摘要：本文介绍了EtherCAT的作业原理、通讯协议和根据专用芯片ET1100的从站硬件规划。凭仗dsPICDEM1.1Plus Development Board开发渠道和TwinCAT软件，验证了EtherCAT主从站之间的I/O开关量的通讯，并经过SOEM软件和Linux渠道，验证了EtherCAT从站接口卡的实时性能。
导言
将以太网技能运用于工业操控范畴构成的工业以太网技能是当时工业操控网络和现场总线技能的一个很重要的发展方向。与传统的现场总线比较，以太网现场总线具有性价比高、传输速度快、数据量大、可接入标准以太网端等长处。现在，首要的实时以太网有如下几种：Pro finet、TC-net、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Modbus-RTPS、SERCOS III，以及我国自主研制的EPA等。
EtherCAT技能是由德国Beckhoff主动化公司提出的，该技能以其优胜的功用取得越来越多的重视。2003年末建立的ETG(Ethernet Techno logy Group)安排担任EtherCAT技能的保护和推行。该安排现已具有逾千个成员，许多成员现已推出相关产品。相关产品的研制首要来自国外，如以色列Elmo公司已推出根据EtherCAT的Elmo伺服直流驱动器(Elmo Golden);而国内在此范畴还处于起步阶段，只要少量公司有所触及，如上海新华集团公司开发了一套根据EtherCAT技能的DCS操控体系等。对此，本文对工业以太网EtherCAT从站的硬件和软件部分进行开发，终究经过试验验证了所开发的EtherCAT从站具有较高实时性，满意工业操控需求。
1 EtherCAT技能介绍
1.1 EtherCAT组成及运转原理
EtherCAT运用全双工通讯技能构成主从结构，主站运用标准的以太网操控器，传输介质一般运用100BASE-TX标准的5类UTP双绞线缆;从站由专用操控芯片或许FPGA IP核构成，TI公司已推出带有EtherCAT功用的微操控器M335X。
EtherCAT的运转原理如图1所示，图中j为从站个数，j=1，2，…，i，…，n。主站宣布下行电报，数据帧遍访一切从站，在数据帧抵达每个从站时，从站解分出本机报文，并对报文数据进行处理，然后将该数据帧传输到下一个从站，从站再进行相似的处理，直至传输完整个回路。终究一个从站发回经过彻底处理的数据帧，并由紧挨着主站的从站作为呼应，将数据帧发送给主站，完结一个周期的数据处理。
1.2 EtherCAT协议
EtherCAT的数据帧结构如图2所示。从图中能够看出，它选用的是标准的以太网帧结构，帧类型为0x88A4。数据包由EtherCAT头和Ether CAT数据组成，而若干个子报文又组成了数据区。子报文又由子报文头、数据域及作业计数器组成。子报文头决议该子报文应传输到对应的从站，以及该从站对子报文进行读或许写操作。在主从站通讯的进程中，16位的作业计数器(WKC)的值显得尤为重要。主站建议周期操控的时分，预先给定WKC一个值，当数据帧遍历完整个设备的时分，经过比照回来的WKC值，能够验证数据报文是否被EtherCAT从站节点正确处理。
2 EtherCAT从站硬件规划
2.1 全体结构
本文规划的从站硬件电路由物理通讯接口、从站操控器及其外围设备和电源模块等部分组成。从站操控器ET1100与物理通讯端口的衔接部分是EtherCAT从站硬件规划最要害的部分，此部分是完结主站与从站以及从站与微操控器数据通讯中不可或缺的。为了拓宽本规划从站接口卡对微处理器的通用性，PDI接口部分引脚引出，能够完结与数字量I/O接口、SPI接口及并行微处理器通讯接口的衔接。
本文后续的验证试验中，为了检验与接线的便利，运用SPI接口与微处理器进行通讯。从站接口卡的全体硬件电路如图3所示。EEPROM选用的是24LC16B，存储ET1100的装备信息;电源模块选用的是体积小、价格便宜的SP6205EM，固定输出3.3 V电压;物理芯片挑选的是KSZ87 21;RJ45挑选的是集成了变压器接头的HanRun HR911105A。
2.2 物理通讯端口
ET1100是一个功用强大的从站操控器，能够供给4个物理通讯端口，完结各种类型的拓扑结构，且每个端口皆可装备为MII或EBUS两种类型。通讯端口类型装备无需软件编程，可直接经过对ET1100的外围引脚P_MODE[1：0]和P_CONFIG[3：0]进行上拉或许下拉取得。其间，P_CON FIG[3：0]决议通讯接口的类型，P_MODE[1：0]决议通讯接口的数目。ET1100运用MII接口时，需求外接以太网物理层芯片，并且为了下降处理/转发延时，ET1100的MII接口省掉了发送FIFO，最远传输间隔为100 m;EtherCAT协议自定义了一种物理层传输方法EBUS，EBUS传输介质运用低压差分信号LVDS，最远传输间隔为10m。
本规划中，物理通讯端口运用的是端口0与端口1，且运用能传输100 m的MII类型，则有如下装备信息：P_MODE[0：1]下拉决议端口0与端口1被使能用，而P_CONFIG[0：1]上拉表明端口0与端口1运用MII类型。本文物理芯片选用的是KSZ8721，其电路衔接图如图4所示。
2.3 进程数据接口
从站操控芯片ET1100的运用数据接口又称为进程数据接口，简称为PDI。PDI是微处理器与ET1100进行数据交换的接口，是底层接口电路，为上层杂乱的运用协议供给硬件根底。ET1100的PDI接口可分为SPI接口、微处理器接口和数字量I/O接口，这三种接口的完结经过PDI操控寄存器0x140取不同的值来完结。而ET1100中操控寄存器的值是上电时主动加载EEPROM中用户装备的数据，并且ET1100供给一专用引脚来表征此装备信息是否被正确加载。当此引脚信号为高电平时，表明装备信息被正确加载，此刻端口才会被激活。本规划中三种接口方法皆能够运用，可是SPI接口具有接线少、运用便利、传输速度快等优势，因此后续的检验试验中运用SPI接口与检验开发板进行衔接。
归纳以上信息，本文具体介绍了从站硬件全体框图、ET1100的物理通讯端口、PDI接口以及外围芯片具体选型与运用，终究规划的具体电路的实物图如图5所示。
3 EtherCAT从站软件规划
EtherCAT从站的软件规划首要包含微处理器的软件规划和ET1100的软件规划。在本规划中，因为嵌入式主站的规划作业很杂乱，所以本检验的主站由PC机担任，PC机经过倍福公司的TwinCAT软件完结主站功用，首要担任一切从站设备的作业状况以及办理主从站之间的数据通讯。
ET1100的软件规划便是把装备好的与硬件相符的XML文件烧写到EEPROM中，终究完结主从站之间的通讯。微处理器dsPIC30F6014A的软件规划经过操作ET1100完结运用层协议，其使命首要完结dsPIC30F6014A硬件的初始化、ET1100的初始化以及进程数据的处理等。
非周期性数据通讯与周期性进程数据通讯是EtherCAT网络中主从站之间数据交换的两种方法。周期性进程数据通讯选用现场总线逻辑单元进行寻址，缓冲区能够被主从节点一起拜访;非周期性数据通讯选用邮箱方法进行，邮箱数据通讯运用两个存储同步办理通道，一般主站到从站通讯运用SM0，从站到主站通讯运用SM1，它们可被装备成一个缓冲区方法，运用握手来防止数据溢出，只要把缓冲区数据写满后，另一端才干读取，并且只要当内存中的数据悉数读出时，一端才干从头写入数据。本试验中，从站程序选用的对错周期性数据通讯，并且选用的是查询方法，程序流程图如图6所示。
4 检验检验及剖析
4.1 I/O开关量的试验检验与剖析
以规划的根据从站操控器ET1100的EtherCAT从站接口卡和Microchip公司的dsP%&&&&&%DEM1.1 Plus Development Board开发板构成从站设备，PC机凭仗德国倍福公司开发的TwinCAT软件作为主站设备建立试验渠道。首要，翻开TwinCAT软件中的System Manager功用，找到I/O Device，单击鼠标右键扫描设备，找到BOX设备，烧写XML装备文件到ET1100中，完结特定功用的装备，依照功用要求对从站接口板与开发板进行正确的连线。在TwinCAT软件以及开发板中编写检验程序，经过调查开发板上LED的亮堂以及TwinCAT软件中的图示，来验证EtherCAT中主从站之间的通讯是否成功。具体试验成果如图7～图10所示。
由图7、图8可知：主站TwinCAT软件中，写入开关量1(即高电平)，从站试验渠道中LED被点亮，验证了主站到从站数据传输的正确性。由图9与图10剖析可得：对从站渠道按下按键，输出低电子，上位机主站得到了从高电平到低电平的骤变，然后从站到主站的数据传输的正确性得到验证。综上所述，主从站之间完结了双工通讯，并且验证了所规划的从站接口卡的可行性。
4.2 EtherCAT从站的实时性能检验
以SOURCEFORGE上开源的SOEM(Simple Open EtherCAT Master)软件，根据嵌入式操作体系Linux的运用环境，以及本规划中的从站接口卡作为检验渠道，对EtherCAT数据传输的实时性进行检验剖析。在不同从站节点个数组成的网络下，收集试验数据，试验数据包含主站操控周期平均值、环运转时刻。经过剖析试验数据可知，本规划的从站接口卡达到了预订要求，试验数据如表1所列。
剖析表中数据能够得出：在不同从站节点个数组成的网络下，周期是不变的(约为0.5 ms)，这是由主站来操控的;环运转时刻跟着节点数的添加而成倍添加，每添加一个节点，环运转时刻添加1μs，也便是报文经过每个节点时延时时刻约为500 ns，能够看出从站的实时性很好。
结语
针对EtherCAT运用较广，但在国内起步较晚的现状，本文具体论述了EtherCAT的组成、作业原理以及EtherCAT协议，并在此根底上，运用从站操控芯片ET1100规划了一种EtherCAT从站卡。此从站接口卡选用MII类型的物理通讯接口与同步串行总线SPI进行通讯，传输介质运用100BASE-TX标准UTP双绞线缆，能够完结100 m内的牢靠传输，并且SPI通讯方法具有接线少等长处。
经过建立试验乎台，对简略I/O开关量的主从站之间的数据传输进行了验证，并运用SOEM对其实时功用进行验证。综上可知，本文规划的EtherCAT接口卡有两方面的长处：具有较高实时性，满意工业需求;具有较强的通用性，能够作为独自的I/O从站，也能够融进其他嵌入式设备中进行更深层次的开发，进一步进步体系的实时性。
