一種EtherCAT從站的硬件設(shè)計(jì)

陳志軍，韓利峰，黃 麗

（中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

0 引言

EtherCAT是由德國BECKHOFF公司開發(fā)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。它具有延時(shí)低、響應(yīng)快和可靠性高的特點(diǎn)，由主站和從站組成。主站可以采用嵌入式控制器或電腦來實(shí)現(xiàn)，需配備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器，從站采用專用的從站協(xié)議控制器來實(shí)現(xiàn)[1]。

EtherCAT的主要特點(diǎn)如下：

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑嚎梢越M成環(huán)形、星形、線形等任意形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多由65535個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，結(jié)構(gòu)沒有任何限制。

2）結(jié)構(gòu)簡單、成本低：任何帶有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器的單元都可以作為EtherCAT主站，從簡單的I/O節(jié)點(diǎn)到復(fù)雜的設(shè)備都可以作為EtherCAT從站，且不需要配置交換機(jī)。

3）性能卓越：數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到100 Mbit/s，數(shù)據(jù)刷新周期小于100μs，各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)設(shè)備的同步精度小于1μs。

1 EtherCAT從站組成

EtherCAT從站設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和控制應(yīng)用兩部分功能，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3個(gè)核心部分。

1.1 EtherCAT從站物理層

EtherCAT從站物理層接口有MII和EBUS兩種，MII（Media Independent Interface）需要使用以太網(wǎng)PHY芯片，MII接口也是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層接口；EBUS是倍福定義的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是基于LVDS（Low Voltage Differential Signal）的，無需額外的物理層芯片，從而避免了物理層的附加傳輸時(shí)延，但是只適合短距離傳輸。

1.2 EtherCAT從站數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層部分由從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）來 實(shí) 現(xiàn)，ESC可 通 過ET1100、LAN9252、AX58100或FPGA來完成。ESC上的過程數(shù)據(jù)接口PDI（Process Data Interface）可分為32位的數(shù)字量I/O、SPI總線、8/16位的異步/同步微控制器接口，過程數(shù)據(jù)和參數(shù)是通過ESC上的DPRAM來交互的。

1.3 EtherCAT從站應(yīng)用層

應(yīng)用層部分由微處理器MCU（Micro Control Unit）來實(shí)現(xiàn)，MCU可通過DSP或STM來完成。應(yīng)用層部分主要實(shí)現(xiàn)從站設(shè)備的狀態(tài)機(jī)、過程數(shù)據(jù)交互、非周期數(shù)據(jù)交互的郵箱協(xié)議，其性能取決于設(shè)備功能應(yīng)用部分。

2 硬件設(shè)計(jì)

本方案采用AX58100作為EtherCAT從站控制器，STM32F407芯片作為從站微處理器，為此可以將整個(gè)從站系統(tǒng)分為ESC模塊（從站控制器部分）和MCU模塊（微處理器部分）兩大模塊。ESC模塊的功能是實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層的功能，通過硬件機(jī)制完成主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換；MCU模塊的功能是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能，可以采集應(yīng)用設(shè)備的反饋數(shù)據(jù)。

2.1 ESC模塊硬件設(shè)計(jì)

AX58100芯片是亞信ASIX于2018年7月推出的新一代2/3端口EtherCAT從站控制芯片。其集成兩個(gè)支持100Mbps全雙工操作與HP Auto-MDIX功能的快速以太網(wǎng)PHY。AX58100支 持CANopen（CoE），TFTP（FoE），VoE等標(biāo)準(zhǔn)，EtherCAT協(xié)議適用于過程控制、運(yùn)動控制、智能控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)械制造等領(lǐng)域，為各種實(shí)時(shí)工控產(chǎn)品應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。AX58100提供1個(gè)三通道PWM控制器或1個(gè)步進(jìn)控制器，1個(gè)用于閉環(huán)控制的增量/霍爾編碼接口，1個(gè)SPI Master接口用于SPI裝置數(shù)據(jù)采集和輸出，32個(gè)適用于工業(yè)實(shí)時(shí)I/O控制應(yīng)用的數(shù)字控制I/O，以及1個(gè)I/O Watchdog提供監(jiān)測I/O狀態(tài)來做適當(dāng)處置以確保產(chǎn)品功能的安全性。AX58100提供兩種過程數(shù)據(jù)接口（PDI），Local Bus接口和SPI Slave接口，可通過這些接口將AX58100連接到外部傳統(tǒng)MCU以支持EtherCAT功能。AX58100有兩個(gè)內(nèi)存空間，分別對應(yīng)到ESC內(nèi)存和Function緩存器，設(shè)計(jì)人員可以透過芯片選擇腳位來決定存取哪一個(gè)內(nèi)存空間。內(nèi)部網(wǎng)橋會根據(jù)設(shè)定的同步條件來自動同步ESC內(nèi)存與功能緩存器的內(nèi)容，提供EtherCAT Master來 遠(yuǎn) 程 控 制AX58100的 功 能（PWM，SPI Master等）。 AX58100將ESC和應(yīng)用程序中斷事件反應(yīng)在中斷狀態(tài)緩存器，并透過條件或邊緣中斷觸發(fā)模式來通知外部MCU/DSP來管理這些ESC和應(yīng)用程序中斷事件[2]。

圖1中，AX58100的PDI接口采用Local Bus接口，通過該接口使AX58100與MCU通信，此接口模式下，79號引腳SOF/LECSn/SCS_ESC為AX58100從站模式片選，64號 引 腳OE_EXT/LRDn/SCLK為Local Bus讀 信 號，78號引 腳OUTVLD/LWRn/MOSI為Local Bus寫 信 號，68號 引腳IO[22]/LBHE/PWM3H/TXD[3]為高字節(jié)使能，6號引腳LAT_IN/LRDY/MISO為Local Bus就緒輸出，1號引腳WD_TRIG/LINT/SINT為Local Bus中斷輸出，LA[0]～LA[13]為Local Bus的14位地址線，LDA[0]～LDA[15]為Local Bus的16位數(shù)據(jù)線，AX58100的片選、讀寫控制、地址與數(shù)據(jù)均通過FSMC方式與MCU連接[3]。19號引腳LED_RUN用于指示選擇片外EEPROM 容量，該引腳經(jīng)4.7KΩ電阻接控制地，存儲器芯片為AT24C64，因此EEPROM容量為64Kbit；20號引腳LED_ERR用于指示端口模式為2端口或3端口，該引腳經(jīng)4.7KΩ電阻接控制地；21號引腳EEP_DONE用于指示EEPROM的加載狀態(tài)，該引腳經(jīng)4.7KΩ電阻接控制地。AX58100與AT24C64之間使用I2C接口，62號引腳SCL連接AT24C64的6號引腳SCL，作為時(shí)鐘線，63號引腳SDA連接AT24C64的5號引腳SDA，作為數(shù)據(jù)線。AX58100的EEPROM電路如圖2 所示。

AX58100內(nèi)置的兩組高速以太網(wǎng)PHYs分別為P0和P1端口，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的EtherCAT從站的網(wǎng)絡(luò)接口電路如圖3所示。對于P0端口，38號引腳P0_TXOP和37號引腳P0_TXON為差分信號發(fā)送引腳，36號引腳P0_RXIP和35號引腳P0_RXIN為差分信號接收引腳；對于P1端口，24號引腳P1_TXOP和23號引腳P1_TXON為差分信號發(fā)送引腳，26號引腳P1_RXIP和25號引腳P1_RXIN為差分信號接收引腳。HFJ11-2450E-L12RL為網(wǎng)絡(luò)變壓器。

2.2 STM模塊硬件設(shè)計(jì)

基于EtherCAT協(xié)議，采用STM32F407ZET6處理器。STM32F407ZET6處理器是ST公司推出的一款基于Cortex-M4F內(nèi)核的芯片，支持兩種USB（即高速USB_HS和全速USB_FS）、安全數(shù)字輸入/輸出接口（SDIO）、串行外設(shè)接口（SPI）、內(nèi)部集成接口（I2C）、最高達(dá)1MB的嵌入式Flash接口、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（bxCAN）、12位ADC與DAC控制器、192kB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）及靈活靜態(tài)存儲控制器（FSMC）。STM32F407ZET6芯片接口分布如圖4所示。

STM32F407器件系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，Cortex-M4F是一款32位高性能，能夠用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站協(xié)議的嵌入式應(yīng)用的內(nèi)核[4]。

USB供電電源電路如圖6所示。USB 采用四線制，1根為DM，1根為 DP，1根接5V電源。電源兩端設(shè)置0.1μF的電容穩(wěn)定電壓。

I2C與EEPROM芯片連接。I2C采用雙線制，即串行數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL，設(shè)計(jì)如圖7所示。EEPROM芯片有8個(gè)引腳，通過SDA和SCL實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫功能，AO、Al、A2、GND均做接地處理，VCC接3.3V電源。

3 結(jié)束語

結(jié)合AX58100和STM32F407芯片的工作原理，對EtherCAT從站展開硬件電路的設(shè)計(jì)，在采用AX58100作為EtherCAT從站控制器，STM32F407芯片作為從站微處理器的架構(gòu)下,重點(diǎn)設(shè)計(jì)了AX58100的外圍電路，包括EEPROM電路和網(wǎng)絡(luò)接口電路；設(shè)計(jì)了STM32F407的外圍電路，包括USB供電電源電路和EEPROM電路，為EtherCAT從站的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。