EtherCAT无线网关设计与实现

钱秋阳,曹广忠,彭业萍,钟祥永

(1.深圳大学机电与控制工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳电磁控制重点试验室，广东 深圳 518060)

0 引言

EtherCAT是一种实时工业以太网总线技术，它充分利用了以太网的全双工特性，采用主从通信模式。这种模式提高了总线通信的高效性以及实时性。因此，EtherCAT总线在工业上的应用越来越广泛[1]。

然而，工业现场危险性高、环境恶劣且工况复杂，一旦机器出现问题，需要花费大量的时间和人力成本。为满足工业现场作业需求，无线监控技术得到引入并快速发展，但现有的无线监控方式大多针对小数据量的采集展开研究，无法满足大数据背景下的工程应用需求[2-8]。

本文在EtherCAT总线的分布式多传感器数据采集解决方案的基础上，设计了基于EtherCAT总线的无线网关(下文简称为无线网关)，实现了将总线数据无线传输至服务器，为EtherCAT总线的延伸和扩展提供了一种有效、快捷的技术。

1 无线网关接入EtherCAT总线方案

EtherCAT支持总线形、树形和星形等诸多类型的网络拓扑结构。EtherCAT无线通信网络如图1所示。本文选用线形拓扑结构作为EtherCAT总线网络的连接方式，将无线网关接入EtherCAT总线的末端。其目的在于：在危险性高、环境恶劣的一些工业制造现场，减少大量的线缆布置[9-12]。无线网关实质上是具有WiFi无线通信功能的EtherCAT复杂从站，在物理结构上由EtherCAT从站以及WiFi模块组成。WiFi模块与EtherCAT从站之间使用RS-485通信接口进行串行通信。基于这种实现方式，无线网关既具有EtherCAT从站总线通信功能，又具有接入无线网络以及无线通信功能。

图1 EtherCAT无线通信网络

通信过程由EtherCAT主站控制，即主站为通信的发起者[13-14]。通信开始，主站获取从站发送的数据，并通过总线将数据发送至无线网关；无线网关完成由EtherCAT协议报文向WiFi所支持的协议报文转换。报文通过WiFi无线传输至无线路由，经无线路由转发至Web服务器。上述通信过程可实现EtherCAT总线数据的无线通信和无线监控。

2 EtherCAT与WiFi协议转换模型

参考开放系统互联(open system interconnection,OSI)理想模型，EtherCAT 协议分为物理层(PHY)、数据链路层和应用层。物理层遵循IEEE 802.3标准规定的通信物理传输接口及传输介质。数据链路层包含EtherCAT 媒体介质访问控制(EtherCAT MAC)、邮箱通信(Mailbox)以及过程数据通信(Process Data)三种通信过程。邮箱通信用于EtherCAT主站同步从站信息配置；过程数据通信用于主站与从站之间的数据高速交互。应用层定义EtherCAT通信协议逻辑控制与数据交互的接口。该层协议包括EoE、FoE、SoE以及CoE等[15-16]。本文使用CoE(CANOpen)协议作为EtherCAT从站的应用层协议。

WiFi通信协议遵循IEEE 802.11标准规定的物理层和数据链路层。数据链路层由媒体介质访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)实现寻址、组帧等功能[17]。应用层定义通信数据的接口。本文使用超文本传输协议(HTTP)作为WiFi协议的应用层协议。

图2 协议转换参考模型

无线网关实现协议转换的数据流整体过程是主站(EtherCAT master)发送EtherCAT报文，无线网关(wireless gateway)接收报文，无线网关执行协议转换流程，完成数据报文由EtherCAT协议应用层到WiFi协议应用层转换。协议转换具体流程是将EtherCAT报文从EtherCAT协议物理层开始，经过数据链路层，在应用层完成 EtherCAT协议的报文解析后，将主站发送的数据以14 B为一帧的格式封装。以WiFi协议应用层为起始点，数据经由LLC层及MAC层，打包封装成WiFi报文，通过物理层介质经无线路由传输至Web服务器中。

3 无线网关设计

3.1 无线网关的硬件设计

无线网关的硬件主要包括EtherCAT从站和WiFi模块。本文选用美国德州仪器公司的AM3359 ICE开发板硬件作为EtherCAT从站。无线网关硬件结构如图3所示。

图3 无线网关硬件结构图

AM3359 ICE开发板采用具有工业通信功能的ARM微处理器AM3359与数据收发芯片TLK110 硬件连接电路，实现EtherCAT从站总线通信。AM3359 ICE开发板具有RJ45、RS-485等工业通信接口。主控芯片AM3359 微处理器是ARM Cortex-A8处理器内核 (ARM Core)，片内具有可编程实时及工业通信子系统单元 (programmable real-time unit and industrial communication subsystem，PRU-ICSS) 及通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)等工业通信外设。由于PRU-ICSS单元与ARM内核共享一段特定的内存地址，该方式可简化EtherCAT从站通信实现过程。因此，本文采用PRU-ICSS单元实现EtherCAT从站通信。

WiFi模块选用具有RS-485通信接口和WiFi通信功能的嵌入式模块来实现WiFi通信功能。该模块支持802.11 b/g/n协议标准，无线网关的通过网页来配置。AM3359 ICE开发板与WiFi模块以RS-485作为通信接口，并通过UART建立通信。

3.2 无线网关的软件设计

软件分层结构如图4所示。无线网关软件程序包含任务层、协议层与驱动层。为实现数据格式的转换，各层分别提供数据交互接口的定义。

图4 软件分层结构图

驱动层为AM3359外设硬件控制程序，包含PRU-ICSS驱动和UART串行通信驱动。PRU-ICSS驱动程序实现PRU-ICSS寄存器配置和缓存读写功能。UART驱动定义了串行通信的发送与接收接口，实现了以帧为最小单位的串行通信功能。协议层包含EtherCAT从站协议栈。该协议栈实现EtherCAT通信协议的数据链路层和应用层功能。

任务层完成EtherCAT数据解码与数据组帧任务：在EtherCAT数据解码任务中，本文设计从站的输入/输出的数据位宽为32位，即EtherCAT通信数据字节长度为32位。通过主站数据编码，规定高12位为数据编号值、低12位为数据值、中间8位为数据名。数据流由驱动层到达任务层时，即EtherCAT从站接收并解析主站发送的数据后，EtherCAT数据解码任务对32位数据进行解码。数据解码流程如图5所示。

图5 数据解码流程图

解码后的值分别存入一个包含三个元素的结构体中。三个元素分别代表数据编号、数据名称、数据对应的数值大小。在数据组帧任务中，由于本文采用的UART串行通信的发送格式以ASCII码为基本单元，所以在结构体中的三元素均转换为ASCII码后，执行数据组帧任务。数据帧格式如图6所示。数据帧包含数据编号、编号值、数据名称以及数据数值内容。图6中：“=”为编号名、数据名和分别与其对应的编号值、数值之间的连接符； “&”为编号值和数据名之间的连接符。

图6 数据帧格式

本文通过网页配置 WiFi模块的工作模式及通信方式，将WiFi模块的工作模式设置为STA无线网络终端模式，通信方式为Client模式，通信协议为HTTP协议。

4 无线网关数据传输试验

无线网关数据传输试验是以EtherCAT总线网络为基础实现的。试验设备主要由主站、1#从站以及无线网关构成；无线网关由AM3359 ICE开发板与WiFi模块连接组成。无线网关连接在总线的末端，与伺服驱动器及工业控制计算机共同组成通信网络。

主站是工业控制计算机，采用此计算机中的TwinCAT软件实现数据传输的控制。TwinCAT软件是由德国倍福(BECKHOFF)公司开发的、基于Windows系统的自动化PLC控制软件。1#从站是一个具有EtherCAT从站通信功能的伺服驱动器。本文选用德国BECKHOFF公司制造的、具有EtherCAT通信功能的伺服驱动器AX5000系列作为1#从站。

数据传输的主要流程如下。①主站通过EtherCAT总线发送数据采集指令给从站1#。②从站1#执行获取伺服驱动器以及电机的传感器数据的操作，获取电机电压数值、电机三相交流电流数值、电机转速和电机位置等数据后，将此数据打包发送给主站。③主站接收从站1#的数据后，对数据进行编码、打包并转发给无线网关；无线网关接收到主站发送的报文，将EtherCAT报文转换为WiFi报文，通过WiFi协议将数据传输至Web服务器。

4.1 主站PLC程序

在实现主站可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)程序之前，首先需要将从站配置文件导入TwinCAT中。本文使用德州仪器公司的从站配置文件(EtherCAT slave informmation,ESI)。当TwinCAT软件获取从站信息时，该软件会显示从站固定数据位宽为32位的输入/输出变量信息，将从站的输入/输出变量与定义的PLC变量关联。其中，对于PLC程序变量的赋值或取值的操作等同于主站发送和接收数据的操作。

PLC程序采用结构化文本语言(stracture text,ST)进行编程，主要以功能块的形式实现如下两个功能：其一为伺服驱动器内的传感器数据与电机内的传感器数据的获取，其二为待发送数据编码过程及编码后数据的发送。PLC程序流程如图7所示。通过程序功能块使能电机，获取电流、电压、电机温度等数据，并实现数据编号以及数据编码，最终将编码后的数据赋值给PLC发送变量，以实现数据发送。

图7 PLC程序流程图

4.2 通信试验

本文设计通信试验，将伺服驱动器采集的电机交流电电流、直流母线电压、电机温度等数据通过EtherCAT总线网络发送至无线网关，并通过WiFi网络将数据发送至Web服务器端，从而实现在Web服务器上远程观测电机状态以及伺服驱动器电流的动态变化。

本文为验证通信试验数据传输的完整性，作出如下定义。首先，定义如图6所示的通信数据帧格式，用于无线网关WiFi数据传输。设定数据编号名为字符 ‘T’，每帧数据的数据编号对应为0000、0001、0002、0003、0004。然后，定义数据名称：AA为直流母线电压，AB为U相电流，AC为V相电流，AD为W相电流、AE为电机温度。本文定义的一组伺服驱动器包括在流母线电压，通过电机的互相交流电流以及电机的温度值。

经通信试验，网页服务器接收到的完整数据中，每组均包含五帧通信数据，且数据编号完整。综上可验证数据传输的完整性，即传输过程无数据丢失。

5 结束语

本文针对工业现场的远程监控问题，研究并设计了具有将EtherCAT协议报文转换为WiFi协议报文功能的网关。经通信试验验证，无线网关能够准确解码，由WiFi将EtherCAT报文中的数据传输至Web服务器，并通过网页显示出数据。该网关的研究与设计将EtherCAT网络和WiFi网络融合，为工业现场的远程监控的实现提供了一种新方法。