基于ERTEC200P芯片的PROFINET IO工业以太网接口开发

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300301）

在“中国制造2025”的背景下，数字化工厂、智能工厂的概念被人们熟知。数字化工厂的本质是信息集成。在自动化领域，通讯技术、工业以太网技术的突破是信息集成的关键。

工业以太网技术的应用进一步提高了生产效率、优化利用资源、有利于生产规模的提升。在网络连接方式上，需要更加灵活的网络拓扑结构，具备更可靠的网络冗余特性。在系统应用中，需要更强的抗干扰能力和强大的系统诊断功能。

PROFINET是一种适用于自动化领域的开放式以太网标准，实现了更高的通讯传输速率、更强的数字化技术和灵活的网络技术[1]。PROFINET为用户提供了一个完整的解决方案，覆盖所有自动化领域的应用，可无缝集成现场总线系统，目前在自动化领域应用最为广泛。

本文介绍了一种基于ERTEC200P芯片的PROFINET IO工业以太网接口开发设计方案，包括硬件设计、软件实现以及通讯测试。基于该方案可快速实现PROFINET IO接口开发，对于拓展产品应用领域，提高产品竞争力具有很强的实际意义。

1 PROFINET和ERTEC200P

1.1 PROFINET协议简介

PROFINET基于标准以太网实现，是一种实时的自动化技术。其中，PROFINET IO对应的中国国家标准为GB/T 25105.1—3—2014。

PROFINET采用100 Mb/s以太网，使用全双工通信，在一条电缆上实现更多应用[2]。PROFINET是100%交换网络，不需要中继器就可以实现灵活的网络拓扑结构。此外，PROFINET网络为所有PROFINET设备提供设备诊断和网络诊断，减少设备停机时间。

PROFINET采用独立的通道用于IO数据输出和TCP/IP，无需为TCP/IP准备额外网络。PROFINET包含三种数据通讯方式，数据通道图如图1所示。

图1 PROFINET数据通道图Fig.1 Diagram of PROFINET data channel

1）标准数据通讯。基于TCP/IP协议，实现非实时（non real-time，NRT）数据通讯。用于传递参数化与配置信息，或读取诊断数据。

2）实时（real-time，RT）数据通讯。RT通讯是非同步的，循环周期缩短至250 μs，支持100 Mb/s通信，适用于超过90%的自动化领域。PROFINET基于TCP/IP第二层协议，提供了优化的实时通讯通道，缩短数据处理时间。

3）同步实时（isochronous real-time，IRT）数据通讯。IRT技术保证确定性数据和互联网协议数据同时传输，循环周期缩短至31.25 μs。数据传输和设备周期是同步的，循环时间缩短至125 μs，满足高性能（如伺服）控制系统的要求。

1.2 ERTEC200P基本介绍

ERTEC200P是由西门子公司开发的增强型实时以太网控制器。主要特点为：集成了支持IRT的双端口交换机，符合C类，循环时间可达31.25 μs。

ERTEC200P内部集成标准250 MHz ARM926 EJ-S处理器，可以作为单片系统，所有应用程序都在ERTEC200P实现[3]。其次，外部主机可以通过16/32位并行接口直接访问片内地址空间IORAM，相当于内置的双口RAM，将应用程序和通讯处理分开，构成双核系统。

ERTEC200P包含PROFINET IP核（PN-IP），用于实现高速PROFINET通讯。PN-IP内核包含性能升级的“快速转发”，“动态帧封装”和“碎片”机制。因此，ERTEC200P支持开发IRT等实时通讯应用，PN-IP提供最小设备处理周期为31.25 μs的同步输出。ERTEC 200P还允许无限制地访问TCP/IP数据和服务，以便可以并行传输非时间关键数据。

ERTEC 200P适用于各种现场设备类型：快速IO设备、高精测量仪器、同步伺服驱动和编码器以及所有高性能和智能自动化设备。

1.3 PN IO协议栈

基于ERTEC200P以太网控制器专用芯片，西门子提供完整的PROFINET IO协议栈，支持全部PROFINET规范内容。用户无需关注协议栈具体实现，即可实现RPFOINET IO工业以太网接口开发。

PROFINET IO协议栈实现的主要功能包括：与PROFINET IO控制器之间的周期及非周期数据交互；处理诊断和硬件中断，通讯模块动态增加、删除中断；分配以太网使用IP地址及设备名。

PROFINET IO协议栈主要技术参数包括：协议栈版本为V4.5.0；通讯模式为支持RT，IRT；支持协议包括DCP，LLDP，MRP，CLRPC等；IO数据长度为单向最大1 440 B。

2 PROFINET IO硬件设计

基于ERTEC200P构建PROFINET IO设备开发方案。系统主要由基于ERTEC200P的PROFINET IO设备和TCU1变频器控制单元组成。如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Diagram of hardware structure

图2中，ERTEC200P+SDRAM+SPI FLASH组成PROFINET IO设备核心部分，构成PROFINET协议栈和用户程序运行的最小系统。ERTEC200P和SDRAM之间通过16位数据宽度实现高速读写。SDRAM存储器容量为64 MB，SPI FLASH容量为32 MB，满足PROFINET协议栈和用户程序的需求。

PROFINET IO设备外部接口：

1）通过20针2.54 mm标准JTAG接口，为ERTEC200P提供程序下载与调试功能。

2）通过3.3 V TTL UART，提供PROFINET协议栈系统运行调试接口。

3）通过网络变压器，RJ45接口等，实现2路100 Mb/s PROFINET以太网接口。

4）通过GPIO接口拓展3个LED发光二极管，指示协议栈和系统运行状态。

5）通过SPI接口连接ERTEC200P与变频器控制单元，兼容控制器原有接口。

3 PROFINET IO软件设计

3.1 软件任务结构

ERTEC200P基于eCos实时操作系统创建系统任务，实现时钟处理、串口通讯、网络参数设置、通讯连接处理、PROFINET IO数据更新、通讯状态显示、控制器数据处理与交互[4]。系统软件结构图如图3所示。

图3 软件结构图Fig.3 Diagram of software structure

图3中，各主要组成部分功能如下：

1）Task_MainApp任务负责系统控制，创建PNIO协议栈，初始化PNIO设备信息，检测协议栈工作状态。

2）Task_PNPB是PNIO协议栈任务，用于事件处理，如通讯连接关系的建立与断开，模块与子模块的动态插入与删除，数据处理的更新。Task_PNPB任务负责处理与Task_CycleIO任务的数据交互。

3）Task_RS232任务，用于串口调试，根据串口命令执行相应操作对应的状态信息。

4）Task_LED任务，根据PROFINET协议栈运行状态和控制器通讯状态，控制指示灯的工作状态。

5）Task_CycleIO任务，根据触发信号，周期执行PROFINET协议栈与用户缓存区之间的IO数据交互。根据TRANS_END事件作为触发信号，或者是固定周期产生的触发信号，更新设备输入输出数据。

IRT通讯模式中，在周期数据的传输结束时刻，当所有的控制器IO CR和所有用户IO CR连接全部完成时生成TRANS_END事件。

6）Task_EXCH任务，根据PROFINET IO设备输入输出模型，控制PROFINET IO数据到通讯数据区的转换。

3.2 数据存取模型

PROFINET IO设备数据存取模型如图4所示。

图4 数据存取模型Fig.4 Diagram of data access model

PROFINET IO设备与PROFINET IO控制器建立通讯连接后，在PNIO_cbf_ar_ownership_ind中获取所有设备组态信息。其中，槽（slot）对应模块（module），子槽（subslot）对应子模块（submodule）。然后通过PNIO_sub_plug添加必要的模块信息。

PROIFNET IO设备调用PNIO_initiate_data_read，接收PROFINET IO控制器下发数据，将PNIO缓冲区数据，根据对应关系放到槽和子槽中。同时，调用PNIO_initiate_data_write，把槽和子槽中数据更新到PNIO缓冲区，上传给PROFINET IO控制器。

PROFINET IO设备根据通信连接关系和子模块属性，按照模块顺序、输入输出类型和IO长度，将输入输出数据存储到过程数据缓存区[5]。子模块属性在设备GSD文件中定义，表明PROFINET IO设备支持的输入输出模块信息。通过过程缓存区，PROFINET IO设备通过SPI接口实现与变频器控制单元的数据交换。SPI为全双工通信。PROFINET IO设备将基于PROFINET IO控制器产生的输出数据传送到控制单元，同时将控制单元返回数据传送到PROFINET IO控制器。

3.3 SPI通信协议

PROFINET IO与变频器控制单元通过SPI通信方式实现数据交换。一方面ERTEC200P提供SPI外设，开发方便；另一方面，兼容控制器原有接口，根据不同应用场合，可以实现外部通讯模块无缝替换。

SPI通信协议根据传输类型分为两类，一种是周期性传输的通信数据帧，一种是非周期传输的通信参数帧，SPI通信协议如图5所示。

图5 SPI通信协议Fig.5 SPI communication protocol

3.3.1 通信数据帧

命令字为0x01，表示当前传输为数据帧。

模块ID说明当前通讯模块类型，SPI协议设计兼容原有通讯模块，如PROFIBUS DP，对于底层设备而言，可实现无缝替换。

状态字指示PROFINET IO设备与PROFINET IO控制器的通讯连接状态。连接关系建立后，从通讯断开状态切换到通讯连接状态。根据数据有效性，在通讯连接状态，当数据传输内容不符时，切换到通讯报警状态。

根据模块属性计算数据区长度，根据过程数据填充数据区内容。通信数据帧为周期性传输，当PROFINET IO数据更新后，立即发起和控制单元的数据交换。控制器回复的数据帧格式与发送格式一致，除了模块ID对应为设备ID，表明当前连接的底层设备信息。

3.3.2 通信参数帧

命令字为0x02，表示当前传输为参数帧。

参数帧为非周期数据帧，当PROFINET IO设备初始化，或设备参数信息发生变化时发起传输。

参数帧的数据传输内容固定，包含6个B的MAC地址和6个B的IP地址，因此无需额外说明数据区长度。

控制器解析到有效数据后，通过外部接口显示PROFINET设备信息，方便观测与配置。

4 PROFINET通信测试

通过PROFINET IO控制器到底层设备之间的通信测试，验证PROFINET IO接口开发功能。测试环境硬件结构图如图6所示。

图6 测试环境结构图Fig.6 Diagram of test environment

测试环境由PLC S7-1500（PROFINET IO控制器）、PROFINETIO接口设备（ERTEC200P）、TCU1控制板、具备端口镜像功能的交换机以及安装TIA Portal V13软件和wireshark软件的PC机组成。

首先，将PROFINET IO控制器（PLC S7-1500）经交换机连接ERTEC200P与TCU1控制单元。然后将交换机右侧两个端口配置为镜像端口，其中一个端口连接到PC机，以便通过wireshark软件抓取PROFINET通信报文，分析网络数据包。

通过博图软件配置设备组态信息，将PLC S7-1500的IP地址设置为192.168.0.1，PROFINET IO设备的IP地址设置为192.168.0.2，设备通讯模块Slot1Subslot1选择64 B输入，输入地址IW0-63；Slot2Subslot1选择64 B输出，输出地址QW0-63；如图7所示。

设置TCU1控制单元，将PLC-1500下发数据回传。通过博图软件在线观测，比较输出数据（强制参数值表）与输入数据（观测参数值表）二者对应关系，如图8所示。

图7 设备组态图Fig.7 Diagram of device configuration

图8 输入数据与输出数据Fig.8 Diagram of input data and output data

图8中，将输出参数值QW8～QW14依次强制为0x5566，0x7788，0x99AA，0xBBCC。输入参数值与下方的输出参数值是一致的，说明PLC到TCU1控制器之间数据交互正常，PROFINET IO设备的协议转换功能实现。

通过wireshark软件抓取PROFINET通信报文，如图9所示。

分析抓取数据包，前6个字节0x28，0x63，0x36，0x8b，0xc5，0x66为目的MAC地址，是西门子PLC的MAC地址。接下来的6个字节0x80，0x20，0xcb，0x30，0x06，0xfc为目的MAC地址，是PROFINET IO设备的MAC地址。表明当前数据传输方向为从PROFINET IO设备到PLC。接下来的两个字节0x88，0x92表明当前数据帧为PROFINET 协议帧。中间的 0x55，0x66，0x77，0x88，0x99，0xaa，0xbb，0xcc对应输入数据。同样，说明RPFOIENT IO设备转换功能正常。

图9 数据包分析Fig.9 Packet analysis

5 结论

本文从开发的角度介绍了一种基于ERTEC200P的PROFINET IO接口的快速实现方案，包括硬件设计、软件实现与通信测试。本通讯模块及其配套应用产品TAC1系列变频器已委托中国PROFIBUS & PROFINET协会（PI-China）进行检测并顺利通过认证测试，充分验证了方案设计的合理性。通过该设计方案将TACI变频器产品快速集成到PROFINET网络，满足了现场应用的需求，具有很强的实际意义。