实时以太网EtherCAT从站的硬件系统设计 性价比高, 工作原理, 开发平台, 以太网, Board

本文介绍了EtherCAT的工作原理、通信协议和基于专用芯片ET1100的从站硬件设计。凭借dsPICDEM1.1Plus Development Board开发平台和TwinCAT软件，验证了EtherCAT主从站之间的I/O开关量的通信，并通过SOEM软件和Linux平台，验证了EtherCAT从站接口卡的实时性能。

引言

将以太网技术应用于工业控制领域形成的工业以太网技术是当前工业控制网络和现场总线技术的一个很重要的发展方向。与传统的现场总线相比，以太网现场总线具有性价比高、传输速度快、数据量大、可接入标准以太网端等优点。目前，主要的实时以太网有如下几种：Pro finet、TC-net、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus-RTPS、SERCOS III，以及我国自主研制的EPA等。

EtherCAT技术是由德国Beckhoff自动化公司提出的，该技术以其优越的性能获得越来越多的关注。2003年底成立的ETG（Ethernet Techno logy Group）组织负责EtherCAT技术的维护和推广。该组织已经拥有逾千个成员，很多成员已经推出相关产品。相关产品的研发主要来自国外，如以色列Elmo公司已推出基于EtherCAT的Elmo伺服直流驱动器（Elmo Golden）；而国内在此领域还处于起步阶段，只有少数公司有所涉及，如上海新华集团公司开发了一套基于EtherCAT技术的DCS控制系统等。对此，本文对工业以太网EtherCAT从站的硬件和软件部分进行开发，最终通过实验验证了所开发的EtherCAT从站具有较高实时性，满足工业控制需求。

1 EtherCAT技术介绍

1.1 EtherCAT组成及运行原理

EtherCAT使用全双工通信技术构成主从结构，主站使用标准的以太网控制器，传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP双绞线缆；从站由专用控制芯片或者FPGA IP核构成，TI公司已推出带有EtherCAT功能的微控制器M335X.


图1 EtherCAT运行原理

EtherCAT的运行原理如图1所示，图中j为从站个数，j=1，2，…，i，…，n.主站发出下行电报，数据帧遍访所有从站，在数据帧到达每个从站时，从站解析出本机报文，并对报文数据进行处理，然后将该数据帧传输到下一个从站，从站再进行类似的处理，直至传输完整个回路。最后一个从站发回经过完全处理的数据帧，并由紧挨着主站的从站作为响应，将数据帧发送给主站，完成一个周期的数据处理。

1.2 EtherCAT协议

EtherCAT的数据帧结构如图2所示。从图中可以看出，它采用的是标准的以太网帧结构，帧类型为0x88A4.数据包由EtherCAT头和Ether CAT数据组成，而若干个子报文又组成了数据区。子报文又由子报文头、数据域及工作计数器组成。子报文头决定该子报文应传输到对应的从站，以及该从站对子报文进行读或者写操作。在主从站通信的过程中，16位的工作计数器（WKC）的值显得尤为重要。主站发起周期控制的时候，预先给定WKC一个值，当数据帧遍历完整个设备的时候，通过对比返回的WKC值，可以验证数据报文是否被EtherCAT从站节点正确处理。


图2 EtherCAT以太网数据帧结构

2 EtherCAT从站硬件设计

2.1整体结构

本文设计的从站硬件电路由物理通信接口、从站控制器及其外围设备和电源模块等部分组成。从站控制器ET1100与物理通信端口的连接部分是EtherCAT从站硬件设计最关键的部分，此部分是实现主站与从站以及从站与微控制器数据通信中不可或缺的。为了拓展本设计从站接口卡对微处理器的通用性，PDI接口部分引脚引出，可以实现与数字量I/O接口、SPI接口及并行微处理器通信接口的连接。


图3 EtherCAT从站硬件的整体框图

本文后续的验证试验中，为了测试与接线的方便，使用SPI接口与微处理器进行通信。从站接口卡的整体硬件电路如图3所示。EEPROM采用的是24LC16B，存储ET1100的配置信息；电源模块采用的是体积小、价格便宜的SP6205EM，固定输出3.3 V电压；物理芯片选择的是KSZ87 21；RJ45选择的是集成了变压器接头的HanRun HR911105A.

2.2物理通信端口

ET1100是一个功能强大的从站控制器，可以提供4个物理通信端口，实现各种类型的拓扑结构，且每个端口皆可配置为MII或EBUS两种类型。通信端口类型配置无需软件编程，可直接通过对ET1100的外围引脚P_MODE[1：0]和P_CONFIG[3：0]进行上拉或者下拉获得。其中，P_CON FIG[3：0]决定通信接口的类型，P_MODE[1：0]决定通信接口的数目。ET1100使用MII接口时，需要外接以太网物理层芯片，并且为了降低处理/转发延时，ET1100的MII接口省略了发送FIFO，最远传输距离为100 m；EtherCAT协议自定义了一种物理层传输方式EBUS，EBUS传输介质使用低压差分信号LVDS，最远传输距离为10m.


图4 ET1100M接口连接图

本设计中，物理通信端口使用的是端口0与端口1，且使用能传输100 m的MII类型，则有如下配置信息：P_MODE[0：1]下拉决定端口0与端口1被使能用，而P_CONFIG[0：1]上拉表示端口0与端口1使用MII类型。本文物理芯片选用的是KSZ8721，其电路连接图如图4所示。

2.3过程数据接口

从站控制芯片ET1100的应用数据接口又称为过程数据接口，简称为PDI.PDI是微处理器与ET1100进行数据交换的接口，是底层接口电路，为上层复杂的应用协议提供硬件基础。ET1100的PDI接口可分为SPI接口、微处理器接口和数字量I/O接口，这三种接口的实现通过PDI控制寄存器0x140取不同的值来实现。而ET1100中控制寄存器的值是上电时自动加载EEPROM中用户配置的数据，并且ET1100提供一专用引脚来表征此配置信息是否被正确加载。当此引脚信号为高电平时，表示配置信息被正确加载，此时端口才会被激活。本设计中三种接口方式皆可以使用，但是SPI接口具有接线少、使用方便、传输速度快等优势，因而后续的测试实验中使用SPI接口与测试开发板进行连接。


图5 EtherCAT硬件接口实物图