杜佐勤+++余慶漢

摘 要：EtherCAT是一種實時的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用特殊的以太網(wǎng)類型，過程數(shù)據(jù)可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳輸。EtherCAT數(shù)據(jù)幀在從站節(jié)點是通過硬件進行處理，只有很小的延時。文章介紹EtherCAT協(xié)議原理和特點，并通過EtherCAT主站和從站的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了倒車影像的采集傳輸和顯示。倒車影像的數(shù)據(jù)量比較大，實時性要求很高，通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠很好地解決倒車影像的實時同步顯示。

關(guān)鍵詞：EtherCAT協(xié)議；IMX6Q；可視倒車；ET1100

1 概述

隨著汽車安全監(jiān)控需求的日益增加，動態(tài)圖像信息需要實現(xiàn)同步實時傳輸，傳統(tǒng)的Ethernet、USB等通訊方式已經(jīng)滿足不了需求。EtherCAT是由德國自動化公司BECKHOFF于2003年提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[1]。EtherCAT技術(shù)傳輸速度快，延時很小，一幀EtherCAT幀可以傳輸1400多字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以滿足大數(shù)據(jù)的實時傳輸。

本文章介紹了一種采用實時以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)，倒車影像采集器作為從站，將高度壓縮的倒車影像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)紼therCAT主站進行實時顯示。整個設(shè)計采用主從模式，系統(tǒng)采用飛思卡爾IMX6Q作為EtherCAT主站，采用飛思卡爾IMX6Q+Beckhoff公司的ET1100作為從站。

2 EtherCAT原理和特點

EtherCAT是目前傳輸最快的工業(yè)以太網(wǎng)之一，EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜進行傳輸。EtherCAT采用主從模式，從站節(jié)點可以連接成總線型、星型等幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。

EtherCAT節(jié)點的順序和網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)端子的物理順序無關(guān)，節(jié)點間可以通過組播、廣播和多播的方式實現(xiàn)通訊。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀可以包含一個或多個子報文，多個從站節(jié)點可以使用同一EtherCAT幀進行通訊。表1是標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT幀結(jié)構(gòu)，其中包括目的地址、源地址、幀類型以及報文數(shù)據(jù)和幀校驗。

在EtherCAT系統(tǒng)中，通過主站發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀由主站發(fā)出，經(jīng)過第一個從站時進行解碼，后續(xù)從站不需要再進行解碼操作。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過從站節(jié)點時，每個節(jié)點可以根據(jù)邏輯地址在屬于自己的報文中進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，當(dāng)節(jié)點根據(jù)報文頭中的命令成功對數(shù)據(jù)幀進行操作后，從站會將該報文的WKC寄存器進行加1。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站節(jié)點后由EtherCAT系統(tǒng)中的末端節(jié)點將數(shù)據(jù)幀直接返回主站，主站比較返回報文中的WKC值進行校驗數(shù)據(jù)幀的正確性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

EtherCAT從站硬件平臺由兩個硬件模塊組成，一個是基于飛思卡爾IMX6Q的視頻采集模塊，另一個是EtherCAT實時數(shù)據(jù)傳輸模塊（ESC從站從站控制器）。整體設(shè)計是從站處理器IMX6Q通過CCD攝像頭從外部采集到高清視頻數(shù)據(jù)進行H264壓縮，然后將壓縮后的數(shù)據(jù)寫入EtherCAT實時傳輸模塊。EtherCAT實時傳輸模塊主要任務(wù)是將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)嵌入到EtherCAT幀中進行傳輸。

圖像采集是基于IMX6Q的CCD攝像頭，CCD攝像頭通過TVP5150視頻采集芯片進行采集視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過IMX6Q進行硬件H264壓縮編碼。圖1為TVP5150芯片接口電路圖，TVP5150芯片通過I2C總線進行初始化配置，數(shù)據(jù)接口連接到IMX6Q的CSI0接口。

通過CCD采集的視頻數(shù)據(jù)量比較大，進行實時網(wǎng)絡(luò)傳輸會產(chǎn)生延遲。H264圖像壓縮比大約為102：1，CCD攝像頭采集一秒為30幀視頻圖像，經(jīng)過H264壓縮后數(shù)據(jù)量大大減少，加上EtherCAT傳輸速度非?？?，視頻數(shù)據(jù)可以達到很好的實時傳輸和顯示效果。

ET1100從站控制芯片主要負(fù)責(zé)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)主站發(fā)送的EtherCAT幀，解析主站發(fā)送的命令并執(zhí)行。ESC芯片通過內(nèi)部的硬件完成EtherCAT數(shù)據(jù)幀處理和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸過程產(chǎn)生大約只有10ns的時間延遲[3]。

ESC從站控制芯片通過配置E2PROM相應(yīng)寄存器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口模式。從站可以配置成I/O模式、微處理器模式和SPI模式。

I/O模式為簡單從站控制方式，ESC直接對I/O端子進行控制，可以達到非常快的刷新速度?？刂?00個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8字節(jié)的伺服軸只需要100us[4]。微處理器模式和SPI模式則是復(fù)雜從站控制模式，ESC中的數(shù)據(jù)通過微處理器進行讀寫和處理。

ET1100功能的配置是通過芯片的配置引腳來完成，引腳配置就是通過對引腳接上上拉或下拉電阻，連接上拉電阻表示配置為1，連接下拉電阻表示配置為0。ET1100芯片上電后會自動將配置引腳的信號讀取寫入到配置寄存器中，芯片掉電或復(fù)位后仍然可以讀取配置引腳的配置信息。

本設(shè)計采用ET1100作為MAC控制芯片，接口電路如圖2所示，ET1100與物理層芯片PHY之間的接口通過MII連接，MII是將不同類型的PHY與相同MAC相連接的通用總線。

EtherCAT主站控制器對硬件沒有特別的要求，只需要控制器帶有普通的以太網(wǎng)卡。主站是基于飛思卡爾I.MX6系列處理器，為高清視頻處理提供硬件編解碼。

主站除了CPU外圍基礎(chǔ)的電路之外，只需要擴展一個普通的以太網(wǎng)接口即可以配置成EtherCAT主站。顯示器采用7寸電容屏，分辨率是800*480。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 從站軟件設(shè)計

EtherCAT從站軟件設(shè)計主要分為兩部分，分別是CCD攝像頭采集并進行H264壓縮和從站控制芯片ET1100的配置。

TVP5150的配置不會很復(fù)雜，主要是通過I2C來進行配置，比如色調(diào)，對比度，亮度，飽和度和銳度等等。需要在內(nèi)核源碼中添加一個支持TVP5150的I2C設(shè)備，TVP5150的I2C地址由PIN11來決定，上拉為BAH，下拉為B8H。

驅(qū)動程序主要是通過I2C來對TVP5150寄存器進行設(shè)置，主要是0x03，0x15，0xca，0x04，0x0d等，通過0x1a和0x1b是設(shè)置輸入通道。

通過對TVP5150正確配置后，對設(shè)備節(jié)點video0進行操作，可以獲取視頻原始數(shù)據(jù)。

采用飛思卡爾的IMX6Q處理器，使用libvpu.so和libipu.so硬件編解碼庫可以對視頻數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和H264硬件壓縮。

ET1100芯片的FMMU寄存器配置通過邏輯映射方式。EtherCAT幀從站報文最大可以包含1486字節(jié)的數(shù)據(jù)，這里傳輸一路視頻的情況下，可以設(shè)置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為1480字節(jié)，一路視頻數(shù)據(jù)需要使用一個SM緩存管理。對應(yīng)表2的FMMU配置，設(shè)置SM0的起始地址為0x1000，數(shù)據(jù)長度為1480Byte，主站可以通過相應(yīng)的邏輯地址對從站進行尋址并訪問。

設(shè)置從站報文頭的起始地址為0x00000000、字節(jié)長度為1480、命令為LRD（讀），就可以實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的讀取。

從站程序流程圖如圖3所示，從站主要任務(wù)是采集視頻數(shù)據(jù)，接收主站數(shù)據(jù)幀，根據(jù)主站發(fā)送的命令進行數(shù)據(jù)讀寫和執(zhí)行相應(yīng)命令。

4.2 主站軟件設(shè)計

大多數(shù)EtherCAT主站都是使用第三方提供的軟件協(xié)議棧，如Koenig、Acontis、IGH等。本設(shè)計采用開源的IGH EtherCAT協(xié)議棧來實現(xiàn)主站。

IGH EtherCAT Master是基于Linux下的一套開源EtherCAT主站協(xié)議軟件，包含網(wǎng)卡驅(qū)動，主站模塊以及應(yīng)用層使用的支持庫。

IGH開源源碼在1.5版本后提供了一個EtherCAT通用網(wǎng)卡驅(qū)動，使用普通網(wǎng)卡就能夠?qū)崿F(xiàn)EtherCAT協(xié)議。為了保證傳輸?shù)膶崟r性，主站模塊插入到內(nèi)核層，實現(xiàn)對EtherCAT協(xié)議的解析，任務(wù)調(diào)度以及為應(yīng)用程序提供接口。用戶可以通過編寫內(nèi)核模塊來實現(xiàn)應(yīng)用程序，也可以通過對設(shè)備節(jié)點的操作來實現(xiàn)應(yīng)用程序。IGH開源軟件為Linux用戶提供了多種命令行工具，可以實現(xiàn)直接對EtherCAT從站的訪問和設(shè)置?？梢圆榭慈鏟DO數(shù)據(jù)、SDO參數(shù)、總線配置以及從站配置參數(shù)等。

主站軟件驅(qū)動部分需要將IGH源碼移植到IMX6Q平臺，具體如下：

（1）配置源碼。

（2）編譯源碼并安裝。

（3）復(fù)制通用網(wǎng)卡驅(qū)動和主站驅(qū)動到output文件夾下。

（4）將output文件夾打包。

（5）將output.tar.bz2下的文件解壓到IMX6Q文件系統(tǒng)相應(yīng)目錄。

（6）復(fù)制ec_master.ko到/lib/modules/內(nèi)核版本號目錄下。

（7）配置rules，創(chuàng)建設(shè)備號。

至此，就完成了IGH源碼移植到IMX6Q平臺，接下來就可以通過IMX6Q來實現(xiàn)EtherCAT通訊。

主站啟動EtherCAT協(xié)議時候需要先根據(jù)主站網(wǎng)卡的MAC地址來修改主站模塊的MAC地址，然后再啟動EtherCAT協(xié)議，并安裝EtherCAT通用網(wǎng)卡驅(qū)動。

通過上面的操作加載了EtherCAT內(nèi)核模塊，就可以通過設(shè)備節(jié)點EtherCAT0來操作EtherCAT從站，主站應(yīng)用程序流程圖如圖4。主從站通過網(wǎng)線連接，在Linux命令行下輸入ethercat pdos命令，可以測試主從站軟硬件是否正常，還可以獲取到從站控制器的配置，包括幾個同步管理通道、物理起始地址、控制字ControlRegister包含該通道的傳輸方式和方向、DefaultSize表示該通道的大小、PDO的基本配置。主站應(yīng)用程序中，需要根據(jù)ethercat pdos命令輸出的信息填充相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，創(chuàng)建過程數(shù)據(jù)域后，需要將PDO的相關(guān)信息注冊到過程數(shù)據(jù)域中。這樣主站應(yīng)用層就可以使用EC_READ_U32（）和EC_WRITE_U32（）函數(shù)通過EtherCAT幀對從站進行讀寫操作。

主站控制器IMX6Q使用的系統(tǒng)是Linux3.0.35+QT4.8.5，主界面在QT上設(shè)計的，實現(xiàn)倒車影像的實時顯示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計是為了解決汽車上的倒車影像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膯栴}，而提出的一種實現(xiàn)方案。主要是通過EtherCAT技術(shù)實時傳輸壓縮的倒車影像數(shù)據(jù)。

從站通過CCD進行視頻采集，經(jīng)過IMX6Q的硬件H264編碼，主從站通過EtherCAT協(xié)議進行視頻數(shù)據(jù)傳輸，主站接收數(shù)據(jù)后通過IMX6Q硬件解碼并顯示視頻數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]Du H， Li M， Meng J. Study of EtherCAT Network Control Technology in vision Measurement System[C].International Conference on Information System and Computation Intelligence，2011： 322-325.

[2]向乾亮.實時以太網(wǎng)EtherCAT系統(tǒng)設(shè)計及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[3]德國倍福公司.實時以太網(wǎng)：I/O層高速以太網(wǎng)[Z].工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線.

[4]EtherCAT技術(shù)組.EtherCAT-以太網(wǎng)現(xiàn)場總線[Z].