EtherCAT主站協議SoE的研究與實現

常玉冬，王 超

(1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院沈陽計算技術研究所 高檔數控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數控技術有限公司，沈陽 110168)

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EtherCAT主站協議SoE的研究與實現

常玉冬，王 超

(1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院沈陽計算技術研究所 高檔數控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數控技術有限公司，沈陽 110168)

多種方法實現EtherCAT應用層協議將有利于提升EtherCAT技術在國內數控產品中的應用，使國內的伺服產品的開放性和實時性得到提高，目前CoE協議已經應用于實踐且取得了不錯的效果，所以提出了實現SoE協議并且應用在數控系統中。文章首先介紹了EtherCAT通信協議的基本內容，然后對現有的EtherCAT協議進行分析然后從結構和性能兩方面對其進行改進，并通過實驗對改進的協議從性能和功能兩方面進行驗證。

EtherCAT通信協議；數據幀；狀態機；SoE協議

0 引言

當前工業控制網絡和現場總線技術的一個重要的發展方向就是將以太網技術應用于工業控制領域，從而形成工業以太網技術。在眾多工業以太網技術中，EtherCAT作為新一代的實時工業以太網技術是由德國BECKHOFF公司2003年提出的，憑借其高速、實時性、低成本、拓撲靈活、配置簡單、與普通以太網完全兼容、能最好利用以太網技術等優勢得到了迅速發展。

應用層AL(Application Layer)提供了用戶與網絡之間的接口，是EtherCAT通信協議層次結構中直接與用戶進行交互的功能層，EtherCAT應用層使滿足應用層要求的各種協議共同工作，它定義了各種服務協議與應用程序之間的接口并不是具體的應用程序。EtherCAT作為網絡通信技術，支持CANopen協議中的CiA402和SERCOS協議的應用層(CoE和SoE)等多種設備行規和協議。SERCOS是國際上第一個專門用于伺服驅動器控制的實時數據通信協議標準，而EtherCAT協議的通信性能非常適合數字伺服器的驅動控制，所以本文在應用層使用SERCOS應用層協議實現數據接口，并且對EtherCAT通信協議進行改進[1-6]。

1 EtherCAT協議簡介

EtherCAT網絡以標準的以太網技術為基礎，采用的是主從摸式介質訪問控制通信方式，整個網絡的通信由主站發起，主站發起下行的數據幀，數據幀遍歷所有的從站，從站設備采用“On The Fly”技術[1]，在報文傳輸不停止的情況下分析尋址到本站的EtherCAT子報文，并根據報文頭中的命令讀或寫數據到報文中指定位置，同時從站硬件上把該子報文的工作計數器(WKC，Woking Counter)加1，表示該數據已經被相應的從站處理。“On The Fly”技術是由從站硬件來實現的，這使得EtherCAT數據幀經過每個從站的整個過程只會產生納秒級的延遲，保證了系統的高度實時性。遍歷完所有的從站后，經過各從站處理的數據幀作為上行數據幀從最后一個從站返回主站，主站收到上行報文后，比較返回報文中的WKC和預期WKC來判斷數據幀是否被正確處理，一次通信結束。整個通信過程中充分利用了以太網全雙工處理網絡數據的通信特點[7-11]。

EtherCAT協議有兩種通信模式[2]：周期性過程數據通信和非周期性郵箱數據通信。前者實時性要求高，數據傳輸和處理必須在規定的時間內完成通信，否則會導致操作失效。其通常使用FMMU進行邏輯尋址，主站可以使用邏輯讀、寫或讀寫命令同時操作多個從站，由于良好的實時性主要應用于實際控制中。后者針對非時間關鍵的數據，實時性要求低。通常使用設備尋址方式，因此一個郵箱數據報文只能尋址特定的一個設備，常用于參數配置階段。

SERCOS(串行實時通信協議)作為一種智能控制和數字化驅動現場總線接口被廣泛應用于數控機床等伺服設備上。由于EtherCAT設備上不能傳輸SERCOS協議數據，為了在EtherCAT通信網絡下運行SERCOS協議上層定義的伺服參數、控制數據和伺服設備行規，對二者進行了修改產生了SoE協議(SERCOS over EtherCAT)。SoE作為基于EtherCAT的SERCOS協議，EtherCAT支持其對執行SERCOS規范設備的伺服控制及數據通信。因此為了運行在EtherCAT之上，SoE對SERCOS協議做了如下修正：

(1)取消MST,由EtherCAT分布時鐘實現同步；

(2)SERCOS與EtherCAT通信階段的對應，SERCOS協議的通信階段與EtherCAT狀態機不同，但是因后者是基礎網絡環境所以SoE中對前者的通信階段進行了調整以適應后者的狀態機。

2 EtherCAT通信協議架構

為了實現主從站之間的正常通信，主站的主要功能應該包括：

(1)根據讀取的從站的設備描述文件ESI(EtherCAT Slave Information)構建主站的ENI(EtherCAT Network Information)文件，在主站中根據ENI中的信息配置從站；

(2)主從站之間的數據通信功能；

(3)支持SERCOS協議接口。

根據主站功能、原有的協議結構和對SoE的研究，設計了新的通信協議架構圖，如圖1所示。

圖1 EtherCAT通信協議架構圖

ECAT_Base：實現基本的EtherCAT原語操作。 主站發送讀寫原語到從站，從站可以直接讀取報文中的信息或將信息寫入報文中。原語的類型取決于讀寫操作和尋址方式(順序尋址、設置尋址、廣播尋址)。該模塊實現最基本的通信功能，被其它各模塊調用發送EtherCAT數據幀，而該模塊調用底層網卡驅動實現數據幀的發送接收和確認。

ECAT_Main:核心功能模塊，實現郵箱通信、從站狀態、過程數據、EPROM和SII等功能。在這個模塊中需要調用ECAT_Base模塊來發送相應命令的數據幀來實現其不同的功能，該模塊又被配置模塊和SoE模塊調用。

ECAT_SoE:實現SoE協議，主要用于過程數據數據MDT和AT的讀寫，實現SoE服務通道，用于非周期性數據交換，調用ECAT_Main中的郵箱通信實現IDN訪問和伺服控制系統參數的配置。

ECAT_Config:完成從站的配置工作，根據ENI文件信息配置從站的一些寄存器、SM通道(物理起始地址和數據長度)、FMMU映射關系、從站狀態機等。模塊的最后要確保所有從站都到達運行狀態。

3 EtherCAT通信協議的改進

通過對現有的EtherCAT通信協議進行分析研究，主要對ECAT_Config和ECAT_Base模塊中的部分功能做了改進：

(1)從站設備描述文件解析

從站設備描述文件ESI是倍福公司制定的一種用于存儲和描述從站設備配置信息的文件，采用XML格式。該文件包含從站設備基本信息、從站設備基本數據結構類型和從站對象字典描述三部分內容如表1所示，原有的協議中利用文檔對象模型DOM(Document Object Model)解析從站設備描述文件，獲得其中的主從站配置信息，根據讀到的這些信息構建EtherCAT網絡信息文件ENI，主站在鏈路啟動階段根據網絡信息文件對從站進行初始化配置。但是由于我們的實驗環境沒有集成DOM解析 所以我們在此做了替換：首先部分信息是從EEPROM中讀取的(廠商表示、設備信息、FMMU描述信息、SM描述信息等),但是還有一部分信息EEPROM 中沒有存儲則我們從XML文件中讀取然后手動配置，如圖2所示。

圖2 輸入輸出映射的一些配置

從站設備供應商信息供應商ID、供應商名稱Name分組信息設備描述信息設備信息設備標識、類型、名稱、FMMU描述信息、SM描述信息等模塊信息

(2)主站讀取從站EEPROM中的信息

由于(1)中的原因主站要經常與EEPROM交互，但是由于讀取EEPROM需要一定的時間，頻繁的交互會使得主站浪費在EEPROM上的時間延遲變得所不能容忍，所以必須找到一種機制來快速讀取EEPROM中的信息：通過在主站建立一個虛擬的cache，第一先把數據從EEPROM里讀取到這個cache里面，然后以后每次再讀取EEPROM中的數據就可以直接從這個虛擬的cache中讀了，節省了好多時間。但是讀cache前，先要確定數據是否在cache里面，利用bit映射來實現間接讀取cache的算法：將cache中的數據建立位映射，每次來讀取位映射數組中的內容便可知道cache里面是否有數據。如果cache為空則寫一個請求給從站，請求大小與從站有關，返回值為所請求的byte，否則返回0xff。具體實現如圖3所示，建立一個虛擬的cache:容量4k，分成128個單元，每個單元占32個字節。然后還需要一個與cache進行bit映射的映射數組Buf:分成128個單元，每個單元占32位。這樣cache中的每32字節的內容由bit映射數組中的每32位來表示，bit映射數組中的每一個bit映射cache中的每一個字節，這樣就可以通過對bit映射數組中的bit進行操作，就可以知道cache中有沒有從EEPROM中讀出數據了。

圖3 bit映射關系圖

(3)主站發送數據幀請求從站狀態改變

EtherCAT狀態機負責協調主站和從站應用程序在初始化階段和運行階段的狀態關系。主站執行狀態機控制，完成所有從站設備的初始化。從站狀態的改變均是由主站使用設置尋址向從站發送請求數據幀請求從站狀態轉換，在原有的EtherCAT協議中狀態機的狀態轉換請求數據幀發送函數是放在中斷函數中的，這樣在一個中短周期內發送一個數據幀，而接受一個數據幀check的時候只能等到下一個中斷周期，這個時間間隔大約是20s。修改后把狀態轉換請求數據幀發送函數單獨處理，整個時間間隔為數據幀發送時間加延遲時間，這個時間很短只有一兩秒，極大地提高了效率。

4 實驗

4.1 實驗平臺

實驗平臺由四部分組成：EtherCAT主站系統、EtherCAT從站、實時數據獲取單元、離線數據分析單元。如圖4所示。

圖4 實驗環境結構圖

(1)EtherCAT系統

主站為高檔數控國家工程研究中心開發的高檔數控系統“GJ400”，EtherCAT主站以一個驅動模塊的形式集成在該數控系統中。

(2)實時數據獲取單元

實時數據獲取單元采用的是福祿克(FLUKE)公司的OptiView XG網絡分析儀，支持單獨捕獲上行和下行數據，并且可以將捕獲的數據包轉換為WinPCP格式，供離線數據處理單元進行數據分析。

(3)離線數據分析單元

離線數據分析單元是由PC機運行開源軟件Wireshark實現的，在實驗的最后，所有捕獲的WinPCAP格式的實驗數據都會交給離線數據單元進行處理和分析。

4.2 測試與結果分析

測試目的：運行如圖 5所示的測試流程，通過使用抓包工具WireShark，抓取主站與從站之間通訊的數據包，分析主從站之間的通訊是否正常以及時延。根據打印的時間，利用圖6所示的關系圖，計算出接收時間和收發時間，

測試流程如下：

圖5 測試用例流程

圖6 時延關系圖

時間點1：主站檢查所有從站均達到運行狀態后，發送過程數據之前的系統時間。

時間點2：主站將過程數據通過網卡發送出去之后的系統時間。

時間點3：主站接收到已發送數據幀的時間。

收發時間=時間點3-時間點1

接收時間=時間點3-時間點2

實驗結果如圖7和圖8所示。

圖7 Wireshark抓包部分結果圖

圖8 時間打印結果

實驗分析：

(1)發送數據包中主站發送的報文經過從站時，讀成功時WKC加1，寫成功時加2，讀寫都成功時加3，如圖所示。通過對數據包的分析證明：主站發送的數據已被從站接收，并且通過觀察返回的數據報文信息沒有出現任何的錯誤報文，可見通信的準確性非常高，主從站之間通信正常。

(2)根據圖8的測試結果，在沒有丟包的前提下測試結果如表2所示。

表2 收發時間的測量結果 單位：μs

由以上實驗結果可知：SoE協議的時延與已經應用于實踐的CoE協議時延相近，所以SoE協議可以實現主從站之間的實時通訊，而且通訊效率很高。

5 結束語

本文詳細闡述了EtherCAT通信協議的內容以及在此基礎上做的改進，搭建實驗環境驗證SoE的性能，與目前已經應用于實踐的CoE協議性能作比較，證明了SoE協議也能很好的應用在數控系統中。多種方法實現EtherCAT應用層協議這將有利于EtherCAT技術在國內數控產品中的應用，使國內的伺服產品的開放性和實時性得到提高，促進了國內運動控制領域通信技術的發展。同時對進一步發展開放式數控，提高自身產品的競爭力，打破國外產品的壟斷具有積極意義。

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[3] 樊留群.實時以太網及運動控制總線技術[M].上海:同濟大學出版社,2009.

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[11] 馮冬芹,金建祥，褚健.Ethernet與工業控制網絡[J].儀器儀表學報，2003，24(1)：23-26.

(編輯 李秀敏)

Research and Implementation of EtherCAT Master Protocol SoE

CHANG Yu-dong1,2，WANG Chao2,3

(1.Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 2.Shenyang Institute of Computing Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110168,China)

EtherCAT application layer protocol will be beneficial to improve the application of EtherCAT technology in the domestic numerical control products, so as to improve the openness and real-time performance of servo products. At present, CoE has been applied in practice and has achieved good results, so the paper presents the implementation of SoE protocol and application in the numerical control system. This paper first introduces the basic content of communication protocol, and then analyzes the existing EtherCAT protocol, and then analyzes the structure and performance of the EtherCAT protocol, and then verifies the improved protocol from two aspects: performance and function.

EtherCAT communication protocol; data frame;state machine;SoE protocol

1001-2265(2016)11-0005-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.002

2015-12-24

“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項航空發動機微孔冷加工超快激光數控機床(2014ZX04001041)

常玉冬(1991—)，女，山東菏澤人，中國科學院沈陽計算技術研究所在讀碩士，研究方向為軟件工程，(E-mail)417135327@qq.com。

TH166;TG659

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