基于STM32的EtherCAT轉(zhuǎn)UDP通信轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的高性能、低成本的實時通信技術(shù)，它可以實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)的高速、低延遲、同步和確定性的通信。EtherCAT在工業(yè)自動化領(lǐng)域有著廣泛的應用，如機器人、數(shù)控機床、汽車制造等。然而，EtherCAT與工控機端的通信網(wǎng)絡(luò)一般采用TCP/IP協(xié)議，由于其非實時性通信方式，不能直接與EtherCAT從站交換數(shù)據(jù)，需先進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。通信轉(zhuǎn)換需要借用硬件介質(zhì)來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)EtherCAT與工控機端的TCP/IP協(xié)議的互通，本文設(shè)計了一種基于STM32單片機的通信轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用FPGA開發(fā)的高速、低延遲、同步和確定性的TCP/IP通信模塊，實現(xiàn)了EtherCAT與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本文介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，驗證了系統(tǒng)的通信性能和效率。

關(guān)鍵詞：STM32F103；EtherCAT；FPGA；UDP；通信轉(zhuǎn)換

以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)EtherCAT在工業(yè)自動化領(lǐng)域應用廣泛。在工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT中，從站之間的通信采用分布式時鐘同步機制，保證了通信的高速、低延遲、同步和確定性。然而，EtherCAT與工控機端的通信網(wǎng)絡(luò)一般采用TCP/IP協(xié)議，由于其需要建立連接和確認數(shù)據(jù)的傳輸，無法與EtherCAT直接進行數(shù)據(jù)交互，導致了通信的非實時性，因此，需借用硬件介質(zhì)進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。伺服電機、步進電機和輸入/輸出口的控制過程非常復雜，任何一個控制環(huán)節(jié)出錯都會造成控制系統(tǒng)運行不穩(wěn)。

在實際產(chǎn)品開發(fā)中，考慮成本因素無法直接在控制系統(tǒng)中運行實時分析軟件，而是要將相應數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)絇C機上，通過PC機上的數(shù)據(jù)采集、分析軟件中查找、定位問題根源。為了實現(xiàn)EtherCAT與工控機端的TCP/IP協(xié)議的互通，本文提出了一種基于UDP協(xié)議的通信轉(zhuǎn)換方案，利用UDP協(xié)議的無連接和高帶寬特點，提高通信的效率和速度，同時利用FPGA開發(fā)的高性能TCP/IP通信模塊，保證通信的實時性和可靠性。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的控制部分包括STM32F103、FPGA。STM32F103程序負責控制LAN9252和FPGA的通信，以及配置88E1111 PHY芯片的寄存器。FPGA程序負責實現(xiàn)可變靜態(tài)存儲控制器通信模塊、UDP通信模塊和88E1111 PHY芯片配置模塊。可變靜態(tài)存儲控制器通信模塊用于與STM32F103進行數(shù)據(jù)交換，UDP通信模塊用于封裝和解析UDP數(shù)據(jù)包，88E1111 PHY芯片配置模塊用于設(shè)置PHY芯片的工作模式和速率。整體硬件架構(gòu)如圖1所示。

LAN9252和STM32F103的接口電路如圖2所示。

FPGA選用EP4CE10，是一種低成本、高性能的可編程邏輯器件，可以實現(xiàn)復雜的通信協(xié)議和算法。FPGA與STM32F103通過可變靜態(tài)存儲控制器總線進行數(shù)據(jù)交換。

88E1111支持10/100/1000Mbps的自適應速率，具有低功耗、高集成度、高穩(wěn)定性的特點。88E1111與FPGA通過GMII總線進行數(shù)據(jù)傳輸，88E1111與工控機端的網(wǎng)卡通過RJ45接口進行數(shù)據(jù)通信。STM32F103、FPGA與88E1111連接圖如圖3所示。

電源采用5 V供電，需要轉(zhuǎn)換成3.3V、2.5V及1.2V。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一） STM32F103單片機程序

STM32F103是系統(tǒng)的控制核心，用于系統(tǒng)初始化，F(xiàn)PGA、LAN9252模塊之間的通信。

為了實現(xiàn)從站微控制單元的EtherCAT通信功能，本文使用SSC工具生成協(xié)議棧代碼，配置協(xié)議棧、物理層之間的接口，如可變靜態(tài)存儲控制器并行總線配置和輸入/輸出中斷入口配置。協(xié)議棧包含EtherCAT從站通訊模塊輸出信號，需將模塊的中斷處理函數(shù)與STM32F103引腳綁定，引腳中斷功能關(guān)鍵代碼如下。

# define? ? INIT _ESC_INT? ? ?EXTIO _ Configtiration （ ）

# define? ? Ecatlsr? ? ? ? ? EXTIO _ IRQHandler ；

SYNCO? ?對應中斷功能配置及映射

#define? ? INIT_SYNC0_TEXTI3 _ Configoation （ ） ；

#define? ? Syllc0Isr? ? ? ? EXTI3_IRQHandler；

SYNC1? ? 對應中斷功能配置及映射

#define? ?INIT_SYNC1 _INT? ? EXTI1_ Configuration （ ）；

#define? ? Sync1lsr? ? EXTl1_ IRQHandler；

為確保引腳快速準確地響應通信模塊信號，需要在配置函數(shù)中激活引腳的中斷功能，并將其映射到外部中斷0，設(shè)置中斷優(yōu)先級為最高。再配置可變靜態(tài)存儲控制器并行總線，選擇異步多路PS隨機存取存儲器/NOR作為輸出通信方式。生成新XML文件之后，需在協(xié)議棧代碼里，修改數(shù)據(jù)定義、讀取模塊，使其與XML生成的數(shù)據(jù)量一致。在協(xié)議棧的數(shù)據(jù)定義頭文件里，修改結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)量大小及初始值。生成的協(xié)議棧的代碼

如下。

typedef struct OBJ_STRUCT_PACKED_ START {

UINT16? ?ul6SulbIndexo；/ * * < ＼ brief Sublndex 0* /

UINT32? ?aEntries [ 32 ];? / * * < ＼ brief Entry? buffer * ／

} OBJ_STRUCT_PACKED _END

TOBJ1601；

typedef struct OBJ_STRUCT _PACKED _ START {

UINT16? ?ul6SubIndex0; ／ * * < ＼ brief SubIndex 0* /

UINT32? ?aEntries [4]； / * * < ＼ brief Entry buffer * /

} OBJ_STRUCT_PACKED_END

TOBJ 1A00；

在中斷入口函數(shù)中修改數(shù)據(jù)操作，確保數(shù)據(jù)格式與XML文件保持一致，以免EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信不能實現(xiàn)初始化。

（二） FPGA程序開發(fā)

FPGA主要功能模塊包含：可變靜態(tài)存儲控制器通信、UDP收接、UDP發(fā)送、PHY配置、以太網(wǎng)MAC，F(xiàn)PGA功能模塊如圖4所示。

可變靜態(tài)存儲控制器通信模塊可以讀寫單片機的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送和接收UDP數(shù)據(jù)。讀寫單片機的數(shù)據(jù)時，需要進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和緩存；發(fā)送和接收UDP數(shù)據(jù)時，需要解析UDP協(xié)議和添加協(xié)議頭尾?？勺冹o態(tài)存儲控制器通信模塊使用隨機存取存儲器作為緩存器，單片機接收到一定量的數(shù)據(jù)后，UDP發(fā)送模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。88E1111是PHY芯片，通過FPGA實現(xiàn)標識具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。基于ALTERA芯片，可以使用QuartusII提供的TSE IP核。TSE IP核包含數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、配置和RGMII四個接口，配置接口用于設(shè)置88E1111的寄存器和連接方式。UDP協(xié)議是一種簡單的面向消息的傳輸層協(xié)議，不保證消息的可靠傳遞，也不維護消息的狀態(tài)，其優(yōu)點是簡單、快速、靈活，適用于實時性要求高的應用場景，如流媒體、語音、視頻等。UDP協(xié)議使用16位端口號來區(qū)分不同的應用程序，并提供校驗和來驗證數(shù)據(jù)的完整性，并且還包含一個偽首部，用于計算校驗和實時檢查IP地址是否正確。

三、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試裝置如圖6所示。

調(diào)試的基本步驟如下：

1.應用程序離線調(diào)試

在開發(fā)環(huán)境中使用模擬器或仿真器對STM32F103程序和FPGA程序進行編譯、下載和運行，檢查是否有語法錯誤或邏輯錯誤。使用斷點、單步執(zhí)行、變量監(jiān)視等功能觀察程序運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)流向，驗證程序功能是否符合設(shè)計要求。

2.控制系統(tǒng)硬件檢查

在目標平臺上連接STM32F103單片機、LAN9252芯片、FPGA芯片和88E1111 PHY芯片等硬件設(shè)備，檢查電源電壓、信號線連接、接口匹配等是否正常。使用示波器或邏輯分析儀等工具觀察各個總線或接口上的信號波形是否正確。

3.應用程序在線調(diào)試

在目標平臺上使用JTAG或SWD等接口對STM32F103單片機進行在線調(diào)試，使用USB Blaster或JTAG等接口對FPGA芯片進行在線調(diào)試，使用網(wǎng)線或無線網(wǎng)卡與工控機端進行通信。使用調(diào)試工具或打印日志等方式檢查程序運行情況和通信效果，排除可能存在的錯誤或異常。

4.現(xiàn)場調(diào)試

在實際應用場景中對系統(tǒng)進行測試，模擬各種正?；虍惓５妮斎胼敵鰲l件，觀察系統(tǒng)的響應和輸出結(jié)果，評估系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)和配置，解決可能出現(xiàn)的問題或故障。

在完成系統(tǒng)調(diào)試后，對調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)和解決的問題進行總結(jié)和歸納，記錄調(diào)試過程中使用的工具和方法，撰寫調(diào)試報告和文檔，為后續(xù)的維護和改進提供參考。

四、結(jié)束語

綜上所述，設(shè)置EtherCAT從站的通信周期為1ms，輸入/輸出分別為64字節(jié)、16字節(jié)，在數(shù)據(jù)中添加遞增序列號，通過一段時間的測試觀察序列號的變化，EtherCAT從站與UDP通信沒有丟包或通信中斷現(xiàn)象，具有較高的通信可靠性。

作者單位：殷偉 浙江寧廣有視網(wǎng)絡(luò)工程有限公司

參? 考? 文? 獻

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