工业以太网EtherCAT通信控制器

王 豪， 吕洪武， 王宏志

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

以太网通信具有传输速率高、数据包容量大、传输距离远、性价比高和技术成熟等优越性，使得当今的工业控制网络逐渐从传统的现场总线向工业以太网方向发展，因此，很多工业以太网被提出来：Modubus/TCP、Ethernet/IP、Ethernet Powwe link、EPA、PROFINET RT、EtherCAT、SERCOS-Ⅲ、PROFINET IRT[1]。德国倍福公司提出的以太网EtherCAT网络通信技术完全兼容普通的以太网技术，充分体现了高可靠性和高有效传输率等特点，EtherCAT网络由主站和从站组成，全双工特性使其数据的传输率达到了90%以上。

在文献[2]中，嵌入式以太网控制器的核心器件为S3C44B0X微处理器，设计了一种通用的嵌入式系统以太网接口，其不足之处是S3C44B0X微处理器的性能过低，实时性差，仅用于一般的工业控制网络。考虑到EtherCAT网络在非PC计算机系统和嵌入式控制系统中的通信，文中设计S3C2440微处理器的嵌入式EtherCAT通信控制器，在主站与从站通信过程中，以太网控制器不仅采用冲突检测和载波监听多路访问协议的功能，而且传输速率甚至达到100 Mbit/s。在工业以太网 EtherCAT通信过程中，文中设置了3个通信节点进行数据帧的传输。

通过PC机软件对通信控制器的参数进行配置，实现了主从设备之间的逻辑通信。

1 EtherCAT系统组成及工作原理

EtherCAT是一种以太网控制自动化技术，通信过程使用主从模式访问结构，充分体现了以太网的全双工特性。EtherCAT网络通信主站的设定往往采用PC计算机，EtherCAT主站使用标准的100Base-TX以太网卡，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。物理层同样使用标准的以太网物理层器件[3]。

一个完整的EtherCAT网络通信系统包括一个PC机主站和若干个从站设备。

当EtherCAT网络通信系统运行时，EtherCAT系统控制的通信周期起始站为PC机，由主站PC机发送下行电报，每个从站设备都可以直接处理接收到的报文，并从指定的报文中提取用户数据,或者将从站设备的用户数据插入到指定的报文中，经过处理的报文传输到下一个EtherCAT从站设备，最后一个EtherCAT从站设备返回经过各个从站设备完全处理的报文[3]。当主站PC机接收到上行电报时，表示一次完整有效的数据通信结束。系统结构原理如图1所示。

图1 EtherCAT运行原理

2 EtherCAT协议介绍

2.1 EtherCAT数据帧结构

EtherCAT数据传输方式是通过EtherCAT数据帧直接传输的，EtherCAT数据帧的通用帧类型为0x88A4[4]。以太网帧头包括6个字节的目的地址、6个字节的源地址和2个字节的帧类型，其中目的地址的定义为接收MAC地址，源地址的定义为发送MAC地址；EtherCAT数据区包含44～1 498字节的EtherCAT数据，其中EtherCAT数据区长度代表了所有的子报文长度的总和，数据区可以由一个子报文组成，也可以由多个子报文组成，每个子报文包括10个字节子报文头，最多1 486个字节的数据和2个字节的计数器，并且每个独立的设备都有与之对应的子报文，给出了EtherCAT报文嵌入数据帧的结构图如图2所示。

2.2 EtherCAT工作计数器

每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据区域和工作计数器(WKC)[5]。工作计数器位于数据区的末尾，大小为2个字节，工作计数器工作状态是由从站控制器(ESC)处理传输的数据帧的同时进行计数的，不同的通信服务有不同工作计数器的增量方式。因此在通信过程开始之前，主站为每个参与通信服务的子报文都设定了工作预期值，初始值设定为0，在遍历从站设备过程中，子报文被有效的处理后，工作计数器的数值加1，主站通过对比预期的工作计数器的数值和返回主站子报文的工作计数器的数值来判断子报文是否在从站中被正确处理。假如工作计数器的数值为有效数值，即从站设备对子报文进行了正确的读写操作，假如工作计数器的数值为无效数值，即存在某一个从站设备或是多个从站设备读写操作不正确。工作计数器的工作原理如图3所示。

图2 EtherCAT报文嵌入以太网数据帧

图3 EtherCAT工作计数器工作原理图

3 EtherCAT通信控制器的硬件设计

基于S3C2440微处理器和RTL8019AS以太网控制器为硬件平台设计的EtherCAT通信控制器。EtherCAT通信控制器的硬件设计电路如图4所示[6]。

图4 EtherCAT通信控制器的硬件设计电路

EtherCAT通信控制器的硬件组成包括2个核心模块和6个外围模块。核心模块为S3C2440微处理器、RTL8019AS以太网控制器；外围模块为以太网接口电路模块、USB接口电路模块、FLASH存储器模块、串口驱动模块、电源模块和时钟和复位[6]。

通信控制器的核心器件是S3C2440微处理器，该处理器是由三星公司开发的一款基于ARM920T内核和0.18 μm CMOS工艺的16/32位RISC微处理器，其功能特性包括低成本、低消耗、高性能等。RTL8019AS以太网控制也被叫做以太网适配器，一个特定的物理层和数据链路层标准作为以太网控制器的使用，提供了一个完整的网络协议堆栈，能够使得在同一局域网中的小型计算机组或者是通过路由协议连接的广域网都能够实现通信[7-8]。

通信控制器设计的核心器件为微控制器[9]，工业以太网EtherCAT通信控制器的参数是通过USB接口在上位PC机进行离线配置的，通信控制器中的FLASH 存储器用来存储离线配置完成的参数，可用于系统独立的工作。

4 PC机程序的配置

上位PC机程序由EtherCAT主站微处理器的通信程序和PC机的配置软件两部分构成：通信控制器的参数是通过上位PC机软件进行设置；离线(off line)配置参数是由PC机直接通过USB接口对控制器设计。配置完成的参数存储在硬件FLASH存储器模块中，供通信系统独立运行时使用[10-11]。离线(off line)配置的参数包括：数据帧传输周期时间的设定、报文的地址和长度的设定。由PC机软件配置EtherCAT通信控制器的示意图如图5所示。

图5 PC计算机配置通信控制器示意图

在上位PC机上通过配置软件对通信控制器进行程序配置，并且通信控制器上的系统配置参数是通过USB总线电缆的读写传输到PC计算机上的。

5 系统的实验操作运行过程

通信控制器产生和控制EtherCAT数据帧的线路循环图如图6所示。

图6 通信控制器产生和控制EtherCAT数据帧的线路循环图

将通信节点1定义为逻辑控制主站， 由EtherCAT主站控制单元进行操作；将通信节点2、节点3定义为逻辑控制从站。两个EtherCAT数据帧构成了主站通信程序的一个通信周期[12]。第一个EtherCAT数据帧为取数据帧，其作用读取各个从站通信节点的输出数据，第二个EtherCAT数据帧为发数据帧，发数据帧通过处理接收的数据又重新返回到原来的通信节点，进而完成了主从设备之间的数据转换。

通信过程运行步骤如下：

1)由通信控制器发出取数据帧，当通信控制器产生的取数据帧经过通信节点1时，即到达第一个逻辑控制主站，取数据帧在逻辑控制主站被有效处理，对逻辑控制从站的控制命令被写到规定的报文中；当取数据帧途径逻辑控制主站时，其主要目的是将对逻辑控制从站的控制命令写入到规定的报文；经过通信节点2、节点3时，即到达第二、三个逻辑控制从站，取数据帧在第二、三个逻辑控制从站被有效地处理，并将各自逻辑控制从站的通信服务状态写到规定的报文中。

2)当取数据帧按原传输路径返回到通信控制器时，通信控制器对返回的取数据帧进行处理分析，再由通信控制器产生发数据帧。

3)由通信控制器发出发数据帧，当通信控制器产生的发数据帧经过通信节点1时，即到达第一个逻辑控制主站，对写入逻辑控制从站规定的报文的通信服务状态进行读取，当通信控制器产生的发数据帧经过通信节点2、节点3时，即到达第二、三个逻辑控制从站，每个逻辑控制从站都能读取各自的控制命令，其控制命令写在了逻辑控制主站规定的报文中，给出了通信过程软件流程如图7所示。

图7 通信过程软件流程

6 结 语

嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、低功耗、可靠性高、多任务操作等优点，以太网的工业控制系统由嵌入式系统来设计与实现，文中设计了一种基于S3C2440微处理器和PTL8019AS以太网控制器硬件平台结合的嵌入式 EtherCAT通信控制器，PC机软件对通信控制器的参数进行配置，对整个EtherCAT通信系统中的各个通信节点读写操作,实现了主从设备控制之间的逻辑通信。文中设计的以太网EtherCAT通信控制器不仅实现了以太网驱动模块的设备控制，而且扩大了EtherCAT技术的使用范围，已成功应用到工业控制系统中。