孫士超，王偉東，杜志江

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT從站的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫士超，王偉東，杜志江

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

本文介紹了EtherCAT的工作原理、通信協(xié)議和基于專用芯片ET1100的從站硬件設(shè)計(jì)。憑借dsPICDEM 1.1 Plus Development Board開發(fā)平臺(tái)和TwinCAT軟件，驗(yàn)證了EtherCAT主從站之間的I/O開關(guān)量的通信，并通過(guò)SOEM軟件和Linux平臺(tái)，驗(yàn)證了EtherCAT從站接口卡的實(shí)時(shí)性能。

EtherCAT；ET1100；實(shí)時(shí)性

引 言

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)很重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線具有性價(jià)比高、傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大、可接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端等優(yōu)點(diǎn)。目前,主要的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有如下幾種：Profinet、TC-net、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus-RTPS、SERCOS III，以及我國(guó)自主研制的EPA等。

EtherCAT技術(shù)是由德國(guó)Beckhoff自動(dòng)化公司提出的，該技術(shù)以其優(yōu)越的性能獲得越來(lái)越多的關(guān)注。2003年底成立的ETG(Ethernet Technology Group)組織負(fù)責(zé)EtherCAT技術(shù)的維護(hù)和推廣。該組織已經(jīng)擁有逾千個(gè)成員，很多成員已經(jīng)推出相關(guān)產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)主要來(lái)自國(guó)外，如以色列Elmo公司已推出基于EtherCAT的Elmo伺服直流驅(qū)動(dòng)器(Elmo Golden)；而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域還處于起步階段，只有少數(shù)公司有所涉及，如上海新華集團(tuán)公司開發(fā)了一套基于EtherCAT 技術(shù)的 DCS 控制系統(tǒng)等。對(duì)此，本文對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的硬件和軟件部分進(jìn)行開發(fā)，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所開發(fā)的EtherCAT從站具有較高實(shí)時(shí)性，滿足工業(yè)控制需求。

綜上所述,農(nóng)村留守老人對(duì)健康教育、健康知識(shí)的需求量是巨大的,在我國(guó)留守老人的農(nóng)村居多,但對(duì)農(nóng)村老人的健康問(wèn)題的研究相對(duì)較少。本文認(rèn)為有必要加強(qiáng)農(nóng)村留守老人健康問(wèn)題的研究。找出影響老年人健康的主要因素,改善農(nóng)村留守老人的健康狀況。

1 EtherCAT技術(shù)介紹

1.1 EtherCAT組成及運(yùn)行原理

EtherCAT使用全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，傳輸介質(zhì)通常使用100BASE-TX規(guī)范的5類UTP雙絞線纜；從站由專用控制芯片或者FPGA IP核構(gòu)成，TI公司已推出帶有EtherCAT功能的微控制器M335X。

2.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1 EtherCAT運(yùn)行原理

EtherCAT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出，它采用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，幀類型為0x88A4。數(shù)據(jù)包由EtherCAT頭和EtherCAT數(shù)據(jù)組成，而若干個(gè)子報(bào)文又組成了數(shù)據(jù)區(qū)。子報(bào)文又由子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域及工作計(jì)數(shù)器組成。子報(bào)文頭決定該子報(bào)文應(yīng)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的從站，以及該從站對(duì)子報(bào)文進(jìn)行讀或者寫操作。在主從站通信的過(guò)程中，16位的工作計(jì)數(shù)器(WKC)的值顯得尤為重要。主站發(fā)起周期控制的時(shí)候，預(yù)先給定WKC一個(gè)值，當(dāng)數(shù)據(jù)幀遍歷完整個(gè)設(shè)備的時(shí)候，通過(guò)對(duì)比返回的WKC值，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)文是否被EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)正確處理。

1.2 EtherCAT協(xié)議

圖2 EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2 EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)

EtherCAT的運(yùn)行原理如圖1所示，圖中j為從站個(gè)數(shù)，j=1，2，…，i，…，n。主站發(fā)出下行電報(bào)，數(shù)據(jù)幀遍訪所有從站，在數(shù)據(jù)幀到達(dá)每個(gè)從站時(shí)，從站解析出本機(jī)報(bào)文，并對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)從站，從站再進(jìn)行類似的處理，直至傳輸完整個(gè)回路。最后一個(gè)從站發(fā)回經(jīng)過(guò)完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由緊挨著主站的從站作為響應(yīng)，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站，完成一個(gè)周期的數(shù)據(jù)處理。

從站控制芯片ET1100的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口又稱為過(guò)程數(shù)據(jù)接口，簡(jiǎn)稱為PDI。PDI是微處理器與ET1100進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，是底層接口電路，為上層復(fù)雜的應(yīng)用協(xié)議提供硬件基礎(chǔ)。ET1100的PDI接口可分為SPI接口、微處理器接口和數(shù)字量I/O接口，這三種接口的實(shí)現(xiàn)通過(guò)PDI控制寄存器0x140取不同的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。而ET1100中控制寄存器的值是上電時(shí)自動(dòng)加載EEPROM中用戶配置的數(shù)據(jù)，并且ET1100提供一專用引腳來(lái)表征此配置信息是否被正確加載。當(dāng)此引腳信號(hào)為高電平時(shí)，表示配置信息被正確加載，此時(shí)端口才會(huì)被激活。本設(shè)計(jì)中三種接口方式皆可以使用，但是SPI接口具有接線少、使用方便、傳輸速度快等優(yōu)勢(shì)，因而后續(xù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中使用SPI接口與測(cè)試開發(fā)板進(jìn)行連接。

非周期性數(shù)據(jù)通信與周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信是EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主從站之間數(shù)據(jù)交換的兩種形式。周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信采用現(xiàn)場(chǎng)總線邏輯單元進(jìn)行尋址，緩沖區(qū)可以被主從節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)；非周期性數(shù)據(jù)通信采用郵箱方式進(jìn)行，郵箱數(shù)據(jù)通信使用兩個(gè)存儲(chǔ)同步管理通道，通常主站到從站通信使用SM0，從站到主站通信使用SM1，它們可被配置成一個(gè)緩沖區(qū)方式，使用握手來(lái)避免數(shù)據(jù)溢出，只有把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫滿后，另一端才能讀取，并且只有當(dāng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部讀出時(shí)，一端才能重新寫入數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，從站程序采用的是非周期性數(shù)據(jù)通信，并且采用的是查詢方式，程序流程圖如圖6所示。

圖3 EtherCAT從站硬件的整體框圖

2.2 物理通信端口

ET1100是一個(gè)功能強(qiáng)大的從站控制器，可以提供4個(gè)物理通信端口，實(shí)現(xiàn)各種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且每個(gè)端口皆可配置為MII或EBUS兩種類型。通信端口類型配置無(wú)需軟件編程，可直接通過(guò)對(duì)ET1100的外圍引腳P_MODE[1:0]和P_CONFIG[3:0]進(jìn)行上拉或者下拉獲得。其中，P_CONFIG[3:0]決定通信接口的類型，P_MODE[1:0]決定通信接口的數(shù)目。ET1100使用MII接口時(shí)，需要外接以太網(wǎng)物理層芯片，并且為了降低處理/轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，ET1100的MII接口省略了發(fā)送FIFO，最遠(yuǎn)傳輸距離為100 m；EtherCAT協(xié)議自定義了一種物理層傳輸方式EBUS，EBUS傳輸介質(zhì)使用低壓差分信號(hào)LVDS，最遠(yuǎn)傳輸距離為10 m。

本設(shè)計(jì)中，物理通信端口使用的是端口0與端口1，且使用能傳輸100 m的MII類型，則有如下配置信息：P_MODE[0:1]下拉決定端口0與端口1被使能用,而 P_CONFIG[0：1]上拉表示端口0與端口1使用MII類型。本文物理芯片選用的是KSZ8721，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 ET1100 MII接口連接圖

2.3 過(guò)程數(shù)據(jù)接口

印尼是海外華人聚集最多的國(guó)家之一，2007年“印尼華僑華人約1000萬(wàn)”[2]。按此人口數(shù)量估算，印尼華人華僑占總?cè)丝诘?%-4%，已成為東南亞華人華僑最多的國(guó)家。自結(jié)束殖民統(tǒng)治至今，印尼的建國(guó)理念影響了印尼華人的民族共同語(yǔ)言——華語(yǔ)地位的演變。因此，我們有必要重新認(rèn)識(shí)華語(yǔ)在印尼的法律地位，探討印尼華語(yǔ)法律地位的變化對(duì)華語(yǔ)教學(xué)的影響。

2.構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣表示的是同一級(jí)指標(biāo)兩兩相比的重要性程度。設(shè)目標(biāo)層為A，準(zhǔn)則層為C，把準(zhǔn)則層C的所有因素相互之間進(jìn)行對(duì)比，構(gòu)建準(zhǔn)則層C關(guān)于目標(biāo)層A的兩兩對(duì)比的判斷矩陣表，如表1。

本文設(shè)計(jì)的從站硬件電路由物理通信接口、從站控制器及其外圍設(shè)備和電源模塊等部分組成。從站控制器ET1100與物理通信端口的連接部分是EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，此部分是實(shí)現(xiàn)主站與從站以及從站與微控制器數(shù)據(jù)通信中不可或缺的。為了拓展本設(shè)計(jì)從站接口卡對(duì)微處理器的通用性，PDI接口部分引腳引出，可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字量I/O接口、SPI接口及并行微處理器通信接口的連接。

從標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI指數(shù))的Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布圖(圖5)中看出，其周期變化與相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(M指數(shù))基本是一致的。

隨著國(guó)家寬帶提速、三網(wǎng)融合和4G戰(zhàn)略的實(shí)施，四川乃至西部信息通信工程建設(shè)項(xiàng)目不斷增加，眾多的移動(dòng)通信用戶對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提出了高的要求，通信企業(yè)需要大量從事傳輸和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試優(yōu)化的人才。

綜合以上信息，本文詳細(xì)介紹了從站硬件整體框圖、ET1100的物理通信端口、PDI接口以及外圍芯片具體選型與使用，最終設(shè)計(jì)的具體電路的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 EtherCAT硬件接口卡實(shí)物圖

3 EtherCAT從站軟件設(shè)計(jì)

以設(shè)計(jì)的基于從站控制器ET1100的EtherCAT從站接口卡和Microchip公司的dsPICDEM 1.1 Plus Development Board開發(fā)板構(gòu)成從站設(shè)備，PC機(jī)憑借德國(guó)倍福公司開發(fā)的TwinCAT軟件作為主站設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先，打開TwinCAT軟件中的System Manager功能，找到I/O Device，單擊鼠標(biāo)右鍵掃描設(shè)備，找到BOX設(shè)備，燒寫XML配置文件到ET1100中，完成特定功能的配置，按照功能要求對(duì)從站接口板與開發(fā)板進(jìn)行正確的連線。在TwinCAT軟件以及開發(fā)板中編寫測(cè)試程序，通過(guò)觀察開發(fā)板上LED的明亮以及TwinCAT軟件中的圖示，來(lái)驗(yàn)證EtherCAT中主從站之間的通信是否成功。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖10所示。

2.1 在13 452例正常聽力孕前/產(chǎn)前婦女，檢出至少含有1個(gè)位點(diǎn)突變的攜帶者451例，總體檢出率3.35%。在耳聾突變基因攜帶者中，以GJB2基因的235delC和SLC26A4基因IVS7-2A>G雜合突變?yōu)橹?，分別為205例和132例；線粒體突變27例(詳見表1)。

ET1100的軟件設(shè)計(jì)就是把配置好的與硬件相符的XML文件燒寫到EEPROM中，最終實(shí)現(xiàn)主從站之間的通信。微處理器dsPIC30F6014A的軟件設(shè)計(jì)通過(guò)操作ET1100實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，其任務(wù)主要完成dsPIC30F6014A硬件的初始化、ET1100的初始化以及過(guò)程數(shù)據(jù)的處理等。

本文后續(xù)的驗(yàn)證試驗(yàn)中，為了測(cè)試與接線的方便，使用SPI接口與微處理器進(jìn)行通信。從站接口卡的整體硬件電路如圖3 所示。EEPROM采用的是24LC16B，存儲(chǔ)ET1100的配置信息；電源模塊采用的是體積小、價(jià)格便宜的SP6205EM，固定輸出3.3 V電壓；物理芯片選擇的是KSZ8721；RJ45選擇的是集成了變壓器接頭的HanRun HR911105A。

圖6 從站程序總體流程圖

4 測(cè)驗(yàn)測(cè)試及分析4.1 I/O開關(guān)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

EtherCAT從站的軟件設(shè)計(jì)主要包括微處理器的軟件設(shè)計(jì)和ET1100的軟件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，由于嵌入式主站的設(shè)計(jì)工作很復(fù)雜，所以本測(cè)試的主站由PC機(jī)擔(dān)任，PC機(jī)通過(guò)倍福公司的TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)主站功能，主要負(fù)責(zé)所有從站設(shè)備的工作狀態(tài)以及管理主從站之間的數(shù)據(jù)通信。

圖7 TwinCAT軟件中賦值高電平圖

圖8 從站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)LED點(diǎn)亮

圖9 從站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按下按鍵輸出低電平

圖10 TwinCAT軟件電平突變

由圖7、圖8可知：主站TwinCAT軟件中，寫入開關(guān)量1(即高電平)，從站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中LED被點(diǎn)亮，驗(yàn)證了主站到從站數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由圖9與圖10分析可得：對(duì)從站平臺(tái)按下按鍵，輸出低電平，上位機(jī)主站得到了從高電平到低電平的突變，從而從站到主站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性得到驗(yàn)證。綜上所述，主從站之間實(shí)現(xiàn)了雙工通信，并且驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的從站接口卡的可行性。

4.2 EtherCAT從站的實(shí)時(shí)性能測(cè)試

以SOURCEFORGE上開源的SOEM(Simple Open EtherCAT Master)軟件，基于嵌入式操作系統(tǒng)Linux的應(yīng)用環(huán)境，以及本設(shè)計(jì)中的從站接口卡作為測(cè)試平臺(tái)，對(duì)EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試分析。在不同從站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)下，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括主站控制周期平均值、環(huán)運(yùn)行時(shí)間。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計(jì)的從站接口卡達(dá)到了預(yù)定要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 EtherCAT從站實(shí)時(shí)性能測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：ns

分析表中數(shù)據(jù)可以得出：在不同從站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)下，周期是不變的(約為0.5 ms)，這是由主站來(lái)控制的；環(huán)運(yùn)行時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而成倍增加，每增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，環(huán)運(yùn)行時(shí)間增加1 μs,也就是報(bào)文經(jīng)過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)延時(shí)時(shí)間約為500 ns，可以看出從站的實(shí)時(shí)性很好。

結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)EtherCAT應(yīng)用較廣，但在國(guó)內(nèi)起步較晚的現(xiàn)狀，本文詳細(xì)闡述了EtherCAT的組成、工作原理以及EtherCAT協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上，利用從站控制芯片ET1100設(shè)計(jì)了一種EtherCAT從站卡。此從站接口卡采用MII類型的物理通信接口與同步串行總線SPI進(jìn)行通信，傳輸介質(zhì)使用100BASE-TX規(guī)范UTP雙絞線纜，可以實(shí)現(xiàn)100 m內(nèi)的可靠傳輸，而且SPI通信方式具有接線少等優(yōu)點(diǎn)。

二是情感激發(fā)無(wú)力。學(xué)生覺得愛迪生的故事比較遙遠(yuǎn)，不易產(chǎn)生共鳴。這也反映出教師選擇“故事”的一個(gè)視角—“宏大敘事”，即較多關(guān)注英雄人物、道德楷模的典型事例，缺少學(xué)生自己的故事的參與。教師在講述愛迪生故事后生硬地歸納出“堅(jiān)持到底就是勝利”的主題，缺乏對(duì)事實(shí)邏輯的深刻分析，更缺少對(duì)學(xué)生心理的關(guān)注。

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Hardware System Design of Real-time Ethernet EtherCAT Slave Station

Sun Shichao, Wang Weidong, Du Zhijiang

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080，China)

This paper introduces the working principle and communication protocols of EtherCAT, and the hardware design of the slave station based on ET1100. Rely on the development platform of dsPICDEM 1.1 Plus Development Board and TwinCAT software, the communication of I/O switching values between the master station and slave station of EtherCAT is verified.Meanwhile,the real-time performance of EtherCAT slave station's interface card is verified through SOEM software and Linux platform.

EtherCAT; ET1100; real-time

TP391

A

2014-02-21)