孔偉，陳為

（青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東青島 266000）

在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，如何將節(jié)點(diǎn)控制及測(cè)量信號(hào)準(zhǔn)確并迅速傳達(dá)是現(xiàn)場(chǎng)總線在自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一。把以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，用于滿足工業(yè)控制中高數(shù)據(jù)量、長(zhǎng)傳輸距離及高實(shí)時(shí)性的性能指標(biāo)要求，成為了實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的研究熱點(diǎn)[1]。

在基于EtherCAT 技術(shù)中，應(yīng)用IgH 作為主站和修改Linux 內(nèi)核達(dá)到主站的需求成為不同的研究方向[2-4]。有學(xué)者采用LAN9252 作為從站控制器來進(jìn)行遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集與測(cè)量[5-6]。在主站的控制方案中，學(xué)者采用倍福TwinCAT 作為主站實(shí)現(xiàn)從站的控制[7-8]。同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和安全性進(jìn)行了分析與研究[9-13]。

文中基于EtherCAT 技術(shù)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，使用CODESYS 軟PLC 對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并設(shè)計(jì)以網(wǎng)頁的模式顯示控制狀態(tài)與測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)通過抓包工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)從站，根據(jù)EtherCAT 運(yùn)行原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在從站RJ45 網(wǎng)口懸空后，ESC（從站控制器）自動(dòng)閉合，產(chǎn)生數(shù)據(jù)回傳。EtherCAT系統(tǒng)運(yùn)行如圖1 所示。系統(tǒng)主站采用CODESYS 軟件，將CODESYS 中的Runtime 移植到樹莓派中，使得樹莓派上的外設(shè)資源也可以進(jìn)行使用，同時(shí)獲取與使用從站中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從站使用倍福公司推出的EtherCAT 專用芯片ET1100 實(shí)現(xiàn)EtherCAT 數(shù)據(jù)的處理，采用STM32F405 微處理器完成主站對(duì)從站信號(hào)的通信與控制。微處理器STM32F405 上的外設(shè)資源豐富，該文設(shè)計(jì)有8 路數(shù)字量輸入/輸出，1 路模擬量輸入/輸出，RS485 通信接口的節(jié)點(diǎn)。通過這幾部分外設(shè)資源完成對(duì)從站節(jié)點(diǎn)的測(cè)量及控制。在標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器中顯示可視化界面，完成監(jiān)控與顯示。

圖1 EtherCAT系統(tǒng)運(yùn)行

1.2 系統(tǒng)工作原理

EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)是主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主站是網(wǎng)絡(luò)中的核心，是通信的發(fā)起者。在網(wǎng)絡(luò)中，EtherCAT 主站首先通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭中的MAC 地址尋址到設(shè)備網(wǎng)段，然后通過設(shè)備尋址或者邏輯尋址的方式尋址到從站設(shè)備，最后通過周期性過程數(shù)據(jù)通信或者非周期性數(shù)據(jù)通信完成數(shù)據(jù)的交互[1]。

在EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中利用以太網(wǎng)全雙工工作方式，并利用“On Fly”方式進(jìn)行報(bào)文處理。主站將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)出，每個(gè)從站根據(jù)自身ID 地址分辨數(shù)據(jù)報(bào)文中含有自身地址的報(bào)文，將數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行讀取或者插入數(shù)據(jù)，然后WKC（工作計(jì)數(shù)器）增1，表示完成了對(duì)這個(gè)地址報(bào)文的處理。將報(bào)文傳送至下一從站，再次進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)最后一個(gè)從站RJ45 網(wǎng)口存在懸空狀態(tài)，這個(gè)從站就會(huì)將自身處理完成的報(bào)文發(fā)送至主站，這樣就完成一次主站與從站之間的通信。在這個(gè)通信過程中，主站將控制數(shù)據(jù)報(bào)文下發(fā)到每一個(gè)從站中，完成對(duì)從站的控制[14-15]。

在從站對(duì)數(shù)據(jù)讀取或者插入過程中，從站將各自的信息已經(jīng)寫入到報(bào)文中，將從站外設(shè)資源的狀態(tài)返回到主站，主站通過讀取其中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量。經(jīng)過報(bào)文的內(nèi)容，主站將從站的控制狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 EtherCAT從站控制器（ESC）電路設(shè)計(jì)

在EtherCAT 從站控制器（ESC）解決方案對(duì)比后，選擇倍福公司的ET1100 進(jìn)行從站實(shí)現(xiàn)。ESC 是從站實(shí)現(xiàn)EtherCAT 應(yīng)用層通信協(xié)議處理，是從站實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。ESC 在石英晶體電路上選擇25 MHz 時(shí)鐘源產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)；與微處理器STM32 通信方式選擇SPI（串行外設(shè)接口）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。EEPROM 用于存儲(chǔ)從站信息（ESI），以保證從站信息在從站上電時(shí)能夠裝入到對(duì)應(yīng)寄存器中，與ESC通信是通過I2C（Inter-Integrated Circuit）的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)比MII（Media Independent Interface）接口與EBUS 接口可知，EBUS（倍福公司使用LVDS 標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)）在降低時(shí)延的同時(shí)縮短了通信距離，在與以太網(wǎng)物理層器件PHY 相連時(shí)選擇了MII接口。由于在對(duì)ESC使用時(shí)必須要配置工作模式，且工作模式是由硬件接口電路進(jìn)行拉高或者拉低實(shí)現(xiàn)，這就要求在對(duì)ESC 芯片外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)配置相應(yīng)的上拉或下拉電阻。ESC 硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ESC硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 EtherCAT從站微處理器電路設(shè)計(jì)

在對(duì)比ARM、FPGA、DSP 等處理器后，該文旨在實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單控制與測(cè)量，涉及到信號(hào)處理加工較少，因此選擇基于ARM 內(nèi)核的STM32 可以完成系統(tǒng)所需。在這一部分中，該文需要設(shè)計(jì)的有1 路模擬量輸入/輸出，8 路數(shù)字量輸入/輸出，RS485 通信接口。

在模擬量輸入/輸出接口電路中，使用STM32F4中自帶的12 位ADC/DAC 轉(zhuǎn)化器。由于設(shè)計(jì)中將參考電壓鉗制為3.3 V，這就需要在保證模擬量輸入輸出在0～3.3 V 范圍內(nèi)，同時(shí)在模擬量輸入中，設(shè)計(jì)了滑動(dòng)變阻器，直接將變阻器經(jīng)過分壓后的電壓接入到引腳中，如圖3 所示。

圖3 模擬量輸入電路

在數(shù)字量輸入輸出電路中，選擇撥碼開關(guān)作為數(shù)字量輸入，在STM32 引腳輸出時(shí)設(shè)計(jì)上拉電阻將LED 點(diǎn)亮，完成數(shù)字量輸出電路。在RS485 通信接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇SP3485 芯片完成對(duì)接口電路的實(shí)現(xiàn)。該文設(shè)計(jì)的EtherCAT 從站微處理器電路能夠?qū)崿F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種信號(hào)的處理與控制，并且可以與RS485 接口設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 從站棧代碼設(shè)計(jì)

EtherCAT 從站棧代碼由用戶應(yīng)用層、通用EtherCAT 棧和硬件抽象與PDI（過程數(shù)據(jù)接口）三部分組成。在該文中用戶應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)控制與數(shù)據(jù)的采集任務(wù)；通用EtherCAT 棧是完成EtherCAT 協(xié)議的郵箱等通信任務(wù)；硬件抽象與PDI 實(shí)現(xiàn)將硬件與軟件相對(duì)應(yīng)硬件抽象接口任務(wù)。這樣一種高內(nèi)聚低耦合的編程結(jié)構(gòu)使得程序健壯性得以更好體現(xiàn)[16]。

3.2 節(jié)點(diǎn)控制與采集程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)控制與測(cè)量程序包含1 路模擬量輸入輸出、8 路數(shù)字量輸入輸出和RS485 接口這三部分[17-18]。使用STM32F405 的ADC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，采用STM32 自帶的12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)化器，使用單次轉(zhuǎn)換模式。在DAC轉(zhuǎn)換器中，同樣設(shè)置為12 位模式進(jìn)行程序編寫。在8 路數(shù)字量輸入輸出中，分別對(duì)不同的I/O 口進(jìn)行設(shè)為高電平或者低電平的操作即可。在RS485 接口中，僅將接口打開使能，未將主流協(xié)議進(jìn)行編寫，例如MODBUS 協(xié)議等。

3.3 從站通信程序設(shè)計(jì)

EtherCAT 從站通信程序是完成從站與主站通信的整個(gè)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的核心，包括郵箱通信，支持的CoE（CANopen over EtherCAT）與SoE（Servo Drive over EtherCAT）等行規(guī)，以及過程數(shù)據(jù)通信和狀態(tài)機(jī)等任務(wù)。

在通信過程中，主函數(shù)的執(zhí)行過程如圖4 所示。從站運(yùn)行包含自由運(yùn)行模式、同步模式和DC（分布式時(shí)鐘）模式這三種運(yùn)行模式，該文設(shè)計(jì)采用自由運(yùn)行模式。自由運(yùn)行模式處理周期性數(shù)據(jù)是以查詢的方式進(jìn)行工作。在執(zhí)行狀態(tài)機(jī)管理機(jī)制時(shí)，表明查詢狀態(tài)機(jī)改變事件請(qǐng)求位發(fā)生了改變，同時(shí)主站需要檢查必須的SM（同步管理器）配置是否正確，正確后再開始相應(yīng)的通信數(shù)據(jù)處理。

圖4 主函數(shù)執(zhí)行過程

在配置完成SM 通道后，還需要配置PDO（過程數(shù)據(jù)對(duì)象）映射關(guān)系。這樣從站的物理邏輯地址、PDO 映射關(guān)系與報(bào)文中的邏輯地址三者產(chǎn)生了聯(lián)系，才能夠完成與主站的通信任務(wù)。

3.4 主站程序與網(wǎng)頁顯示設(shè)計(jì)

EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)由主站與從站組成。在主站方案中，選擇支持EtherCAT 協(xié)議的CODESYS 軟件來進(jìn)行開發(fā)。由于從站的信息是由xml文件描述，因此在首次使用從站時(shí)，需要將xml 文件拷貝至CODESYS的系統(tǒng)文件夾中。在主站方面，該文將CODESYS Runtime System 移植到樹莓派中，將樹莓派作為控制器對(duì)該文設(shè)計(jì)的從站進(jìn)行測(cè)試。為了直觀顯示各個(gè)數(shù)字量的狀態(tài)與模擬量輸入輸出的值，該文設(shè)計(jì)了用于顯示在標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器上的可視化界面，利用樹莓派系統(tǒng)中自帶的瀏覽器就可以登錄到網(wǎng)頁進(jìn)行顯示與控制。

4 從站實(shí)驗(yàn)與分析

使用樹莓派瀏覽器登錄到該文設(shè)計(jì)網(wǎng)頁，在數(shù)字量輸入/輸出測(cè)試中，將屏幕上的LED 開關(guān)接通或關(guān)閉，對(duì)應(yīng)的LED 點(diǎn)亮與熄滅。將撥碼開關(guān)的第1位、第2 位、第5 位和第6 位撥至ON 的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變?yōu)?，與實(shí)際效果相符。

在模擬量通道輸入/輸出實(shí)驗(yàn)中，該文設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬量輸入/輸出通道，實(shí)驗(yàn)中采用萬用表與從站模塊同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，觀察兩者誤差。以模擬量輸入通道為例，分別將萬用表測(cè)量與從站測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 模擬量輸入值對(duì)比表

為了分析EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的回環(huán)時(shí)間以及報(bào)文中的具體含義，該文采用Wireshark 軟件在樹莓派上對(duì)EtherCAT 數(shù)據(jù)報(bào)文監(jiān)控，截取報(bào)文中的4 幀數(shù)據(jù)，如表2 所示。由表2 可知，傳送數(shù)據(jù)量為117 字節(jié)的狀態(tài)下，產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)回環(huán)的時(shí)間約為30 μs，兩條發(fā)送數(shù)據(jù)幀之間時(shí)間間隔約為4 ms。

表2 EtherCAT部分?jǐn)?shù)據(jù)幀

在表2中，以數(shù)據(jù)幀14828中的EtherCAT datagram的LWR 命令下的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解釋說明，數(shù)據(jù)為330000001f0b，根據(jù)對(duì)象字典中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，其中3300 為0x0033（00110011），表示LED 的第0、1、4、5 位為高電平，對(duì)應(yīng)的LED 燈點(diǎn)亮；0000 為設(shè)計(jì)的空位，無任何含義，方便觀察數(shù)據(jù)所設(shè)置的間隔；1f0b為0x0b1f，十進(jìn)制為2 847，是模擬量輸出電壓值為2 847 mV。以數(shù)據(jù)幀14829 中的EtherCAT datagram的LRD 命令的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解釋說明，數(shù)據(jù)為66000000750e，根據(jù)對(duì)象字典中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，其中6600 為0x0066（01100110），表示撥碼開關(guān)的第1、2、5、6 位為高電平，即撥碼為ON 的狀態(tài)；0000 為設(shè)計(jì)的空位，無任何含義，方便觀察數(shù)據(jù)所設(shè)置的間隔；750e 為0x0e75，十進(jìn)制為3701，根據(jù)3 300/4 096×3 701=2 981.76，即模擬量輸入電壓值為2 981.76 mV。與實(shí)際狀態(tài)和測(cè)量相符，EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文數(shù)據(jù)具有可靠性。

5 結(jié)論

在該文中，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT 協(xié)議的從站設(shè)備，從站設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制與測(cè)量，并具有易操作、高可靠性、高實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性等特性。同時(shí)將軟PLC 的控制方案引入到嵌入式設(shè)備中，在未來的PLC 控制方案中提供了一種解決思路。在多個(gè)從站進(jìn)行連接至EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，只需用網(wǎng)線進(jìn)行連接即可，方便設(shè)備組網(wǎng)，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等。