孫書(shū)仁，張承瑞，胡天亮

(山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院； b.高效與潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061)

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一種高效的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)*

孫書(shū)仁a,b，張承瑞a,b，胡天亮a,b

(山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院； b.高效與潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061)

為解決控制系統(tǒng)中多軸同步控制時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜和布線麻煩的問(wèn)題，提出了一種基于EtherMAC的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，將開(kāi)放性更好的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherMAC與專用性更好的RTEX總線結(jié)合起來(lái)，給出了EtherMAC總線的運(yùn)行機(jī)制和特點(diǎn)、RTEX總線的優(yōu)勢(shì)、網(wǎng)關(guān)的軟硬件結(jié)構(gòu)及EtherMAC與RTEX結(jié)合的關(guān)鍵的時(shí)序部分的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了將RTEX網(wǎng)絡(luò)嵌入到EtherMAC總線中，并能對(duì)其進(jìn)行靈活的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)可以滿足工業(yè)控制中應(yīng)用的需要。

EtherMAC；RTEX；工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)

0 引言

近年來(lái)，在世界各國(guó)研發(fā)機(jī)構(gòu)的共同推動(dòng)下，工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)將逐漸體現(xiàn)[1]，但是眾廠家之間的總線技術(shù)互不兼容[2]，給系統(tǒng)集成應(yīng)用帶來(lái)許多不便，如安川和松下這樣的公司都有自己的總線系統(tǒng)，并配有總線型的驅(qū)動(dòng)器，在技術(shù)上形成了一種壟斷。本文針對(duì)這種情況給出了一種基于開(kāi)放式的數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的方法，將EtherMAC總線與松下RTEX總線相結(jié)合，充分利用了EtherMAC無(wú)需硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)、通用的特點(diǎn)和RTEX網(wǎng)絡(luò)連接總線型伺服驅(qū)動(dòng)器，布線方便，性能優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出了基于EtherMAC的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并將其應(yīng)用在伺服電機(jī)的控制上，取得了理想的效果。

1 實(shí)現(xiàn)EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)的意義

1.1 開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線平臺(tái)EtherMAC簡(jiǎn)介

開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線平臺(tái)EtherMAC采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡和網(wǎng)線級(jí)聯(lián)而成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其上位機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)，無(wú)需硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)10-BaseT的交叉網(wǎng)線與EtherMAC子節(jié)點(diǎn)依次向下級(jí)聯(lián)，100M bit/s的通訊速率為大量數(shù)據(jù)的傳輸提供了可靠的帶寬保證[3]。

圖1 EtherMAC總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的總線式控制系統(tǒng)中，大部分都是依靠上位機(jī)來(lái)保證通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性，這種機(jī)制依靠硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或者專用網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和專用網(wǎng)卡都降低了系統(tǒng)的開(kāi)放性，采用專用硬件更增加了系統(tǒng)的成本[4]。針對(duì)以上問(wèn)題，EtherMAC通過(guò)采用分布時(shí)鐘補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)間的同步，作為主節(jié)點(diǎn)的上位機(jī)在枚舉后將總線控制權(quán)交給節(jié)點(diǎn)號(hào)為0的子節(jié)點(diǎn)，由子節(jié)點(diǎn)0來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)周期定時(shí)和子節(jié)點(diǎn)間的同步。

由于總線中的同步控制是由子節(jié)點(diǎn)0來(lái)完成的，這樣就大大降低了主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性要求，主節(jié)點(diǎn)在收到包含從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)包之后，只要能在下一個(gè)周期的同步信號(hào)到來(lái)之前將周期通訊包發(fā)出即可。從節(jié)點(diǎn)中對(duì)數(shù)據(jù)包的分析和轉(zhuǎn)發(fā)都是通過(guò)硬件描述語(yǔ)言Verilog對(duì)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以整個(gè)系統(tǒng)具有高速高實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。EtherMAC總線采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆植紩r(shí)鐘的機(jī)制，節(jié)點(diǎn)同步抖動(dòng)可以控制在±100ns以內(nèi)。通過(guò)以上設(shè)計(jì)可以滿足多個(gè)節(jié)點(diǎn)同步的要求[5]。

1.2 松下RTEX網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

RTEX(Realtime Express)是日本松下公司為實(shí)現(xiàn)伺服所要求的高度實(shí)時(shí)性而獨(dú)自開(kāi)發(fā)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已兼容松下A4N和A5N總線型伺服驅(qū)動(dòng)器，具有高性能和低成本、簡(jiǎn)潔和高信賴性等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 RTEX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RTEX采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主站將指令下發(fā)給從站，從站從數(shù)據(jù)幀中獲取自己的數(shù)據(jù)，同時(shí)將自己的狀態(tài)數(shù)據(jù)填入到數(shù)據(jù)幀中，再將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)從站，這樣最后返回到主站的數(shù)據(jù)幀就包含了網(wǎng)絡(luò)中所有從站的狀態(tài)信息[7]。

RTEX是以100BASE-T為基礎(chǔ)的獨(dú)立實(shí)時(shí)通信[8]，可以實(shí)現(xiàn)100Mbps全雙工通信，最多可以連接32個(gè)從站。RTEX通訊協(xié)議不對(duì)外開(kāi)放，松下公司提供芯片MNM1221作為RTEX網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)接口。傳統(tǒng)的主站將MNM1221嵌入到專用的實(shí)時(shí)網(wǎng)卡中或用專用PLC控制從站的動(dòng)作，從站可以直接連接松下的總線型驅(qū)動(dòng)器或者其它的可以連接在RTEX網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

1.3 實(shí)現(xiàn)EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)的意義

RTEX網(wǎng)絡(luò)本身就是為了實(shí)現(xiàn)伺服所要求的高度實(shí)時(shí)性而開(kāi)發(fā)的，其最小的通信周期可以達(dá)到0.083ms，松下公司配備有適合于RTEX的A5N總線型伺服，相對(duì)于傳統(tǒng)的用脈沖串和模擬量接口加I/O量的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)豐富的信息交互，并且配線簡(jiǎn)單、可靠性高，可以保證各個(gè)軸在在伺服驅(qū)動(dòng)的同一時(shí)刻執(zhí)行控制指令[9]。另外A5N型伺服可以通過(guò)RTEX總線實(shí)現(xiàn)四種控制方式，還能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和實(shí)時(shí)修改伺服的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)等功能，這在機(jī)器人控制和其它一些智能控制方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖3 RTEX嵌入到EtherMAC示意圖

傳統(tǒng)的RTEX主站將接口芯片嵌入在專用的控制器中，開(kāi)放性差，增加了系統(tǒng)成本。RTEX的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)最多只能連接32個(gè)從站，而且除了A5N型伺服外，其它可以連接在總線中的從站類型有限。

相對(duì)于RTEX的上述缺點(diǎn)，EtherMAC主控制器不需要硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和專用網(wǎng)卡同樣可以保證網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性。EtherMAC最多可以連接254個(gè)從節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)類型有運(yùn)動(dòng)控制模塊、I/O輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊和編碼器模塊、變頻器控制模塊等諸多類型的從節(jié)點(diǎn)，幾乎涵蓋了自動(dòng)控制領(lǐng)域的所有的控制方式，為使用帶來(lái)了便利。

在網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用方面，可以在不用改變?nèi)魏斡布那闆r下，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃控制模式、周期位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式之間的任意切換，相對(duì)于脈沖串和方向的控制模式，應(yīng)用起來(lái)更加靈活。網(wǎng)關(guān)在EtherMAC網(wǎng)絡(luò)中只是一個(gè)單獨(dú)的從節(jié)點(diǎn)，EtherMAC最多可以連接254個(gè)從節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)最多可以控制32個(gè)電機(jī)，這樣通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)若干伺服電機(jī)的控制。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的一幀數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、在線參數(shù)修改、速度和扭矩信息采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展了EtherMAC總線的功能，提高了總線的控制效率，在大規(guī)模的生產(chǎn)線、紡織和包裝機(jī)械等行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。

如上所述，如果將RTEX的接口芯片MNM1221嵌入到EtherMAC的一個(gè)從節(jié)點(diǎn)中作為RTEX的主站，可以提高EtherMAC總線的運(yùn)行效率，將RTEX對(duì)伺服控制的優(yōu)勢(shì)與EtherMAC采用標(biāo)準(zhǔn)硬件和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，更適合于將其應(yīng)用到自動(dòng)化控制系統(tǒng)中去。

2 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)方案

EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)的硬件架構(gòu)如圖4所示，左側(cè)的兩個(gè)RJ45接口為EtherMAC總線級(jí)聯(lián)而用，右側(cè)的兩個(gè)RJ45接口供RTEX網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)形回路，EtherMAC的分布式時(shí)鐘可以為RTEX提供同步時(shí)鐘用于RTEX網(wǎng)絡(luò)的同步。這樣EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)就可以作為EtherMAC的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，如圖3所示將RTEX網(wǎng)絡(luò)嵌入到了EtherMAC總線中去。其中EtherMAC IP核和MNM1221控制模塊是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)同步時(shí)鐘和NiosII處理器來(lái)協(xié)調(diào)兩者的工作。其實(shí)物如圖5所示。

圖4 EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖

圖5 EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

2.2 EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)方案

如圖6所示。作為EtherMAC子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)在開(kāi)始通訊后，通過(guò)枚舉過(guò)程獲得自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)并建立分布式時(shí)鐘。枚舉成功后，主節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始對(duì)網(wǎng)關(guān)與主節(jié)點(diǎn)的通訊周期和分布式時(shí)鐘的偏移等參數(shù)進(jìn)行配置，在EtherMAC總線配置完成后開(kāi)始對(duì)RTEX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，在此過(guò)程中可以獲得RTEX網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，可以通過(guò)EtherMAC發(fā)送給上位機(jī)。在對(duì)RTEX配置完成后，就進(jìn)入了周期通訊，EtherMAC主節(jié)點(diǎn)會(huì)在每個(gè)周期發(fā)送周期通訊的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)在解析后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到RTEX網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)等待下一個(gè)周期通訊數(shù)據(jù)的到來(lái)。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

周期通訊開(kāi)始后，EtherMAC將主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的屬于本節(jié)點(diǎn)的控制數(shù)據(jù)存放在Control_RAM中，當(dāng)從新的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中獲取到信息后，NiosII處理器會(huì)從Control_RAM中將收到的信息讀取出來(lái)，按照相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行解析后再通過(guò)MNM1221模塊發(fā)送到RTEX網(wǎng)絡(luò)中，如圖7所示。同時(shí)NiosII將從RTEX獲得的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息存入AppState_RAM中，EtherMAC IP核會(huì)將這部分?jǐn)?shù)據(jù)組成標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理。在此期間EtherMAC子節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)鐘Syn_Clk會(huì)協(xié)調(diào)各模塊的工作，防止產(chǎn)生沖突。

圖7 網(wǎng)關(guān)軟件運(yùn)行示意圖

網(wǎng)關(guān)通過(guò)EtherMAC 提供同步時(shí)鐘Syn_Clk來(lái)同步RTEX網(wǎng)絡(luò)。在EtherMAC總線配置的時(shí)候?qū)⒖偩€的通訊周期設(shè)置為1ms，則子節(jié)點(diǎn)每隔1ms會(huì)準(zhǔn)確地產(chǎn)生一個(gè)Syn_Clk時(shí)鐘。在Syn_Clk之后100μs，子節(jié)點(diǎn)會(huì)將狀態(tài)數(shù)據(jù)組成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機(jī)。如圖8所示在UpdateClk的上升沿，網(wǎng)關(guān)會(huì)將應(yīng)該執(zhí)行的命令寫(xiě)入到MNM1221中，在XTXTIM的下降沿MNM1221會(huì)將命令發(fā)送給RTEX中的子節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)在處理完EtherMAC子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之后，最晚會(huì)在500μs后發(fā)送下一個(gè)周期的數(shù)據(jù)指令，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)包之后對(duì)其進(jìn)行解析，解析出來(lái)的控制數(shù)據(jù)在下一個(gè)周期中通過(guò)CommandUpdate()函數(shù)發(fā)送給RTEX網(wǎng)絡(luò)。這樣，通過(guò)EtherMAC的同步時(shí)鐘，就實(shí)現(xiàn)了EtherMAC和RTEX互不沖突地協(xié)調(diào)工作。

圖8 網(wǎng)關(guān)工作時(shí)序圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)能否正常運(yùn)行，在Windows XP下基于EtherMAC.dll開(kāi)發(fā)了網(wǎng)關(guān)的測(cè)試程序，測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和程序界面如圖9所示。將半徑為100000個(gè)單位的圓周均分成36000個(gè)點(diǎn)作為指令值發(fā)送給X軸和Y軸的電機(jī)。在RTEX通訊周期和指令更新周期都為1ms的情況下，在無(wú)負(fù)載的情況下，測(cè)得了X軸和Y軸電機(jī)的36000組反饋數(shù)據(jù)，圖10為指令值和反饋位置值軌跡圖，由圖可以看出兩者幾乎完全重合，經(jīng)計(jì)算實(shí)際位置距離圓心的最大距離為100004.88單位，最小距離為99995.35單位，最大誤差為0.00488%，可滿足一般的位置控制功能的要求。

圖9 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和程序界面

圖10 指令值和反饋位置值軌跡圖

目前正將網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在噴漆自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，噴漆自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)共需要控制24個(gè)伺服電機(jī)和187個(gè)IO點(diǎn)的輸入輸出，在EtherMAC總線中只需要一個(gè)EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中所有的伺服電機(jī)的控制，提高了總線的效率，使系統(tǒng)的布線更加靈活和方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所開(kāi)發(fā)的EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān)結(jié)合了兩種工業(yè)控制總線的優(yōu)勢(shì)。借助于EtherMAC總線，使用者可以靈活地配置和控制RTEX總線中的伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)EtherMAC總線還可以掛接運(yùn)動(dòng)控制之外的各種模塊。這樣組成的系統(tǒng)開(kāi)放性好，應(yīng)用靈活，可以通過(guò)“一網(wǎng)到底”的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工業(yè)設(shè)備的控制，符合未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的發(fā)展方向[10]，對(duì)工業(yè)控制總線的開(kāi)發(fā)也具有一定的借鑒意義。

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(編輯 李秀敏)

The Design of an Efficient Real-time Industrial Ethernet Gateway

SUN Shu-rena，b,ZHANG Cheng-ruia，b,HU Tian-lianga，b

( a． School of Mechanical Engineering; b． Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacturing ，Shandong University，Jinan 250061，China)

Generally, the multi-axis system is complex and its routing is cumbersome. To solve the above difficulties, this paper presents a method of building a real-time industrial Ethernet gateway and combines the open real-time Ethernet EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control) with the special RTEX(Realtime Express). The features of EtherMAC and the advantages of the RTEX are given. The software and hardware of the gateway and the time sequence between EtherMAC and RTEX are designed. The design embeds RTEX in EtherMAC and it can be used in flexible applications. The actual verification proves that the design can meet the industrial control requirements.

EtherMAC; RTEX; the real-time industrial Ethernet; gateway

1001-2265(2014)01-0090-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.025

2013-05-24；

2013-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075241)

孫書(shū)仁(1988—)，男，山東平度人，山東大學(xué)碩士研究生，主要從事現(xiàn)場(chǎng)總線的研究，(E-mail)sdussr@163.com。

TH165；TG65

A