基于S3C2440的Ethercat實現(xiàn)

　　1 引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、資源共享能力強(qiáng)以及易于Internet連接等特點，以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox(施樂)公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。

　　2 Ethercat技術(shù)介紹

　　2.1 Ethercat的系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理

　　EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司(BeckhoffAutomation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過每一個設(shè)備(包括底層端子設(shè)備)時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 (僅被延遲幾位)過去的時候，從站會識別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運(yùn)行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由第一個從站返回到主站。

　　2.2 Ethercat協(xié)議

　　Ethercat主張"以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)" 。它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議(最惠國待遇系統(tǒng)局域網(wǎng))，在一個工業(yè)環(huán)境，特別是對工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機(jī)器人和其他裝備線上的技術(shù)。Ethercat采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2。Ethercat在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個Ethercat幀中可以包含若干個Ethercat子報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，由FMMU(Fieldbus MemoryManagement Unit)寄存器和SM (SyncManager)寄存器定義，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。Ethercat報文由一個16位的WKC(Working Count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達(dá)1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因此可以對Ethercat從站進(jìn)行任意的編址。

　　圖2 Ethercat幀結(jié)構(gòu)

　　2.3 Ethercat性能

　　Ethercat整個協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個伺服軸的通訊只需100μs[5]。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。

　　3 基于ARM的從站節(jié)點控制器的硬件設(shè)計

　　ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。

　　Ethercat從站節(jié)點的協(xié)議部分可以直接利用BECKHOFF公司的從站控制器ESC。ESC從站控制器提供3種接口規(guī)范如表1，具體采用哪一種方式可以設(shè)置控制器的EEPROM來選擇。

　　表1 接口規(guī)范

　　本文設(shè)計的Ethercat從站節(jié)點硬件包括從站協(xié)議控制器、從站CPU和網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。Ethercat從站中最關(guān)鍵部分是Ethercat協(xié)議控制器，它實現(xiàn)Ethercat的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議?，F(xiàn)在市場上有多種Ethercat協(xié)議控制器可供使用，接口連接方式采用16位異步微處理器方式。從站的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

　　其中ARM控制器實現(xiàn)Ethercat對現(xiàn)場任務(wù)的收集與調(diào)度;Ethercat從站控制器實現(xiàn)Ethercat協(xié)議;EEPROM用于保存從站配置數(shù)據(jù)和從站描述數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)接口用于主從站之間或從站與從站之間的連接，根據(jù)Ethercat從站控制器的不同網(wǎng)絡(luò)接口可以分別為2-4個。