基于EtherCAT協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)研究

王 磊， 李木國(guó)， 王 靜， 王曉亮

(1.大連理工大學(xué)電信學(xué)院，遼寧大連116024；2.河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作454000；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

0 引 言

目前，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有十余種，其中有6種典型的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線在市場(chǎng)上相互競(jìng)爭(zhēng)，這包括：Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus/IDA和EPA。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究[1-2]，并設(shè)計(jì)開發(fā)了不同應(yīng)用背景下的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[3-6]。但是，其中Ethernet/IP和Modbus/IDA是在TCP/IP協(xié)議應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換[7]，這種方式只能應(yīng)用于100ms以上的應(yīng)用場(chǎng)合；EthernetPowerLink、Profinet和EPA是通過在數(shù)據(jù)鏈路層上采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)調(diào)度方案來保證實(shí)時(shí)性[7]，但只能保證最低5-10ms的實(shí)時(shí)通信[8]；而EtherCAT采用的是集總幀的調(diào)度方式，在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層都做了相應(yīng)的可以實(shí)現(xiàn)微妙級(jí)的高實(shí)時(shí)性通信[9]。

因EtherCAT協(xié)議獨(dú)特的特性，它能夠使以太網(wǎng)延伸至現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信控制，特別適合大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性的I/O通信應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)提出的基于EtherCAT協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析了在主從式結(jié)構(gòu)下主站和從站的具體實(shí)現(xiàn)，針對(duì)海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)量的浪高監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件及硬件，從而利用該平臺(tái)對(duì)EtherCAT協(xié)議的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、分析。

1 EtherCAT協(xié)議特點(diǎn)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 EtherCAT總線特性

EtherCAT協(xié)議采用與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)共享幀的方式工作。Ether-CAT總線數(shù)據(jù)幀填充到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)段部分，通過類型標(biāo)識(shí)符域的十六進(jìn)制數(shù)88A4與其他以太網(wǎng)幀類型相區(qū)別。這種特性使得它很容易實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的兼容。此外，Ether-CAT協(xié)議規(guī)定上位主機(jī)(主站)與監(jiān)控分站一起構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)，如圖1所示。

圖1 EtherCAT協(xié)議工作原理

攜帶從站地址的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀從主站出發(fā)，逐個(gè)訪問環(huán)路上的從站。由于從站接口芯片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，從站接口芯片就會(huì)把從主站輸出數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分取下來，或把輸入主站的數(shù)據(jù)插入到以太網(wǎng)幀的相應(yīng)數(shù)據(jù)域位置，然后再把整個(gè)以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)從站，直到最后一個(gè)從站，數(shù)據(jù)幀才返回主站處理。在此過程中無需像其它工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議那樣對(duì)數(shù)據(jù)幀編碼/解碼，使得數(shù)據(jù)處理時(shí)間大大縮短，每個(gè)從站數(shù)據(jù)處理延遲僅為十幾納秒。此外，由于EtherCAT協(xié)議支持將連接到網(wǎng)絡(luò)上的所有從站存儲(chǔ)區(qū)統(tǒng)一分配一個(gè)唯一的邏輯地址，每個(gè)從站通過接口芯片特殊的現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)管理單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)邏輯地址到本地存儲(chǔ)器物理地址的映射，因此可以根據(jù)監(jiān)控的需要對(duì)每個(gè)EtherCAT的數(shù)據(jù)幀做合理的規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)在一次數(shù)據(jù)幀回還過程中對(duì)多個(gè)從站，多通道數(shù)據(jù)的讀取。

1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，本系統(tǒng)硬件主要包括：EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口電路、核心處理器單片機(jī)電路外圍數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)A/D轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)放大濾波等處理電路、多路開關(guān)和浪高儀傳感器；軟件則為數(shù)據(jù)采集和通信程序。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了10個(gè)從站，從距離上位計(jì)算機(jī)最近的從站開始編號(hào)，每個(gè)從站連接32個(gè)浪高儀，實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道的浪高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，所有浪高儀編號(hào)為1#～320#，從而使得主站程序能夠單獨(dú)監(jiān)測(cè)任意1個(gè)通道數(shù)據(jù)或任意幾個(gè)通道組合的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 單個(gè)從站的硬件構(gòu)成

單個(gè)從站硬件原理框圖如圖3所示，在本系統(tǒng)中采用的核心單片機(jī)控制芯片為PIC24HJ256GP610，它的指令執(zhí)行速度能夠達(dá)到40Mbps，內(nèi)部具有兩個(gè)SPI通信模塊，使用模塊1與網(wǎng)絡(luò)接口芯片ET1100通信，用模塊2與速度為3MSPS的A/D轉(zhuǎn)換器通信。此外用通用接口 RB0～RB3作為第一級(jí)多路開關(guān)1、2的通道選擇信號(hào)，RF0～RF1分別作為開關(guān)2、1的片選信號(hào)；用RD0～RD1作第二級(jí)多路開關(guān)3的通道選擇信號(hào)，RD3為芯片使能信號(hào)。

圖3 單個(gè)從站硬件原理框架

2.2 從站網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)

如圖4所示，接口芯片主要包括：一個(gè)容量為8K的雙口RAM存儲(chǔ)器，前4K地址分配給寄存器，剩余的4K空間用于郵箱和周期性過程數(shù)據(jù)通信；16個(gè)同步管理器單元，用于對(duì)雙口RAM存儲(chǔ)區(qū)根據(jù)需要進(jìn)行分配，同步管理器0和同步管理器1分別用于郵箱輸出和輸入存儲(chǔ)器分配管理，同步管理器2和同步管理器3分別用于過程數(shù)據(jù)輸出和輸入存儲(chǔ)區(qū)分配管理；16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器管理單元，用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器物理地址到邏輯地址的映射。

圖4 從站接口芯片結(jié)構(gòu)框架

2.3 從站數(shù)據(jù)字典

為了在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出數(shù)據(jù)讀寫操作，設(shè)備行規(guī)定義了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)讀寫標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)規(guī)范了用于通信的數(shù)據(jù)類型、地址對(duì)應(yīng)關(guān)系形成了以XML文件形式表示的數(shù)據(jù)字典。在數(shù)據(jù)字典中每個(gè)PDO(過程數(shù)據(jù)對(duì)象，實(shí)時(shí)的周期性數(shù)據(jù))有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主索引和多個(gè)子索引，輸入主站的 PDO主索引為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)：0x1600，0x1601，…，0x16FF，共可達(dá)256索引值；輸出主站的PDO主索引為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)：0x1A00，0x1A01，…，0x1AFF，也為 256 個(gè)索引值。每個(gè)PDO數(shù)據(jù)以實(shí)體的方式進(jìn)行讀取，每個(gè)實(shí)體分配了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的索引值。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)字典對(duì)象分配如表1所示，每個(gè)監(jiān)測(cè)量為1個(gè)16位的整數(shù)值，對(duì)應(yīng)一輸入對(duì)象索引值，如表1所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)象字典的定義，通過同步管理器管理從站接口的物理存儲(chǔ)器，每個(gè)同步管理器管理接口芯片一段連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)，該存儲(chǔ)區(qū)可以存放多個(gè)PDO。

2.4 主站數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行上位機(jī)應(yīng)用程序，選擇需要監(jiān)測(cè)的通道，主站通信程序獲得需要讀取的通道號(hào)，根據(jù)XML文件規(guī)定組裝數(shù)據(jù)幀，等待數(shù)據(jù)發(fā)送。主站應(yīng)用程序?yàn)榱耸雇ㄐ拍軌虬踩?、可靠的進(jìn)行，主站在如圖5所示狀態(tài)機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖5 EtherCAT狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)依次在不同的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間完成不同的任務(wù)：在初始化狀態(tài)及向預(yù)操作轉(zhuǎn)換(IP)期間，主站程序配置數(shù)據(jù)鏈路層信息寄存器、地址寄存器并且設(shè)置應(yīng)用層控制寄存器，配置用于郵箱通信的同步管理器通道，初始化分布時(shí)鐘寄存器，之后等待從站應(yīng)用層確認(rèn)；在預(yù)操作狀態(tài)及預(yù)操作向安全操作轉(zhuǎn)換(PS)期間，實(shí)現(xiàn)郵箱通信，主站配置用于過程通信的同步管理器寄存器、現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器管理單元寄存器、應(yīng)用層狀態(tài)請(qǐng)求寄存器，同時(shí)請(qǐng)求狀態(tài)轉(zhuǎn)化，等待狀態(tài)確認(rèn)；在安全操作狀態(tài)及安全操作向操作轉(zhuǎn)換(SO)期間，繼續(xù)郵箱通信，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)通信，發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求并等待狀態(tài)確認(rèn)；在操作狀態(tài)期間，實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的通信操作。在安全操作期間主站發(fā)送讀通道請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給從站要讀取的通道編號(hào)值，從站響應(yīng)主站要求，打開相關(guān)的多路開關(guān)采集需要讀取相關(guān)編號(hào)的傳感器采集的浪高數(shù)值。接下來，主站發(fā)出與以上類似的接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，讀輸入數(shù)據(jù)的數(shù)值。因此，主站通過發(fā)送兩次數(shù)據(jù)幀就能實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量傳感器數(shù)據(jù)一次性采集，最大限度的保證采集的速度。

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

為了對(duì)比分析系統(tǒng)的性能，考慮兩種典型情況即：主站加1個(gè)從站和主站加多個(gè)從站，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能分別進(jìn)行了測(cè)試。

表1 數(shù)據(jù)字典索引

首先，將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的幅值為1V，頻率為10Hz的信號(hào)接到3個(gè)從站的前兩個(gè)通道即：第1個(gè)從站的1，2號(hào)通道，第2個(gè)從站33，64號(hào)通道，第3個(gè)從站65，96號(hào)通道，在主站測(cè)得的信號(hào)波形如圖6所示，可以看出主站獲得的波形比較平滑。

圖6 3個(gè)從站的前兩個(gè)通道采集的信號(hào)波形

接下來采用同樣的信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)連接1個(gè)從站、2個(gè)從站和3個(gè)從站情況下的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出響應(yīng)時(shí)間主要分布在250 s左右，另外，從站數(shù)量的增加對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間幾乎沒有影響。

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，對(duì)包含3個(gè)從站系統(tǒng)做了10組測(cè)試，給出1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平均響應(yīng)時(shí)間如圖8所示，從圖中可以看出采集的10組數(shù)據(jù)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間最小值為256.4 s，而最大值為258.8 s，波動(dòng)差值僅為2.4 s，這在大多數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中基本上可以忽略不計(jì)。

圖8 10組數(shù)據(jù)點(diǎn)平均響應(yīng)時(shí)間

4 結(jié)束語

EtherCAT協(xié)議因其采用特殊的硬件結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的協(xié)議規(guī)范尤其適用于大容量高實(shí)時(shí)性的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。本文通過構(gòu)建海洋浪高數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)單個(gè)從站和多個(gè)從站的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)性能在協(xié)議規(guī)定帶載范圍內(nèi)，不受采集通道數(shù)影響，響應(yīng)時(shí)間不但達(dá)到微秒數(shù)量級(jí)，而且波動(dòng)非常小，適用于大多數(shù)有高實(shí)時(shí)性要求的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控場(chǎng)合。同時(shí)，由于EtherCAT協(xié)議采用獨(dú)特的數(shù)據(jù)幀調(diào)度形式，一次能夠傳輸高達(dá)1498個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)也適用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎/O應(yīng)用中。此外，由于采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，通過修正數(shù)據(jù)字典和主站程序即可實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)的擴(kuò)展，從而可以通過簡(jiǎn)單的改進(jìn)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控場(chǎng)合。

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