EtherCAT無線網關設計與實現

錢秋陽,曹廣忠,彭業萍,鐘祥永

(1.深圳大學機電與控制工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳電磁控制重點試驗室，廣東 深圳 518060)

0 引言

EtherCAT是一種實時工業以太網總線技術，它充分利用了以太網的全雙工特性，采用主從通信模式。這種模式提高了總線通信的高效性以及實時性。因此，EtherCAT總線在工業上的應用越來越廣泛[1]。

然而，工業現場危險性高、環境惡劣且工況復雜，一旦機器出現問題，需要花費大量的時間和人力成本。為滿足工業現場作業需求，無線監控技術得到引入并快速發展，但現有的無線監控方式大多針對小數據量的采集展開研究，無法滿足大數據背景下的工程應用需求[2-8]。

本文在EtherCAT總線的分布式多傳感器數據采集解決方案的基礎上，設計了基于EtherCAT總線的無線網關(下文簡稱為無線網關)，實現了將總線數據無線傳輸至服務器，為EtherCAT總線的延伸和擴展提供了一種有效、快捷的技術。

1 無線網關接入EtherCAT總線方案

EtherCAT支持總線形、樹形和星形等諸多類型的網絡拓撲結構。EtherCAT無線通信網絡如圖1所示。本文選用線形拓撲結構作為EtherCAT總線網絡的連接方式，將無線網關接入EtherCAT總線的末端。其目的在于：在危險性高、環境惡劣的一些工業制造現場，減少大量的線纜布置[9-12]。無線網關實質上是具有WiFi無線通信功能的EtherCAT復雜從站，在物理結構上由EtherCAT從站以及WiFi模塊組成。WiFi模塊與EtherCAT從站之間使用RS-485通信接口進行串行通信。基于這種實現方式，無線網關既具有EtherCAT從站總線通信功能，又具有接入無線網絡以及無線通信功能。

圖1 EtherCAT無線通信網絡

通信過程由EtherCAT主站控制，即主站為通信的發起者[13-14]。通信開始，主站獲取從站發送的數據，并通過總線將數據發送至無線網關；無線網關完成由EtherCAT協議報文向WiFi所支持的協議報文轉換。報文通過WiFi無線傳輸至無線路由，經無線路由轉發至Web服務器。上述通信過程可實現EtherCAT總線數據的無線通信和無線監控。

2 EtherCAT與WiFi協議轉換模型

參考開放系統互聯(open system interconnection,OSI)理想模型，EtherCAT 協議分為物理層(PHY)、數據鏈路層和應用層。物理層遵循IEEE 802.3標準規定的通信物理傳輸接口及傳輸介質。數據鏈路層包含EtherCAT 媒體介質訪問控制(EtherCAT MAC)、郵箱通信(Mailbox)以及過程數據通信(Process Data)三種通信過程。郵箱通信用于EtherCAT主站同步從站信息配置；過程數據通信用于主站與從站之間的數據高速交互。應用層定義EtherCAT通信協議邏輯控制與數據交互的接口。該層協議包括EoE、FoE、SoE以及CoE等[15-16]。本文使用CoE(CANOpen)協議作為EtherCAT從站的應用層協議。

WiFi通信協議遵循IEEE 802.11標準規定的物理層和數據鏈路層。數據鏈路層由媒體介質訪問控制(MAC)和邏輯鏈路控制(LLC)實現尋址、組幀等功能[17]。應用層定義通信數據的接口。本文使用超文本傳輸協議(HTTP)作為WiFi協議的應用層協議。

圖2 協議轉換參考模型

無線網關實現協議轉換的數據流整體過程是主站(EtherCAT master)發送EtherCAT報文，無線網關(wireless gateway)接收報文，無線網關執行協議轉換流程，完成數據報文由EtherCAT協議應用層到WiFi協議應用層轉換。協議轉換具體流程是將EtherCAT報文從EtherCAT協議物理層開始，經過數據鏈路層，在應用層完成 EtherCAT協議的報文解析后，將主站發送的數據以14 B為一幀的格式封裝。以WiFi協議應用層為起始點，數據經由LLC層及MAC層，打包封裝成WiFi報文，通過物理層介質經無線路由傳輸至Web服務器中。

3 無線網關設計

3.1 無線網關的硬件設計

無線網關的硬件主要包括EtherCAT從站和WiFi模塊。本文選用美國德州儀器公司的AM3359 ICE開發板硬件作為EtherCAT從站。無線網關硬件結構如圖3所示。

圖3 無線網關硬件結構圖

AM3359 ICE開發板采用具有工業通信功能的ARM微處理器AM3359與數據收發芯片TLK110 硬件連接電路，實現EtherCAT從站總線通信。AM3359 ICE開發板具有RJ45、RS-485等工業通信接口。主控芯片AM3359 微處理器是ARM Cortex-A8處理器內核 (ARM Core)，片內具有可編程實時及工業通信子系統單元 (programmable real-time unit and industrial communication subsystem，PRU-ICSS) 及通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)等工業通信外設。由于PRU-ICSS單元與ARM內核共享一段特定的內存地址，該方式可簡化EtherCAT從站通信實現過程。因此，本文采用PRU-ICSS單元實現EtherCAT從站通信。

WiFi模塊選用具有RS-485通信接口和WiFi通信功能的嵌入式模塊來實現WiFi通信功能。該模塊支持802.11 b/g/n協議標準，無線網關的通過網頁來配置。AM3359 ICE開發板與WiFi模塊以RS-485作為通信接口，并通過UART建立通信。

3.2 無線網關的軟件設計

軟件分層結構如圖4所示。無線網關軟件程序包含任務層、協議層與驅動層。為實現數據格式的轉換，各層分別提供數據交互接口的定義。

圖4 軟件分層結構圖

驅動層為AM3359外設硬件控制程序，包含PRU-ICSS驅動和UART串行通信驅動。PRU-ICSS驅動程序實現PRU-ICSS寄存器配置和緩存讀寫功能。UART驅動定義了串行通信的發送與接收接口，實現了以幀為最小單位的串行通信功能。協議層包含EtherCAT從站協議棧。該協議棧實現EtherCAT通信協議的數據鏈路層和應用層功能。

任務層完成EtherCAT數據解碼與數據組幀任務：在EtherCAT數據解碼任務中，本文設計從站的輸入/輸出的數據位寬為32位，即EtherCAT通信數據字節長度為32位。通過主站數據編碼，規定高12位為數據編號值、低12位為數據值、中間8位為數據名。數據流由驅動層到達任務層時，即EtherCAT從站接收并解析主站發送的數據后，EtherCAT數據解碼任務對32位數據進行解碼。數據解碼流程如圖5所示。

圖5 數據解碼流程圖

解碼后的值分別存入一個包含三個元素的結構體中。三個元素分別代表數據編號、數據名稱、數據對應的數值大小。在數據組幀任務中，由于本文采用的UART串行通信的發送格式以ASCII碼為基本單元，所以在結構體中的三元素均轉換為ASCII碼后，執行數據組幀任務。數據幀格式如圖6所示。數據幀包含數據編號、編號值、數據名稱以及數據數值內容。圖6中：“=”為編號名、數據名和分別與其對應的編號值、數值之間的連接符； “&”為編號值和數據名之間的連接符。

圖6 數據幀格式

本文通過網頁配置 WiFi模塊的工作模式及通信方式，將WiFi模塊的工作模式設置為STA無線網絡終端模式，通信方式為Client模式，通信協議為HTTP協議。

4 無線網關數據傳輸試驗

無線網關數據傳輸試驗是以EtherCAT總線網絡為基礎實現的。試驗設備主要由主站、1#從站以及無線網關構成；無線網關由AM3359 ICE開發板與WiFi模塊連接組成。無線網關連接在總線的末端，與伺服驅動器及工業控制計算機共同組成通信網絡。

主站是工業控制計算機，采用此計算機中的TwinCAT軟件實現數據傳輸的控制。TwinCAT軟件是由德國倍福(BECKHOFF)公司開發的、基于Windows系統的自動化PLC控制軟件。1#從站是一個具有EtherCAT從站通信功能的伺服驅動器。本文選用德國BECKHOFF公司制造的、具有EtherCAT通信功能的伺服驅動器AX5000系列作為1#從站。

數據傳輸的主要流程如下。①主站通過EtherCAT總線發送數據采集指令給從站1#。②從站1#執行獲取伺服驅動器以及電機的傳感器數據的操作，獲取電機電壓數值、電機三相交流電流數值、電機轉速和電機位置等數據后，將此數據打包發送給主站。③主站接收從站1#的數據后，對數據進行編碼、打包并轉發給無線網關；無線網關接收到主站發送的報文，將EtherCAT報文轉換為WiFi報文，通過WiFi協議將數據傳輸至Web服務器。

4.1 主站PLC程序

在實現主站可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)程序之前，首先需要將從站配置文件導入TwinCAT中。本文使用德州儀器公司的從站配置文件(EtherCAT slave informmation,ESI)。當TwinCAT軟件獲取從站信息時，該軟件會顯示從站固定數據位寬為32位的輸入/輸出變量信息，將從站的輸入/輸出變量與定義的PLC變量關聯。其中，對于PLC程序變量的賦值或取值的操作等同于主站發送和接收數據的操作。

PLC程序采用結構化文本語言(stracture text,ST)進行編程，主要以功能塊的形式實現如下兩個功能：其一為伺服驅動器內的傳感器數據與電機內的傳感器數據的獲取，其二為待發送數據編碼過程及編碼后數據的發送。PLC程序流程如圖7所示。通過程序功能塊使能電機，獲取電流、電壓、電機溫度等數據，并實現數據編號以及數據編碼，最終將編碼后的數據賦值給PLC發送變量，以實現數據發送。

圖7 PLC程序流程圖

4.2 通信試驗

本文設計通信試驗，將伺服驅動器采集的電機交流電電流、直流母線電壓、電機溫度等數據通過EtherCAT總線網絡發送至無線網關，并通過WiFi網絡將數據發送至Web服務器端，從而實現在Web服務器上遠程觀測電機狀態以及伺服驅動器電流的動態變化。

本文為驗證通信試驗數據傳輸的完整性，作出如下定義。首先，定義如圖6所示的通信數據幀格式，用于無線網關WiFi數據傳輸。設定數據編號名為字符 ‘T’，每幀數據的數據編號對應為0000、0001、0002、0003、0004。然后，定義數據名稱：AA為直流母線電壓，AB為U相電流，AC為V相電流，AD為W相電流、AE為電機溫度。本文定義的一組伺服驅動器包括在流母線電壓，通過電機的互相交流電流以及電機的溫度值。

經通信試驗，網頁服務器接收到的完整數據中，每組均包含五幀通信數據，且數據編號完整。綜上可驗證數據傳輸的完整性，即傳輸過程無數據丟失。

5 結束語

本文針對工業現場的遠程監控問題，研究并設計了具有將EtherCAT協議報文轉換為WiFi協議報文功能的網關。經通信試驗驗證，無線網關能夠準確解碼，由WiFi將EtherCAT報文中的數據傳輸至Web服務器，并通過網頁顯示出數據。該網關的研究與設計將EtherCAT網絡和WiFi網絡融合，為工業現場的遠程監控的實現提供了一種新方法。