基于EtherCAT的从站设计

文 辉

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

基于EtherCAT的从站设计

文 辉

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

现场总线已经成为自动化控制技术重要组成部分，通过大量的实践实验与测试，如今已经获得广泛的应用。EtherCAT具有良好的实时能力，适应小数据量通信，并且价格经济，在工业控制上得到广泛的应用。但由于EtherCAT从站设计必须使用专门的芯片，导致从站的硬件设计复杂、调试困难、成本增加。文章采用AM3358 Cortex A8 处理器外加以太网物理层收发器（PHY）的方案，由于AM3358片内集成工业用通信子系统 (PRU-ICSS)可以实现EtherCAT协议，因此只要外加PHY就可以成为EtherCAT从站。

EtherCAT；AM3358；从站

现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采 用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在 I/O级实现因特网技术 。

EtherCAT作为实时工业以太网中的佼佼者，它具有高速和高数据有效的特点，支持多种物理拓扑结构。其主站使用标准的以太网通信控制器，从站使用专门的从站控制芯片。正因为EtherCAT总线具备众多优点，在2014年10月，EtherCAT成为中国推荐性国家标准。本文提出了一种新的EtherCAT从站实现方案。

1 EtherCAT网络

倍福基于以太网现场总线系统的EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技术具有性能优异、 拓扑结构灵活和系统配置简单等特点。

EtherCAT突破了传统现场总线系统的限制，为现场总线技术领域树立了新的性能标准：30 µs 内可以更新1000个I/O，利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成，网络容量几乎无限。使用 EtherCAT 后，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。

EtherCAT 还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要专用的主站硬件或扫描卡，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡便可实现。

EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC)便可实现。

EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯。

图1 总线系统

它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的 方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所 提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。

2 EtherCAT从站设计方案

兼顾到从站的成本和性能，本系统采用简单的“微处理器+以太网物理层收发器”的方案。其中微处理器和以太网物理层收发器都必须支持EtherCAT总线协议。德州仪器（Texas Instruments）的AM335X微处理器适用于工业自动化设计，提供可编程实时单元（Programmable Real-time Unit）片上接口，可以实现工业通信，支持EtherCAT、Ethernet/IP、PROFIBUS、PROFINET、POWERLINK以及SERCOS等常见协议。正是AM335x独特的PRU+ARM核的架构，使得主需要一片AM335x不用在外部添加ASIC或者FPAG就可以实现从站，大大的节省了材料成本。此外AM335x微处理器还具有丰富的外部接口（CAN、ADC、USB等），支持快速网络连接和快速数据吞吐，还能连接传感器、电机控制。考虑到AM335x具备的众多优点选择它作为本从站的微控制器。物理层收发器则选择TLK110,给芯片为工业级物理层收发器，具有低功耗，低确定性延迟支持 IEEE 1588 执行，可编程快速链路下行模式，反应时间 ＜ 10µs等特性，满足本系统的设计要就。本系统总体方案如图2所示，

图2 系统总体方案

AM3358为 ARM Cortex-A8 32-位RISC微控制器，最高工作频率可以达到1GHz，拥有丰富的接口（6个UART,2个CAN，2个以太网接口，3个I2C等），此外还集成了可编程实时单元和工业用通信子系统 (PRU-ICSS)单元。

由于PRU-ICSS与ARM核是独立存在的，从而使得PRU-ICSS实现了针对更大效率和灵活性的独立运行和时钟控制。 PRU-ICSS 由两个 32 RISC 处理器核（成为可编程实时单元，PRU）、数据存储器、指令存储器、中断控制器、内部外设等组成。可以通过对 PRU 编程，再结合 PRU-ICSS 提供的引脚能够实现可以实时性的工业接口。PRU-ICSS 能够实现多种工业以太网主站或从站控制器：EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、PROFIBUS、POWERLINK。

PRU-ICSS 中有两个可编程实时单元（PRU），两个 PRU 可以独立的编程操作，也可以协同工作，同时可以与芯片上的ARM 核协同工作。PRUs 可以通过主接口访问 AM3358上面的所有资源。AM3358 中的 ARM 处理器能够访问 PRU-ICSS 中的资源。每个 PRU 都有 8KB 的程序存储区和 8KB 的数据存储区。这些存储空间能够同时映射到 PRU0、PRU1和 ARM 寻址空间。正是因 AM3358 的这种特点，在进行软件开发时，可以单独编写 PRU程序实现所需要的功能，编译成 PRU 处理器可执行的二进制代码，ARM 上电启动时，将PRU 程序加载到 PRU0 或 PRU1 的指令存储器中并启动 PRU，此时PRU-ICSS 就可以实现所需要的功能了。

3 软件介绍

3.1 软件总体框架

EtherCAT从站软件主要分3各部分来实现，各部分的功能、接口如图3所示。

（1）底层硬件驱动程序。主要使能PRU-ICSSS功能，配置工作模式，设置寄存器。此外驱动程序还要对SDRAM，SPI Flash，电源管理芯片，串口以及SD卡等硬件进行初始化操作。

（2）EtherCAT协议栈实现。EtherCAT协议栈主要提供

三部分功能：EtherCAT状态机、邮箱通信（Mailbox Communication）和过程数据通信（Process Data Communication）。

（3）应用程序。应用程序主要维护系统要执行的任务处理，比如串口调试、I/O驱动控制、传感器数据采集等任务。系统可以采用轮询的方式调度，也可以采用CPU抢占的方式，通过设置中断程序，保证了系统有比较好的实时性。

图3 软件框架

3.2 PRU-ICSS 编程

PRU-ICSS 其实有点像可编程逻辑器件，可以通过对PRU0 和 PRU1 编程让 PRU 实现 ESC 中的数据帧处理单元、FMMU、SyncManager、分布式时钟、错误检测、主机接口等功能，并使用 PRUSS 中 12KB 的共享 RAM 来模拟 ESC 的寄存器。

TI公司在发布AM335x ICE开发套件的时候，提供了PRU EtherCAT固件（fireware）程序，如图 4所示。能够实现EtherCAT从站硬件功能。在ARM程序对ICE进行初始化的时候将固件程序下载到PRU0和PRU1的指令存储器即可将PRU-ICSS变成 EtherCAT 控制器。加载好固件后，PRU-ICSS实现ESC。另外通过共享内存的方式，可以很方便的进行数据通信。

图4 EtherCAT 固件程序示意图

4 性能测试

使用TwinCAT作为EtherCAT总线主站，并将EtherCAT网络设置成OP状态，启动WireShark对网络中的数据进行捕获。

经过一段时间后，WireShark不活了网络中所有的收发数据，如图5所示。

图5 EtherCAT数据帧

经过数据分析周期在10ms，考虑到PC系统并非实时系统而且硬件性能的原因，本EtherCAT从站方案达到最初设想的状况，具有不错的性能

5 总结

本文详细地阐述了一种低成本，高效率的EtherCat从站方案，经过初步测试达到不错的性能。

[1] Texas Instruments ,EtherCAT on Sitara Processors, http:// www.ti.com.cn/cn/lit/wp/spry187d/spry187d.pdf

[2] EtherCAT Technology Group ,EtherCAT-以太网现场总线, http://www.ethercat.org.cn/cn/technology.html#total

[3] 任计羽.EtherCAT从站软件的设计与实现[D].北京:中国科学院光电技术研究所,2014.

[4] 郇极,刘艳强.工业以太网现场总线 EtherCAT 驱动程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

Based Design EtherCAT Slave

Fieldbus has become an important part of the automatic control technology, through a large number of practical experiments and testing, now widely applied. EtherCAT has good real-time capability to adapt to the small amount of data communications, and affordable, the industrial control has been widely used. However, due to EtherCAT Slave design must use a special chip, leading from the station complex hardware design, commissioning difficulties, increasing costs. In this paper, AM3358 Cortex A8 processor plus Ethernet physical layer transceiver (PHY) program, due to the integrated chip inside AM3358 Industrial communications subsystem (PRU-ICSS) EtherCAT protocol can be achieved, so long as the external PHY can become EtherCAT Slave ..

EtherCAT;AM3358;Slave

TP273

A

1008-1151(2015)03-0016-03

2015-02-12

桂林市科技开发（No.20140103-5）。

文辉（1987－），男，桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生，研究方向为嵌入式、自动化。