(bào)文最大有效利用率可達(dá)90%以上。同時(shí)，由于EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中無需交換機(jī)或集線器，省去了交換機(jī)延時(shí)，且借助于從站中的EtherCAT 專用芯片和主站中讀取網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的DMA 技術(shù)，整個(gè)協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行，大大降低了網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)

3.1 接口模塊的整體性能指標(biāo)和要求

作為一個(gè)通用的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口，接口模塊與主/從站核心控制模塊之間的接口應(yīng)該具備兼容性的特點(diǎn)，要求此接口能滿足包括DSP、ARM 等多種主流控制芯片系統(tǒng)外擴(kuò)的需求，從而使EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接口模塊能適用于各種不同工業(yè)控制場(chǎng)合。同時(shí)，接口模塊的軟件設(shè)計(jì)，也應(yīng)該具備易用性和靈活性的特點(diǎn)。

為了滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)高精度，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求，結(jié)合EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)性能，在接口模塊實(shí)時(shí)性方面，要求網(wǎng)絡(luò)通信的循環(huán)時(shí)間在毫秒級(jí)，在同步性能方面，同時(shí)要求各個(gè)從站之間的報(bào)文延遲在微秒級(jí)。

3.2 接口模塊的硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信芯片NetX500

NetX 系列芯片是德國赫優(yōu)訊公司推出的新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制芯片，是一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)控制器。NetX 500 以32 位ARM926EJ-S 為CPU 核，主頻200MHz，包含有存儲(chǔ)管理單元、Cache、DSP和JAVA 擴(kuò)展器，同時(shí)具備豐富的外設(shè)資源，可以作為一個(gè)單片系統(tǒng)的控制核心，也可以作為專門的網(wǎng)絡(luò)通信芯片[6]。

NetX500 最大的特點(diǎn)在于它是一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案，芯片支持包括：EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，Modbus IDA，PROFINET等在內(nèi)的各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。通過加載不同的固件程序，使用此芯片的接口模塊在硬件上可支持上述各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信[7]。在EtherCAT 通信中，此接口模塊既可被配置為主站，也可配置為從站。

3.2.2 模塊整體硬件結(jié)構(gòu)

接口模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 接口模塊硬件結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 The hardware structure of the interface module

模塊以NetX500 芯片為核心，由于芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)物理層的功能，因此只需通過擴(kuò)展出兩路RJ45 接口即可作為模塊的EtherCAT 物理通信接口。分別利用NetX500 的I2C 接口和SPI接口擴(kuò)展出E2PROM 和Flash 作為模塊的外圍存儲(chǔ)器，由于這兩種存儲(chǔ)器均具有數(shù)據(jù)掉電不丟失的特性，因此可用來存儲(chǔ)EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置信息和固件程序。SDRAM 在NetX500 運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)可作為系統(tǒng)緩存，UART 用于下載固件程序。為了保證模塊的通用性，使用并行接口作為模塊與其他主控模塊的接口，以下將具體介紹通用并行接口。

3.2.3 通用并行接口

模塊提供給用戶的硬件接口為一個(gè)50 根管腳的排針連接頭，該連接頭包含了與NetX500 芯片通信必備的控制線、16 位數(shù)據(jù)總線D15-D0 和14 位地址總線A13-A0。其中控制線包括：WIF、BHE、RES、BUSY、INT、RD、WR、CS，這些控制線決定了數(shù)據(jù)的讀取、雙處理器的握手等操作，接口電路原理圖如圖4所示。

圖4 接口電路原理圖 Fig.4 The generic parallel interface

通用并行接口將NetX500 芯片的雙端口內(nèi)存（Dual-Port Memory, DPM）開放給主控系統(tǒng)，由于實(shí)際使用時(shí)接口模塊已經(jīng)加載了EtherCAT 通信的固件程序，因此對(duì)于主控系統(tǒng)來說，操作整個(gè)接口模塊和操作一個(gè)外部存儲(chǔ)設(shè)備是一樣的。

3.3 接口模塊的軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 雙端口內(nèi)存DPM

通信接口模塊作為從站設(shè)備的一部分，它與從站的主控系統(tǒng)之間的連接是通過DPM 實(shí)現(xiàn)的，DPM 默認(rèn)的空間結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DPM 地址空間結(jié)構(gòu) Fig.5 The address space of DPM

系統(tǒng)通道是最重要的存儲(chǔ)單元，它包含了NetX500 芯片和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)rcX 的關(guān)鍵信息，即使沒有應(yīng)用固件被下載到模塊，也總是存在[8]。握手通道將所有通道的握手寄存器集中在一個(gè)位置，握手位允許主控系統(tǒng)和NetX 之間的同步數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)通信通道是一個(gè)協(xié)議棧，例如EtherCAT協(xié)議棧，協(xié)議棧中的用戶任務(wù)開放DPM 作為操作接口。用戶通道實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)處理數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的傳輸，由用戶自行定義使用。

由圖5可知，DPM 最大地址空間是64 kBy，包括系統(tǒng)通道、握手通道、通訊通道0～3、應(yīng)用通道0～1。對(duì)于接口模塊，由于加載了固件，因此只需使用默認(rèn)的系統(tǒng)通道、握手通道和通訊通道0，即16 kBy 的地址空間。

3.3.2 DPM 的熱啟動(dòng)程序

DPM 熱啟動(dòng)過程是配合接口模塊加載固件程序的過程。它將相應(yīng)的熱啟動(dòng)參數(shù)發(fā)送給NetX500，從而完成EtherCAT 數(shù)據(jù)通信之前的準(zhǔn)備工作，是進(jìn)行EtherCAT 通信的關(guān)鍵步驟。熱啟動(dòng)操作流程如圖6所示。

EtherCAT 通信的協(xié)議堆棧已經(jīng)保存在了接口模塊的Flash 中。因此，在系統(tǒng)上電后，會(huì)自動(dòng)加載該協(xié)議堆棧，應(yīng)用程序?qū)⒖刂萍虞d主/從站的熱啟動(dòng)參數(shù)。不同的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)從站，其熱啟動(dòng)參數(shù)是不一樣的，參數(shù)以報(bào)文的方式，通過DPM 提供的系統(tǒng)郵箱發(fā)送給接口模塊。

4 接口模塊EtherCAT 性能測(cè)試

4.1 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建

測(cè)試平臺(tái)使用了4 個(gè)接口模塊，其中一個(gè)加載EtherCAT 主站通信固件，通過赫優(yōu)訊公司的PCI 板載卡（CIF50-CB-COM-ABC）插在PC 上，成為EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的唯一主站[9]。另外三個(gè)接口模塊加載EtherCAT 從站通信固件，作為網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)EtherCAT 從站，采用普通的五類雙絞線連接。同時(shí)，主站PC 上插有實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER，用于采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)，從而對(duì)EtherCAT 的時(shí)間周期、報(bào)文延時(shí)、事件響應(yīng)等結(jié)果進(jìn)行分析，連接好所有EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之后，在主站的SYCON.net軟件中可以看到EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功構(gòu)建，如圖7所示。

圖7 SYCON 軟件中的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò) Fig.7 The EtherCAT network in SYCON

測(cè)試時(shí)，EtherCAT 主從站之間不斷傳輸報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取數(shù)據(jù)，并將報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為*.pcap 文件格式，然后通過Wireshark 軟件，對(duì)EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)時(shí)間、延時(shí)時(shí)間、時(shí)間抖動(dòng)等實(shí)時(shí)性能進(jìn)行分析。

4.2 接口模塊EtherCAT 實(shí)時(shí)性能測(cè)試

對(duì)EtherCAT 數(shù)據(jù)進(jìn)行同步性測(cè)試，由主站給從站發(fā)送含600 字節(jié)EtherCAT 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，其中每個(gè)從站處理的數(shù)據(jù)為200 字節(jié)，總共傳輸3810 個(gè) EtherCAT 幀，用 Wireshark 軟件對(duì)netANALYZER 采集到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀循環(huán)周期分布圖 Fig.8 The cycle-time distribution of EtherCAT data frame

圖9 從站延遲時(shí)間分布圖 Fig.9 The delay-time distribution of the slave

圖8統(tǒng)計(jì)了所有數(shù)據(jù)幀的循環(huán)周期分布情況，由圖中左上角軟件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平均循環(huán)周期約為 1 ms，波動(dòng)范圍為0.993～1.006 ms，表明網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間短，速度快且傳輸性能穩(wěn)定。同理分析圖9中從站的報(bào)文延遲時(shí)間可知，報(bào)文在從站的平均延遲時(shí)間為1.153μs，最 大 延 遲 時(shí) 間 僅 為 1.18μs，表 明EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)具有良好的網(wǎng)絡(luò)同步性能。綜上可知，本接口模塊的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)通信性能符合第3 節(jié)中提出的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種通用的EtherCAT接口模塊，詳細(xì)介紹了接口模塊的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)流程，并且對(duì)接口模塊進(jìn)行了實(shí)際通信測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明接口模塊具備穩(wěn)定的EtherCAT 通信能力，并且在實(shí)時(shí)性方面符合大部分運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求，適用于多種控制系統(tǒng)擴(kuò)展EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口的場(chǎng)合。

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