一種EtherCAT 主站存取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡鑫明，蔣大海，雷妮，鞏芫芳，寧少楠，馮武彤

（1.西安西電數(shù)字科技有限公司，陜西 西安 710075；2.西安西電電力系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710075；3.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710086）

0 引言

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù)的延伸，該技術(shù)以其兼容性強(qiáng)、成本低、拓?fù)潇`活、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其中EtherCAT 是最好的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)之一[1]。EtherCAT 總線是Beckhoff 于2003 年提出的一種高性能實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)以其極短的循環(huán)時(shí)間、高速、高同步性等優(yōu)勢(shì)，使其在機(jī)器人、機(jī)床等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2-5]。EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)淇梢允蔷€型、星型、樹型、菊花鏈型等，且可任意組合。但EtherCAT 邏輯拓?fù)涫俏ㄒ坏模W(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有幀只能以“邏輯環(huán)網(wǎng)”的方式進(jìn)行傳播，即所有幀均由主站發(fā)送，以確定的順序通過(guò)所有網(wǎng)絡(luò)從站，并完成循環(huán)后返回主站[6]。EtherCAT 幀傳輸過(guò)程如圖1 所示。

圖1 EtherCAT 幀傳輸過(guò)程

目前工業(yè)控制系統(tǒng)中EtherCAT 主站設(shè)備為了檢查實(shí)際所搭建網(wǎng)絡(luò)與設(shè)計(jì)方案是否一致，一種方法是將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即從站的部分關(guān)鍵信息直接添加到主站軟件的代碼中，用于構(gòu)建主站程序的設(shè)計(jì)軟件開發(fā)難度較高，配置過(guò)程中每次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都需要直接對(duì)代碼文件進(jìn)行修改，如發(fā)生錯(cuò)誤不易排查；另一種方法是先將從站型號(hào)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案保存在文件，當(dāng)主站程序運(yùn)行后讀取這些文件內(nèi)容再與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程同樣較為復(fù)雜[7]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文所提出的方法針對(duì)EtherCAT 主站設(shè)備存儲(chǔ)和讀取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)在線檢查對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確認(rèn)。EtherCAT 主站配置軟件支持用戶設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并最終生成主站應(yīng)用程序，如圖2 所示。首先在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)階段生成描述從站型號(hào)信息以及從站選型的配置文件，然后在構(gòu)建過(guò)程中將這些文件嵌入源代碼，每次調(diào)整僅生成新的配置文件，無(wú)需修改協(xié)議棧和相關(guān)功能的源代碼。

圖2 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置過(guò)程

EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個(gè)從站設(shè)備型號(hào)均需提供配套ESI（EtherCAT Slave Information）文件，該文件為XML格式，存儲(chǔ)在主站開發(fā)環(huán)境和從站設(shè)備的E2PROM中[8]。XML 作為一種靈活的半結(jié)構(gòu)化標(biāo)簽語(yǔ)言，在信息表示和數(shù)據(jù)交換方面有先天的優(yōu)勢(shì)[9]。ESI文獻(xiàn)件中包含從站型號(hào)的所有信息，例如制造商ID、型號(hào)ID、設(shè)備名稱等，用來(lái)識(shí)別設(shè)備；還包含通道數(shù)量、類型、映射關(guān)系、寄存器地址等信息，以供主站設(shè)備確定如何驅(qū)動(dòng)從站工作。

EtherCAT 主站運(yùn)行后首先初始化EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)，激活所有接入網(wǎng)絡(luò)的從站設(shè)備；再讀取每個(gè)從站的信息，這些從站信息與對(duì)應(yīng)型號(hào)ESI文獻(xiàn)件內(nèi)容一致；最后將收集到的從站信息與程序內(nèi)存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)不一致則將對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤信息報(bào)出以供運(yùn)維人員排查問(wèn)題。

EtherCAT 主站軟件基于開源協(xié)議棧SOEM（Simple Open Source EtherCAT Master）開發(fā)，EtherCAT主站協(xié)議棧軟件按授權(quán)方式可分為付費(fèi)的商業(yè)軟件和免費(fèi)的開源軟件，其中開源軟件主要是RT-LAB的SOEM 和EtherLab 的IgH。兩款協(xié)議棧進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)SOEM 更簡(jiǎn)單易用，而IgH 復(fù)雜但功能更完整[10-12]。

因SOEM 是基于C 語(yǔ)言開發(fā)，可充分利用C 語(yǔ)言的預(yù)處理指令#include 將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案與代碼分離。如圖3 所示，將C/C++語(yǔ)言代碼構(gòu)建為二進(jìn)制文件的過(guò)程包含預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接4 個(gè)階段。在預(yù)處理階段，預(yù)處理器將可能包含預(yù)處理指令的原始代碼文件作為輸入，執(zhí)行這些指令并將指令刪除，輸出不再包含指令信息的中間文件。其中#include 指令指示打開指定文件，將其內(nèi)容作為當(dāng)前代碼文件的一部分填充到指令所在位置。

圖3 C 語(yǔ)言程序構(gòu)建過(guò)程圖

配置軟件存儲(chǔ)了每個(gè)從站型號(hào)的ESI文獻(xiàn)件，從所有ESI文獻(xiàn)件提取從站信息生成設(shè)備型號(hào)信息列表，再?gòu)脑O(shè)備型號(hào)信息列表提取設(shè)備名稱生成型號(hào)索引列表，用戶創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案結(jié)合型號(hào)索引生成從站選型列表。配置軟件將上述3 個(gè)列表保存為文本文件，如表1 所示。這3 個(gè)文件存入指定目錄，在預(yù)處理階段通過(guò)主站源代碼#include 指令填充到中間文件內(nèi)。這些中間文件再與EtherCAT 協(xié)議棧中間文件一并被處理生成主站應(yīng)用程序。

表1 文獻(xiàn)本文件表

2 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量

為使源代碼與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息分離，在主站存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和在線檢查功能軟件代碼中定義新的數(shù)據(jù)類型如表2 所示，其源代碼如圖4 所示。

表2 數(shù)據(jù)類型表

圖4 數(shù)據(jù)類型源代碼

結(jié)構(gòu)體類型Device_Info 用來(lái)定義設(shè)備型號(hào)信息，內(nèi)部元素包含整數(shù)類型的制造商ID、型號(hào)ID 和字符數(shù)組類型的設(shè)備名稱。

枚舉類型Device_Index 用來(lái)定義設(shè)備索引，第1 個(gè)元素“MASTER”為主站索引并賦值為0，最后1 個(gè)元素“DEV_MODEL_QUANTITY”作為設(shè)備型號(hào)數(shù)量，其他元素為從站索引且通過(guò)預(yù)處理指令#include 聲明相關(guān)內(nèi)容由從站型號(hào)索引文件導(dǎo)入，枚舉類型的元素實(shí)際上是整數(shù)類型，若不明確指定枚舉的數(shù)值，其數(shù)值將是上一個(gè)枚舉值加1 的結(jié)果。

結(jié)構(gòu)體類型DevIndex_Struct 內(nèi)部元素僅有枚舉類型Device_Index，是對(duì)枚舉類型Device_Index 進(jìn)行再次封裝，使代碼符合C 語(yǔ)言語(yǔ)法，以避免一些編譯錯(cuò)誤。

代碼中再利用上述創(chuàng)建的數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建新的變量，如表3 所示，其源代碼如圖5 所示。

表3 變量表

圖5 數(shù)組變量源代碼

數(shù)組EC_Dev_DB 作為存儲(chǔ)設(shè)備型號(hào)信息的變量，其類型為結(jié)構(gòu)體Device_Info。該數(shù)組第一個(gè)元素存儲(chǔ)主站信息，設(shè)備名稱為“MASTER”，廠商ID 和型號(hào)ID 均為0；其他元素存儲(chǔ)從站型號(hào)信息且通過(guò)預(yù)處理指令#include 聲明相關(guān)內(nèi)容由Slave_Model.idb文獻(xiàn)件導(dǎo)入。

數(shù)組EC_Dev_Deploy作為存儲(chǔ)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備型號(hào)的變量，其類型為結(jié)構(gòu)體DevIndex_Struct，該數(shù)組第一個(gè)元素固定為主站的索引“MASTER”，其他元素為各節(jié)點(diǎn)從站對(duì)應(yīng)型號(hào)的索引且通過(guò)預(yù)處理指令#include 聲明相關(guān)內(nèi)容由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息文件導(dǎo)入。

2.2 生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)文件

配置軟件解析ESI文獻(xiàn)件，將型號(hào)關(guān)鍵信息提取出來(lái)添加到內(nèi)存中的設(shè)備型號(hào)列表，設(shè)備名稱中如有空格符，用下劃線替代；再創(chuàng)建Slave_Model.idb 并將列表中所有從站型號(hào)信息逐條以數(shù)組EC_Dev_DB 元素的形式寫入其中。

配置軟件在生成設(shè)備型號(hào)列表后將其中的設(shè)備名稱提取出來(lái)生成型號(hào)索引列表；再創(chuàng)建Slave_Index.idb，并將列表中所有從站型號(hào)索引逐條以枚舉類型Device_Index 元素的形式寫入其中，包含部分型號(hào)的上述文件內(nèi)容如圖6 所示。

圖6 型號(hào)信息與索引文件內(nèi)容

配置軟件將從站型號(hào)分組和排序，通過(guò)操作界面以列表的形式供設(shè)計(jì)人員選擇。因EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涫俏ㄒ坏?，為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)從站型號(hào)，即確定了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，配置軟件即可確定從站數(shù)量和從站選型列表內(nèi)容。配置軟件創(chuàng)建Slave_Deploy.idb并按節(jié)點(diǎn)順序逐條將從站型號(hào)索引以數(shù)組EC_Dev_Deploy 元素的形式寫入其中。

從站型號(hào)信息文件、從站型號(hào)索引文件存儲(chǔ)在配置軟件目錄下，作為公共文件供所有項(xiàng)目使用，僅在添加或刪除從站型號(hào)后更新；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息文件存儲(chǔ)在項(xiàng)目目錄，為該項(xiàng)目專用文件。

2.3 緊湊型方案設(shè)計(jì)

EtherCAT 主站不僅能夠基于高性能處理器實(shí)現(xiàn)，也能基于微控制器實(shí)現(xiàn)[13-16]。上述設(shè)計(jì)適用于資源豐富的MPU 平臺(tái)，將配置軟件支持的所有從站型號(hào)都存入從站型號(hào)信息文件，可縮短構(gòu)建程序的時(shí)間。另外，針對(duì)基于MCU 開發(fā)的主站設(shè)備，為節(jié)約有限的硬件資源尤其是ROM 和RAM，還設(shè)計(jì)了緊湊型方案。

緊湊型方案中，配置軟件在項(xiàng)目目錄下還要生成從站型號(hào)信息集合文件和從站型號(hào)索引文件，文件中僅包含本次方案所選用的從站型號(hào)，而將未選用的型號(hào)排除在外，能夠有效減少應(yīng)用程序?qū)OM 和RAM 資源的需求。用戶在創(chuàng)建項(xiàng)目過(guò)程中，將選擇該項(xiàng)目是否為緊湊型，若不勾選此項(xiàng)配置，則為完整型項(xiàng)目。

2.4 構(gòu)建主站應(yīng)用程序

在完成網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)從站選型并保存項(xiàng)目后，配置軟件調(diào)用編譯工具鏈執(zhí)行構(gòu)建應(yīng)用程序的流程。預(yù)處理器識(shí)別到代碼中#include 指令，將從站型號(hào)信息文件、從站型號(hào)索引文件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息文件內(nèi)容導(dǎo)入代碼，再通過(guò)一系列處理最終獲得可在EtherCAT 主站設(shè)備執(zhí)行的二進(jìn)制應(yīng)用程序。

設(shè)計(jì)和構(gòu)建過(guò)程中所有源代碼文件因不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響而無(wú)需修改；從站型號(hào)信息文件、從站型號(hào)索引文件內(nèi)容都來(lái)源于配置軟件對(duì)ESI 的提?。痪W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息文件由配置軟件基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和索引自動(dòng)生成。上述過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，可以正確高效的運(yùn)行。

3 在線檢查網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EtherCAT 主站收集到從站數(shù)量及每個(gè)從站的信息后，將這些信息與所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，即可判斷實(shí)際部署的網(wǎng)絡(luò)與設(shè)計(jì)方案是否一致，過(guò)程如圖7所示。

圖7 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在線檢查流程圖

在激活所有從站后，主站獲取并在內(nèi)存中存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際部署的所有從站信息，隨即獲得實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)量Num_R，將Num_R 與設(shè)計(jì)方案中的從站總數(shù)量Num_D對(duì)比，若不匹配則輸出數(shù)量錯(cuò)誤提示信息；將從站序號(hào)Sub 設(shè)置為1 開始，逐個(gè)節(jié)點(diǎn)判斷序號(hào)是否超過(guò)設(shè)計(jì)方案和實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)量，再先后提取該節(jié)點(diǎn)實(shí)際從站和設(shè)計(jì)方案中從站的ID 值（含廠商ID 和型號(hào)ID），若ID 不匹配，則報(bào)告型號(hào)錯(cuò)誤。

主站軟件通過(guò)指針尋址訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的特性，實(shí)現(xiàn)高效提取ID 值。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與變量關(guān)系如圖8 所示，利用數(shù)組EC_Dev_DB 存儲(chǔ)所有從站的型號(hào)信息，DevIndex_Struct（內(nèi)含枚舉類型Device_Index）定義的枚舉值可作為數(shù)組EC_Dev_DB 下標(biāo)，用于快速定位數(shù)組EC_Dev_DB 元素位置；數(shù)組EC_Dev_Deploy 中存儲(chǔ)了所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)方案中包含主站在內(nèi)的所有設(shè)備型號(hào)，其數(shù)組下標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)順序?qū)?yīng)，起始下標(biāo)0 對(duì)應(yīng)主站，1 對(duì)應(yīng)第1 個(gè)從站，以此類推，通過(guò)下標(biāo)讀取對(duì)應(yīng)元素的值即為該位置節(jié)點(diǎn)的型號(hào)索引；將型號(hào)索引作為下標(biāo)在數(shù)組EC_Dev_DB 中直接定位到的對(duì)應(yīng)型號(hào)，讀取該元素內(nèi)容即可獲得型號(hào)的ID 值。

圖8 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與變量關(guān)系圖

4 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文提出的配置EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和在線檢查功能的準(zhǔn)確性，通過(guò)多型號(hào)從站搭建網(wǎng)絡(luò)開展測(cè)試工作，所涉及設(shè)備型號(hào)如表4 所示。

表4 設(shè)備型號(hào)表

選取6 臺(tái)從站與主站搭建EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型如表5 所示。

表5 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選型表

4.1 完全匹配測(cè)試

配置軟件設(shè)計(jì)主站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)保持一致，經(jīng)測(cè)試，主站檢查后報(bào)告結(jié)果為正確，測(cè)試通過(guò)，從站選型文件內(nèi)容如圖9 所示。

圖9 從站選型文件內(nèi)容

4.2 從站數(shù)量錯(cuò)誤

配置軟件在正確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行多次修改，第1 次將正確方案第7 節(jié)點(diǎn)刪除，第2 次在正確方案上增加第8 節(jié)點(diǎn)型號(hào)為ServoDrive_FSMC。對(duì)上述方案分別進(jìn)行測(cè)試，均報(bào)告從站數(shù)量錯(cuò)誤，測(cè)試通過(guò)。

4.3 從站型號(hào)錯(cuò)誤

配置軟件在正確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，將第3 節(jié)點(diǎn)替換為EL2008，將第6 節(jié)點(diǎn)替換為EL1859。對(duì)主站運(yùn)行修改的方案版本軟件進(jìn)行測(cè)試，報(bào)告第3、第6 節(jié)點(diǎn)的從站型號(hào)錯(cuò)誤，測(cè)試通過(guò)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)EtherCAT 主站存取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息的方法，并基于SOEM 協(xié)議棧進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，在保證主站裝置保持原有功能、性能及穩(wěn)定性要求的前提下，顯著降低了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息的復(fù)雜度；緊湊型方案進(jìn)一步減少了應(yīng)用程序中的冗余信息；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在線檢查過(guò)程中，主站通過(guò)指針尋址方式迅速獲得相關(guān)信息，確保了程序的執(zhí)行效率。上述優(yōu)勢(shì)有效降低主站配套網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具開發(fā)難度的同時(shí)改善了主站產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益，另外，該方法也能夠在其他類型總線產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為胡鑫明。