基于Windows 套接字的Ethercat 主站協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柳 青

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院， 北京 100176）

0 引言

Ethercat 作為一種開放式高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動控制、自動化等領(lǐng)域。在當(dāng)前Ethercat 主站的研究中為了追求實(shí)時(shí)性能和高精度時(shí)鐘同步， 對系統(tǒng)的軟件或硬件都提出了特殊要求。 蔣杰等通過改造Linux 內(nèi)核在X86 平臺上實(shí)現(xiàn)了Ethercat 主站[1]，孫躍祥等在Xilinx Zynq-7000 處理器構(gòu)建了嵌入式Ethercat 主站[2]。

然而在物料傳輸、 工件檢測等對實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)中，如果采用上述方案則存在系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，開發(fā)周期長等問題。 因此提出了這一種在Windows 平臺上采用網(wǎng)絡(luò)套接字來實(shí)現(xiàn)Ethercat 主站協(xié)議棧的方法。 該方法基于Ethercat 規(guī)范中Ethercat UDP/IP 報(bào)文格式，將Ethercat 報(bào)文嵌入udp 數(shù)據(jù)包的方式，不需要專用硬件或者特殊網(wǎng)卡驅(qū)動，協(xié)議棧配置靈活，可移植性好。

1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

Ethercat 主站的主要功能是對從站的配置、 數(shù)據(jù)交換、為應(yīng)用程序提供編程接口，因此該將協(xié)議棧設(shè)計(jì)為三個線程模塊和一個數(shù)據(jù)模塊。 三個工作線程分別負(fù)責(zé)應(yīng)用程序接口、Ethercat 報(bào)文生成、解析與收發(fā)、配置服務(wù)通信。 每個線程都可以訪問數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)，線程之間通過數(shù)據(jù)模塊交互信息，協(xié)議棧架構(gòu)見圖1。

圖1 Ethercat 主站協(xié)議?？蚣?/p>

數(shù)據(jù)模塊包含了每個從站的信息，包括：基本信息，如從站位置、生產(chǎn)廠商、版本號等；配置信息，主站對從站初始化時(shí)，需要對其SM 和FMMU 進(jìn) 行 配置，否則在從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)會出錯，另外在使用PDO 通信時(shí)，也必須對從站1C12、1C13 等對象進(jìn)行配置[3]，以映射報(bào)文中的數(shù)據(jù)到從站的字典對象中。 從站結(jié)構(gòu)體代碼如下所示：

2 Ethercat 報(bào)文解析

Ethercat 協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3 以太網(wǎng)幀傳輸數(shù)據(jù)，作為一種開放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，支持UDP/IP 傳輸協(xié)議[3]，在這種模式下，將Ethercat 報(bào)文作為UDP 的數(shù)據(jù)，Ethercat 從站控制器就可以識別并處理數(shù)據(jù)包。 為了能夠區(qū)分Ethercat 報(bào)文和其他報(bào)文， 協(xié)議規(guī)定了Ethercat 使用的UDP 端口為0x88A4，Ethercat UDP/IP 報(bào)文格式如下：

報(bào)文頭規(guī)定了該報(bào)文的指令類型、 數(shù)據(jù)地址以及數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)部分是報(bào)文攜帶的數(shù)據(jù)信息，對于讀報(bào)文，從站控制器將從站數(shù)據(jù)復(fù)制到該區(qū)域，對于寫報(bào)文，從站控制器將該區(qū)域的數(shù)據(jù)復(fù)制到從站對應(yīng)的內(nèi)存中。 從站控制器會根據(jù)每次報(bào)文的執(zhí)行結(jié)果更新該字段， 主站通過檢查該字段來判斷報(bào)文指令是否執(zhí)行成功。Ethercat 報(bào)文生成函數(shù)如下：

3 配置與服務(wù)線程

Ethercat 主站在初始化階段需要掃描網(wǎng)絡(luò)，并對各個從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置[5]，另外應(yīng)用程序?qū)缑娣?wù)數(shù)據(jù)的讀寫需要SDO 通信， 這些任務(wù)都需要通過幾個階段來完成，會消耗比較多的時(shí)間， 為了避免執(zhí)行這些任務(wù)導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞，將這些任務(wù)在一個單獨(dú)的線程中執(zhí)行，應(yīng)用程序可以很快得到返回。

該線程不斷查詢數(shù)據(jù)模塊中的控制字， 輪詢應(yīng)用程序請求類型，收到請求則會調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，在處理函數(shù)中，不斷改變處理狀態(tài)，以使應(yīng)用層可以掌握處理進(jìn)度及結(jié)果。 處理完成后，將請求字段復(fù)位，以便接受下一次請求。 配置流程如下：

（1）采用FBWR 指令掃描總線網(wǎng)絡(luò)，讀取設(shè)備ID 等。

（2）配置SM 寄存器。

（3）計(jì)算FMMU，并配置FMMU 寄存器。

（4）配置SDO、PDO。

（5）狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

4 通信實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證協(xié)議棧的正確性， 采用德國倍福公司的Ethercat 從站模塊進(jìn)EL2889、EL1889 進(jìn)行通信測試，實(shí)驗(yàn)實(shí)物見圖2。 采用Wireshark 軟件抓取通信數(shù)據(jù)包，抓取的數(shù)據(jù)包見圖3。

圖2 Ethercat 通信實(shí)驗(yàn)平臺

圖3 Wireshark 抓包數(shù)據(jù)

在圖3 中，以第497 個數(shù)據(jù)包為例，主站計(jì)算的IP地址為192.168.0.100， 目 的IP 設(shè)置為192.168.0.255，目的端口號設(shè)置為0X88A4， 十進(jìn)制表示為33980，該數(shù)據(jù)包為協(xié)議棧發(fā)出的APWR 指令，數(shù)據(jù)長度為2，WKC 為0。 第498 個數(shù)據(jù)包為從站返回的應(yīng)答包， 可以看出數(shù)據(jù)部分發(fā)生變化，WKC 也變?yōu)?， 說明Ethercat 從站已經(jīng)成功處理該數(shù)據(jù)包，協(xié)議棧可以和從站正常進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)論

闡述了基于Windows 套接字的Ethercat 主站協(xié)議棧設(shè)計(jì)方法，根據(jù)Ethercat UDP/IP 規(guī)范，將Ethercat 報(bào)文嵌入到udp 報(bào)文中， 避免了使用專門硬件或者開發(fā)特殊網(wǎng)卡驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了主站對從站的寄存器讀寫，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了主站對從站的配置流程，最后通過Wireshark 軟件抓取通信數(shù)據(jù)包，實(shí)驗(yàn)表明：協(xié)議棧能夠與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)簡單、配置靈活，有利于Ethercat 協(xié)議在通用Windows平臺上的應(yīng)用。