基于POWERLINK的多轴运动控制卡设计

时 博，张得礼，金 霞

（南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016）

0 引言

工业以太网技术以其价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，越来越受到工业控制领域的重视［1-4］。但由于其数据传输协议所限，实时性不高，目前只是应用在管理层与控制层的上层通讯网络中［5］。由贝加莱开发的现场总线Ethernet POWERLINK，在标准以太网的硬件基础上对数据链路层做了修改，同时以工业上最为广泛使用的CANopen协议为基础定义了应用层［6］。为了解决普通以太网的实时性问题，EPL在MAC层上增加了SCNM时间槽网络通信管理来对通信进行实时调度，保证每个节点在不同时刻对网络有存取权，从而避免了总线使用权的冲突，保证了数据传输的实时性［7］。

1 POWERLINK协议系统架构

EPL协议是在标准以太网的基础上建立一个现场总线系统，从而满足控制中高实时性的需求，其克服了传统以太网物理介质访问机制载波监听多路访问／冲突检测（CSMA／CD），由于时间冲突带来的实时局限性。EPL使用了与CANopen相同的设备描述文件，同样的数据字典，以及同样的通信机制，如PDO，SDO和网络管理的NMT，像CANopen一样，直接交叉通信也是一个必要的特性，所有的CANopen应用和设备描述文件可以很快地被同时应用到POWERLINK环境，之间并无差异，因此，POWERLINK可以称为Ethernet上的CANopen。EPL通信协议软件架构如图1所示。

图1 EPL通信协议软件架构

1.1 POWERLINK网络特点

EPL采用了以太网标准网络的物理层和数据链路层，而应用层则采用了CANopen的SDO和PDO，它仍然支持UDP，TCP，HTTP和FTP，就像是开了一个旁路作为专设通道来进行时间槽管理。EPL的主要性能指标如下：传输速度100Mbit／s；刷新周期（最小）100μs；抖动≪1μs；传输距离，100 m／节点间距；轮询方式，支持Client／Server和Producer／Consumer模式；M12＆RJ45连接头。

1.2 POWERLINK的工作原理

EPL的时间槽管理机制反映了EPL的整个控制机制。1个EPL通信周期可以分成4个阶段，如图2所示。

图2 EPL通信周期

开始阶段。管理节点发布“通信周期开始SOC”信号，并以广播的形式发给所有从节点。此信号发出去后，同步阶段开始，各个从节点就此同步。

同步阶段。此阶段中所有节点进行同步信息交换，主站按照一个事先定义好的顺序组成一个PRq帧，并发送给相应的从站，要求此站发布信息，此站获得发布许可后，以广播的形式发出一帧PRs应答信息，所有站点都能收到PRs信息，当然也包括那些应该获得这帧信息的站点。站点间的直接横向通信和CAN总线的通信类似。

异步阶段。此阶段是用于传输那些没有实时性要求的数据而设定的，管理站发给某站一个“邀请EoC”帧，此站便可发布非同步数据信息，比如一个IP信息数据帧。

闲置阶段。2个通信周期间的间隔阶段［5-6，8］。

2 运动控制卡系统架构

系统采用DSP+FPGA作为运动控制卡的主控芯片，而POWERLINK通信协议则是贯穿运动控制的核心。运动控制卡的系统架构如图3所示。

2.1 处理器DSP

可编程DSP采用数据总线与程序总线分离的哈佛结构，比传统的冯·诺依曼结构有更快的指令执行速度［9］。

控制卡选择TMS320F28335作为MCU主控芯片，与以往的定点DSP相比，28335将EV分解成了相互独立epwm，ecap，eq 3个模块，相互之间互不干扰，因此，可以比较方便地实现复杂的信号输出。尤其是epwm相对于EV中的PWM输出功能有了很大的提高。F28335比定点F2812多了一个MAC单元，也就是速度增加了1倍。

图3 PCB板的系统架构

控制卡主要控制对象是伺服电机，卡上集成有光电隔离I／O模块作为电机接口模块，DSP的每个事件管理器模块都包括2个通用定时器（GP），每个GP都可以独立提供1路PWM通道输出脉冲信号。因此，1个事件管理模块可以控制2个电机。对电机的控制采用脉冲+方向的控制方式。

2.2 通讯芯片FPGA

基于FPGA的主站所需资源为7670个LE，因此，选用Altera的Cyclone芯片EP4CE22F17，该芯片总共22320个LE，资源利用率为34%。

openPOWERLINK是EPL的开源应用，包括用C语言编写的EPL应用程序代码和用VHDL语言编写的FPGA配置程序（openMAC和openHUB等）。因此，FPGA上运行的EPL工程分为2部分：一部分为Quartus工程，用来配置FPGA片上资源及Nios软核，这是因为EPL的应用程序是由C语言编写的，无法直接在FPGA上运行，因此，需要FGPA实现一个软CPU用来运行用户的应用程序，这个软CPU就是Nios软核；另一部分为Nios工程，用来运行应用程序，实际运行EPL协议栈时，用户只需要在Nios中对应用程序进行修改。

系统使用快速型的NiosⅡ处理器内核，工作频率最快能够达到100MHz。在此基础上，植入EPL协议，实现对以太网的数据传输和控制。

MAC主要负责控制与链接物理层介质。PHY（物理层接口芯片）采用KS8721芯片，该芯片能够通过FPGA内部的PLL实现外部高达125MHz的时钟输入；PHY芯片与RJ45传输采用MII模式，接口电路如图4所示。

图4 FPGA与PHY控制芯片接口

SRAM与EPCS是电路设计中不可或缺的部分，两者的性能直接影响着控制卡的控制精度以及通信的实时性。系统采用512kB的SRAM芯片IS62C51216AL，与FPGA的接口为16bit。EPCS芯片采用FM25L256配置芯片来保存用户应用程序，该芯片克服了Flash擦除次数引起的使用寿命问题，并防止数据查询困难，具有高速读写、低功耗和掉电数据保存的特点。

EPL和用户MCU（这里指软CPU）之间的通信以下简称API，是系统实现的关键部分。实现EPL的FPGA以下简称PCP，用户的MCU以下简称AP。在PCP中用一个双端口RAM（DPRAM）实现EPL协议栈与AP之间的通信。该DPRAM内部资源包含如下5部分：Control status register，A-synchronous transmit buffer（AP发送命令给PCP），Asynchronous receive buffer（PCP发送请求给AP），Synchronous data transmission buffer（TPDO Buffer周期性发送数据的缓冲区），Synchronous data receive buffer（RPDO Buffe周期性接收数据的缓冲区）［10］。

AP一侧的接口程序步骤：

a.AP一侧创建一个Object Dictionary，然后将应用程序中自定义的变量与Object Dictionary中的对象一一绑定。

b.AP发送“Initialization”给 EPL，进行初始化。

c.AP发送“Start”命令给PCP，使EPL进程开始启动。

d.等待EPL进入“OPERATIONAL”状态，进入此状态，说明EPL协议栈可以实现正常通信。

e.AP向PCP发送建立PDO描述的命令，PCP接收到这个命令以后，将返回给AP PDO的描述信息。AP根据PDO描述信息和对象字典，建立对象字典副本。

f.开始周期性的通信。将aRxpdocopyTable的数据从接收PDO缓冲区拷贝走，将aTxpdoCopy-Table的数据拷贝到发送PDO缓冲区［11］。

DSP与FPGA通信流程如图5所示。

图5 DSP与FPGA通信流程

3 结束语

本设计的最大特点就是控制卡成本较低，且利用开源的EPL总线通信协议，实现起来较简单。目前实现了EPL主站和从站的运行，并在此基础上增加了DSP和光电隔离I／O模块。采用DSP作为核心处理器，实时处理能力更强，且能够实现复杂的加减速控制算法、插补以及位置控制算法，充分满足各种复杂的多轴运动控制系统的要求。EPL通信协议完全基于软件，所有的应用都可以使用标准的硬件来实现，是个比较有前途的通信系统，EPL的引入不仅使运动控制通信实时性更加良好，达到微秒级水平，而且对控制卡的性能改进也更加方便。

［1］Zhu Zheng-hong，Wang Yue-e.The real-time technology research of industrial Ethernet in control field［C］.International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010.5274-5277.

［2］Juan Antonio Maestro，Pedro Reviriego.Energy efficiency in industrial Ethernet：the case of POWERLINK［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）：2896-2903.

［3］朱 洪.工业以太网在控制领域的研究与应用［D］.南京：南京工业大学，2003.

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［5］叶 莘.Ethernet POWERLINK——实时的工业以太网［J］.自动化博览，2004，（4）：43-45.

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