時(shí) 博，張得禮，金 霞

（南京航空航天大學(xué)機(jī)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(jià)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(diǎn)，越來(lái)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(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線Ethernet POWERLINK，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的硬件基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層做了修改，同時(shí)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(shí)時(shí)性問(wèn)題，EPL在MAC層上增加了SCNM時(shí)間槽網(wǎng)絡(luò)通信管理來(lái)對(duì)通信進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻對(duì)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?shí)時(shí)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，從而滿足控制中高實(shí)時(shí)性的需求，其克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)／沖突檢測(cè)（CSMA／CD），由于時(shí)間沖突帶來(lái)的實(shí)時(shí)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(jī)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(gè)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(shí)應(yīng)用到POWERLINK環(huán)境，之間并無(wú)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(diǎn)

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(kāi)了一個(gè)旁路作為專設(shè)通道來(lái)進(jìn)行時(shí)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?。?00μs；抖動(dòng)?1μs；傳輸距離，100 m／節(jié)點(diǎn)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(shí)間槽管理機(jī)制反映了EPL的整個(gè)控制機(jī)制。1個(gè)EPL通信周期可以分成4個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 EPL通信周期

開(kāi)始階段。管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布“通信周期開(kāi)始SOC”信號(hào)，并以廣播的形式發(fā)給所有從節(jié)點(diǎn)。此信號(hào)發(fā)出去后，同步階段開(kāi)始，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)就此同步。

同步階段。此階段中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換，主站按照一個(gè)事先定義好的順序組成一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)。站點(diǎn)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(méi)有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)而設(shè)定的，管理站發(fā)給某站一個(gè)“邀請(qǐng)EoC”幀，此站便可發(fā)布非同步數(shù)據(jù)信息，比如一個(gè)IP信息數(shù)據(jù)幀。

閑置階段。2個(gè)通信周期間的間隔階段［5-6，8］。

2 運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用DSP+FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制卡的主控芯片，而POWERLINK通信協(xié)議則是貫穿運(yùn)動(dòng)控制的核心。運(yùn)動(dòng)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(diǎn)DSP相比，28335將EV分解成了相互獨(dú)立epwm，ecap，eq 3個(gè)模塊，相互之間互不干擾，因此，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)輸出。尤其是epwm相對(duì)于EV中的PWM輸出功能有了很大的提高。F28335比定點(diǎn)F2812多了一個(gè)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(duì)象是伺服電機(jī)，卡上集成有光電隔離I／O模塊作為電機(jī)接口模塊，DSP的每個(gè)事件管理器模塊都包括2個(gè)通用定時(shí)器（GP），每個(gè)GP都可以獨(dú)立提供1路PWM通道輸出脈沖信號(hào)。因此，1個(gè)事件管理模塊可以控制2個(gè)電機(jī)。對(duì)電機(jī)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(gè)LE，因此，選用Altera的Cyclone芯片EP4CE22F17，該芯片總共22320個(gè)LE，資源利用率為34%。

openPOWERLINK是EPL的開(kāi)源應(yīng)用，包括用C語(yǔ)言編寫的EPL應(yīng)用程序代碼和用VHDL語(yǔ)言編寫的FPGA配置程序（openMAC和openHUB等）。因此，F(xiàn)PGA上運(yùn)行的EPL工程分為2部分：一部分為Quartus工程，用來(lái)配置FPGA片上資源及Nios軟核，這是因?yàn)镋PL的應(yīng)用程序是由C語(yǔ)言編寫的，無(wú)法直接在FPGA上運(yùn)行，因此，需要FGPA實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟CPU用來(lái)運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序，這個(gè)軟CPU就是Nios軟核；另一部分為Nios工程，用來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序，實(shí)際運(yùn)行EPL協(xié)議棧時(shí)，用戶只需要在Nios中對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)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(dá)到100MHz。在此基礎(chǔ)上，植入EPL協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

MAC主要負(fù)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(guò)FPGA內(nèi)部的PLL實(shí)現(xiàn)外部高達(dá)125MHz的時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(lái)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(wèn)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(diǎn)。

EPL和用戶MCU（這里指軟CPU）之間的通信以下簡(jiǎn)稱API，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。實(shí)現(xiàn)EPL的FPGA以下簡(jiǎn)稱PCP，用戶的MCU以下簡(jiǎn)稱AP。在PCP中用一個(gè)雙端口RAM（DPRAM）實(shí)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(qǐng)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(gè)Object Dictionary，然后將應(yīng)用程序中自定義的變量與Object Dictionary中的對(duì)象一一綁定。

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

c.AP發(fā)送“Start”命令給PCP，使EPL進(jìn)程開(kāi)始啟動(dòng)。

d.等待EPL進(jìn)入“OPERATIONAL”狀態(tài)，進(jìn)入此狀態(tài)，說(shuō)明EPL協(xié)議?？梢詫?shí)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(gè)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(duì)象字典，建立對(duì)象字典副本。

f.開(kāi)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是控制卡成本較低，且利用開(kāi)源的EPL總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單。目前實(shí)現(xiàn)了EPL主站和從站的運(yùn)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(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的加減速控制算法、插補(bǔ)以及位置控制算法，充分滿足各種復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，是個(gè)比較有前途的通信系統(tǒng)，EPL的引入不僅使運(yùn)動(dòng)控制通信實(shí)時(shí)性更加良好，達(dá)到微秒級(jí)水平，而且對(duì)控制卡的性能改進(jìn)也更加方便。

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