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1 引言
工业以太网技术不断提高的性能和迅速降低的成本，工业以太网成为当前的技术热点。EtherCAT(ethernet for control automation technology)是技术德国beckhoFF(倍福)公司提出的实时工业以太网技术，它基于标准的以太网技术，具有灵活的网络拓扑结构，支持星形、线性、树形等几乎所有的网络拓扑结构[1]。EtherCAT系统配置简单，具有高速、高有效数据率等特点，其有效数据利用率达到90%以上，全双工特性得以完全利用[2]。2005年2月，EtherCAT通过96% iec会员投票表决，正式成为iec规范——iec/pas62407，国际标准组织(iso)已将EtherCAT纳入iso15745标准。EtherCAT技术引起了自动化技术领域的广泛关注，并于2003年成立了EtherCAT技术组织，简称etg，到目前为止，etg组织成员已超过1500个[3]。
2 EtherCAT技术介绍
2.1 EtherCAT的组成和工作原理
EtherCAT采用主从式结构，主站可以用一般pc机，利用beckhoFF公司开发的twincat(the windows control and automation technology)组态软件来实现。控制周期从主站发出，主站发送下行电报，电报最大有效数据长度可达1498字节。数据帧遍历所有从站设备，每个设备在数据帧经过时分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文中指定位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器(wkc)加1，表示该数据被处理。整个过程只有几纳秒时间延迟[4]。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧做为上行电报直接发送给主站。主站收到此上行电报后，处理返回数据，一次通信结束。系统结构原理如图1所示。
图1 EtherCAT的工作原理
借助于从站中的ethercat专用芯片et1100和主站中读取网卡数据的dma技术，整个协议处理过程都在硬件中进行，使ethercat的网络性能达到了一个新的高度。ethercat系统可以在30毫秒内刷新1000个io结点，可以在300毫秒内交换一帧多达1486个字节的协议数据，这几乎相当于12000个数字量输入或输出。
2.2 ethercat的协议
ethercat以标准以太网技术为基础，在mac(媒体访问层)加了一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期的数据帧的传输。ethercat采用标准的ieee802-3以太网帧，以太网帧的结构如图2所示，各个部分的含义如表1所示。
图2 ethercat帧结构
表1 以太网帧结构含义
ethercat在标准以太网帧结构中使用了一个特的以太网帧类型0x88a4，采用这种方式可以使控制数据直写入以太网帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在一网络中并行。一个ethercat帧中可以包含若干个ethercat报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内
存域，由fmmu(fieldbus memory management unit)寄存器和(syncmanager)寄存器定义，该区域最大可达4gb字节。ethercat报文由一个16位的wkc(working count)结束，其数据最大长度可达1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决主站对从站的寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因可以对ethercat从站进行任意的编址。
3 ethercat从站硬件设计
3.1 ethercat从站的结构
本文设计的ethercat从站节点硬件包括从站协议控制器、cpu和网络接口等部分组成。ethercat从站中最关键部分ethercat协议控制器，它实现ethercat的物理层与数据链路层议。现在市场上有多种ethercat协议控制器可供使用，本文选用beckhoFF(倍福)公司的esc(ethercat slave controller)et1100来作为ethercat协议控制器，使用英飞凌的16位mcu xc164作为从站结点的cpu。整个从站硬件结构如图3所示。
图3 ethercat从站硬件结构图
如图3所示，xc164和et1100之间可以采用spi总线或者微控制器方式交换数据，e2rom用于存储et1100的配置数据，在从站上电时由主站根据e2rom存储的数据配置et1100。以太网口0和1分别用于接收主站的上行电报和发送下行电报。
3.2 从站控制器et1100的结构
et1100是一款功能强大ethercat从站控制器，具有丰富的接口资源，其内部功能结构如图4所示[5]。
图4 从站控制器et1100的内部结构功能图
其中重要的功能模块如表2所示。
表2 et1100功能模块的介绍
3.3 从站控制器et1100的接口
物理层接口：et1100可提供4个物理层接口，支持mii接口和ebus接口两种类型，接口数目和类型的选者可以通过et1100的外围配置引脚p_mode[1:0]和p_conf[3:0]用上拉电阻或下拉电阻的方式进行配置，无需软件编程，简单实用。其中p_mode[1:0]引脚决定接口的数目，p_conf[3:0]引脚决定端口的类型。其配置方式如表3、表4所示。
表3 et1100物理层端口数目配置
表4 et1100物理层接口类型的配置
mii接口以工业以太网网线作为传输介质，可以与pc机直接相连，传输距离远，可有效传输100m，但需要网卡芯片和网络变压器进行电平转换，电路复杂，成本较高，一般用在较远的场合。而ebus为低电压差分信号lvds电平，有效传输距离只有10m，但是结构简单，适合作为背板总线使用。本论文采用双mii接口，网卡芯片采用芯片ks8721bl，其接口信号和连接如图5所示。
图5 et1100 mii接口连接图
3.4 过程数据接口pdi
过程数据接口(pdi)是实现从站控制器和应用之间的接口。et1100的pdi接口有如下几种：数字量i/o 接口，微控制器接口，spi接口。pdi接口
的选择与配置是在esi(从站信息) eeprom中的配置区中进行的。et1100的pdi接口提供一个eeprom_loaded的信号，表明该eeprom是成功加载并且过程数据接口可以使用了，只有在esi eeprom的配置信息成功加载完，pdi引脚才被激活，在此之前所有pdi引脚都无效。本论文采用16位单片机xc164作为应用层cpu，故pdi接口选者异步16位微控制器接口，异步微控制器接口采用分接地址和数据总线，双向数据总线为16位宽，其接口电路图如图6所示。
图6 et1100和xc164的连接图
3.5 eeprom接口
et1100具有一个i2c总线的eeprom接口，最大支持4mb的存储空间，通过引脚run/eepromsize配置，在系统上电时，若run/eeprom size为低电平则最大支持16kb存储空间，若为高电平，则最大支持4mb。本文选用的eeprom芯片为24lc16a_so8，所以将引脚run/eeprom size配置为低电平，eeprom与et1100的连接如图7所示。
图7 et00和eeprom的连接图
4 ethercat从站软件设计
主从站之间交换的数据主要分两种形式：一种是周期性数据；另一种是非周期性数据。周期性数据传输可以采用缓冲区方式。缓冲区为在内存中分配的一段空间，两端都可以访问缓冲区中的数据；非周期性数据采用邮箱方式传输，此时一端写入数据到内存，且只有此段内存写满后另一端才能开始从内存中读取数据，并且只能当内存中的数据全部读出时，才能重新写入数据。缓冲区和邮箱由sync-manage寄存器(0x800-0x820)来定义。针对这两种数据通信方式，从站程序可以对非周期性数据通信采用查询方式，对周期性通信采用中断方式，程序流程图如图8、图9所示。
图8 中断方式流程图
图9 查询方式流程图
5 结束语
本文利用倍福公司的esc et1100，提出了一种设计ethercat工业以太网总线从站结点的方法，介绍了一种新的现场总线技术ethercat。本从站方案可以单独作为从站使用，也可以利用嵌入式技术融入嵌入式系统之中。通过使用ethercat技术，可以大大提高系统总线的性能。
作者简介
胡世江(1984-) 男 硕士研究生，研究方向为人工智能。
参考文献
[1] 刘艳强,王健,单春荣. 基于ethercat的多轴运动控制器研究. 制造技术与机床,2008(6):44-52.
[2] 向乾亮,辛志远. 实时以太网ethercat技术在电力系统中的应用. 继电器,2008,36(11):35-47.
[3] 刘艳强,单春荣. 工业以太网现场总线ethercat及驱动程序设计. 制造技术与机床,2007,29(11):22-29.
[4] 德国倍福公司. 实时以太网:i/o层超高速以太网[j]. 工业以太网与现场总线.
[5] ethercat技术组. ethercat-以太网现场总线
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EtherCAT，ET1100开发>>> Key:[EtherCAT开发] 