李 琦，卓 杰

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

0 引言

目前，主流控制系統(tǒng)一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信，這種方式通信速率比以太網(wǎng)低很多，以太網(wǎng)作為新型總線方案是工業(yè)控制的發(fā)展趨勢(shì)[1]。EPL協(xié)議由于實(shí)時(shí)性好、開源等特點(diǎn)，成為實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的首選方案。

文中深入研究EPL協(xié)議并將其應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控設(shè)備上，以ARM高性能處理芯片和物理層收發(fā)芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基于EPL的控制器，搭建包括1個(gè)主站節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從站節(jié)點(diǎn)的具備信號(hào)采集能力和I/O控制能力的控制系統(tǒng)，以滿足高速、實(shí)時(shí)的應(yīng)用需求[3]。

1 基于EPL的控制系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的要求和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的特點(diǎn)，選用基于EPL協(xié)議的主站、從站控制器以及高性能以太網(wǎng)HUB構(gòu)建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[4]，如圖1所示，根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)的功能不同，分為I/O開關(guān)量控制節(jié)點(diǎn)、信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)HUB與控制節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成EPL控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2 EPL實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議在通信過程中采用的是CSMA/CD(帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問)機(jī)制，這樣的通信方式不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性。EPL是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的一種，EPL協(xié)議棧主要在普通以太網(wǎng)基礎(chǔ)上修改了數(shù)據(jù)鏈路層，而在應(yīng)用層采用CANopen并且定義了對(duì)象字典。EPL采用SCNM(時(shí)間槽管理機(jī)制)如圖2所示，這種通信機(jī)制避免了數(shù)據(jù)在通信過程中的碰撞，使通信有了確定性保障。

圖2 時(shí)間槽管理機(jī)制

EPL通信周期主要包括SOC階段、同步階段、異步階段。SOC階段，管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始SOC幀，控制節(jié)點(diǎn)收到SOC幀后就此同步。同步階段，主要傳輸?shù)氖菍?shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，管理節(jié)點(diǎn)依此輪詢各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)并發(fā)送請(qǐng)求幀PReq，控制節(jié)點(diǎn)收到PReq幀后向管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)幀PRes。當(dāng)管理節(jié)點(diǎn)輪詢完所有控制節(jié)點(diǎn)后結(jié)束同步階段。異步階段，主要傳輸?shù)氖欠菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)間交換非實(shí)時(shí)信息。EPL采用SCNM機(jī)制，確保了在特定的時(shí)間段只有一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于EPL的控制器的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮主控制芯片的選擇、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)方式的選擇、通信方案的選擇等。通過分析基于EPL的控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如通信速率、系統(tǒng)抖動(dòng)、I/O開關(guān)量、A/D的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)芯片的選擇等。鑒于系統(tǒng)要有較好的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的系統(tǒng)抖動(dòng)的控制要求，選用STM32F407與DP83848CVV完成網(wǎng)絡(luò)硬件接口的設(shè)計(jì)開發(fā)，控制器硬件框圖如圖3所示。

圖3 控制器硬件框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分包括EPL協(xié)議棧的移植以及控制任務(wù)與EPL協(xié)議棧之間的通信。

4．1EPL的移植

EPL的移植包括主站和從站，由于沒有使用操作系統(tǒng)，控制任務(wù)和I/O事件、A/D采集任務(wù)放在主函數(shù)中查詢處理，而一些高精度時(shí)鐘任務(wù)和Ethernet收發(fā)任務(wù)采用中斷方式處理。將EPL移植到STM32F407上包括主站、從站EPL部分源碼的修改，另外，對(duì)象字典在EPL協(xié)議中是很重要的部分而且是和應(yīng)用緊密相關(guān)的，當(dāng)用戶在其產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)EPL時(shí)，只需要修改源碼中的對(duì)象字典。EPL協(xié)議會(huì)根據(jù)配置信息，將對(duì)象字典中一些對(duì)象的值打成數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同時(shí)根據(jù)配置信息，將收到的一些數(shù)據(jù)存入對(duì)象字典中相應(yīng)的對(duì)象。

4．2應(yīng)用程序與EPL協(xié)議棧的通信

應(yīng)用程序中的變量需要與EPL中定義的對(duì)象字典相關(guān)聯(lián)，使得控制、采集任務(wù)通過EPL協(xié)議棧進(jìn)行傳輸。對(duì)于管理節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。需要進(jìn)行通信參數(shù)和映像參數(shù)的配置，定義相關(guān)的對(duì)象字典[8]如圖4所示。

圖4 應(yīng)用變量與對(duì)象字典的通信原理

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

EPL通信過程比較復(fù)雜，為了分析系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室條件下分別對(duì)主站加一個(gè)I/O從站和主站加一個(gè)A/D采集從站的兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，試驗(yàn)系統(tǒng)由控制器MN、CN站點(diǎn)和裝有wireshark軟件的PC機(jī)經(jīng)過HUB連接，在PC機(jī)上通過wireshark觀察通信過程。如圖5所示，兩個(gè)SOC幀之間的時(shí)間差即為系統(tǒng)的循環(huán)周期，為約1 ms的時(shí)間。在實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，周期抖動(dòng)是決定系統(tǒng)性能的重要因素，為了測(cè)試I/O的抖動(dòng)性能，將I/O從站的輸出口接到高性能數(shù)字示波器上，啟動(dòng)主站控制器，主站控制器周期性地給從站發(fā)送PDO實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，抖動(dòng)測(cè)試如圖6所示，可以看出抖動(dòng)約2 μs，而且增加從站的數(shù)量對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間幾乎沒有影響。

圖5 系統(tǒng)wireshark數(shù)據(jù)捕捉

圖6 抖動(dòng)測(cè)試

A/D從站周期性地向主站發(fā)送溫度PDO數(shù)據(jù)，在wireshark中為Pres數(shù)據(jù)如圖5中黑亮部分即為1個(gè)溫度PDO數(shù)據(jù)payload：0E01，對(duì)應(yīng)的溫度值應(yīng)為+27．0 ℃，為了方便讀取數(shù)據(jù)，把從站發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)通過串口在PC監(jiān)測(cè)機(jī)上打印出來，每10個(gè)循環(huán)周期打印1次如圖7所示。

圖7 A/D采集從站溫度監(jiān)測(cè)

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于EPL的控制系統(tǒng)，測(cè)試了控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，在1 ms以內(nèi)抖動(dòng)為2 μs，而且增加從站的數(shù)量對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間幾乎沒有影響，符合監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)要求。整合了工業(yè)控制器中傳統(tǒng)的通訊方式，真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了ARM 嵌入式控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)HUB進(jìn)行組網(wǎng)?？刂破骺蓮V泛應(yīng)用于各類工業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：李琦(1973-)，副教授，碩士，研究方向?yàn)橹悄軆?yōu)化控制和工業(yè)遠(yuǎn)程控制等。

卓杰(1988-)，在讀碩士，研究方向?yàn)榍度胧揭蕴W(wǎng)。

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