基于DSP的導彈發射車EtherCAT從站接口單元設計

劉劍鋒，賈春葉，趙春海，付軼璇，王 豐

(1.海軍駐北京地區第八代表室， 北京 100143； 2.北京特種機械研究所， 北京 100143)

通訊系統作為導彈發射車車載系統中至關重要的一部分，傳統方案通常以CAN通訊、以太網通訊為主。CAN通訊實現簡單、成本低，因而在發射車控制系統中得到了廣泛的應用。與此同時，它存在數據傳輸量小，帶寬窄，傳輸速率低，使用時需要和以太網協議進行轉換等缺點。以太網通訊傳輸的數據量大，但實時性差，因而研究高實時性、高可靠性的導彈發射車通訊技術很有必要[1-2]。近年來，傳統現場總線在工業控制領域的重要地位逐步被成本低、可靠性高、數據傳輸速度高的以太網所取代。隨著以太網技術的不斷成熟，人們也開始逐步探索傳輸速率更大的實時以太網技術。EtherCAT通訊協議因其優越的性能在眾多實時以太網中脫穎而出，得到了廣泛的應用。EtherCAT由德國倍福公司開發，擁有卓越的實時性能和靈活的拓撲結構。它基于現有的以太網標準，采用“On the Fly”技術，使從站在EtherCAT數據幀傳輸過程中能自動尋址到本從站的數據存儲位置，并在相應位置根據數據幀中的命令進行讀寫，大大提高了數據傳輸速率。此外，EtherCAT技術開放、配置相對簡單，因此已逐漸成為工業控制領域發展的主流[3]。

本研究以一套包含CAN板、AD板及背板的接口單元為例，闡述基于高效的實時以太網 EtherCAT技術開發的導彈發射車平臺通用控制單元從站通訊系統，旨在提高發射車通訊系統的實時性，為基于新型通訊網絡的通用化發射平臺研究奠定基礎。

1 系統總體框架

整個通訊系統由主站和從站接口單元構成。接口單元中不同種類的從站板卡以任意順序插放在背板模塊進行組網。主站發出的一幀數據包含對所有從站的控制信息，每一個從站根據自身在網絡中的地址在數據幀的相應位置進行讀取或寫入操作，并轉發給下一個從站，數據幀到達最后一個從站后自動返回主站。系統總體如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 從站接口單元硬件設計

2.1 EtherCAT從站硬件設計

本研究選用德國倍福公司的EtherCAT從站控制器(ESC)ET1100芯片實現協議的物理層和數據鏈路層部分。它包含4個物理通信端口，內部有8個現場總線管理單元(FMMU),8個存儲同步管理單元(SM)，8KB的雙端口RAM(DPRAM)，支持64位分布式時鐘(DC)及看門狗功能。其中DPRAM可用于和外部微處理器交換數據[4]。

本研究選用微處理器TMS320F2812訪問ET1100的DPRAM數據接口，實現同步數據傳輸。TMS320F2812是TI公司主推的高性能浮點DSP，主頻可達150 MHz，擁有256 K×16 bit的片內ROM和34 K×16 bit的片內RAM，并外擴512 K×16 bit的NOR FLASH及256 K×16 bit的SRAM。具備I2C、SPI、CAN、PWM等總線接口，同時具備國產化能力，因此適用于導彈發射車EtherCAT從站開發[5]。總體硬件框圖如圖2。

圖2 總體硬件框圖

圖3 接口電路

2.2 背板模塊設計

從站接口單元實現過程中，秉承著各板卡通用化、模塊化的設計原則，因而創新性地采用了背板設計，為各個從站板卡提供實時以太網EtherCAT總線通路和公共電源及地線通路，并支持熱插拔特性。各從站板卡可以任意調換位置而無需修改從站程序，整個EtherCAT從站網絡也可以作為一個節點接入現有的拓撲結構中，拓撲擴展靈活方便，易于實際應用。

如圖4所示，背板使用5片ET1100芯片級聯，可以擴展9個板載Ebus擴展接口。數據幀經過ET1100時以端口P0→P3→P1→P2的順序流轉，5個ESC實質上構成了星型拓撲，每一個槽位都可以獨立使用，而不受其他槽位的影響，各從站板卡使用中航光電的VPX連接器插入到背板上。

圖4 背板連接示意圖

3 從站接口單元軟件設計

3.1 從站初始化

從站初始化由芯片級初始化和EtherCAT協議初始化兩部分組成。芯片級初始化主要針對TMS320F2812和ET1100。流程如圖5所示。TMS320F2812上電后，對自身相關功能進行配置，并等待ET1100復位。ET1100在上電或復位時會將從站的配置文件加載到EEPROM中，待TMS320F2812查詢PDI狀態正常后，隨即屏蔽ET1100的中斷，并禁用SM通道。

圖5 EtherCAT從站芯片級初始化流程框圖

EtherCAT協議的初始化包括通信變量、從站狀態機和應用程序三部分，首先在通信變量中定義了輸入輸出的數據幀格式、通信標志位和過程數據映射變量等；其次復位應用層狀態為Init，并清空狀態碼寄存器；最后完成CAN接口板和AD接口板各自所需的轉換配置。

3.2 EtherCAT協議棧實現

3.2.1過程數據通信

EtherCAT協議中，主站用事件請求控制從站[6-7]。過程數據通信對應的是周期性輸出或輸入，分別用SM2和SM3事件表示。本研究中從站以中斷方式處理周期性事件。0x220-0x223為AL事件中斷請求寄存器，所有主站給本地從站的AL事件請求都映射到該寄存器中，并通過事件屏蔽寄存器0x204-0x207決定哪些事件將觸發給微處理器的中斷信號。如圖6所示，微處理器響應中斷后，中斷處理程序將讀取0x220-0x223寄存器內容，并處理不同類型的事件請求。

3.2.2郵箱通信

郵箱通信對應的是非周期輸出或輸入，分別用SM0和SM1事件表示。郵箱通信主要用于對時間不敏感的場合，例如設備參數傳遞、狀態配置等。傳輸過程中采用握手機制，對應于SM0通道和SM1通道數據分別有一個本地的郵箱隊列，通信時優先處理本地數據。其基本流程如圖7所示。

圖6 事件請求處理流程框圖

圖7 郵箱通信流程框圖

3.2.3狀態機

在EtherCAT協議中，從站設備應用層的當前狀態以及狀態改變用狀態機(EtherCAT State Machine,ESM)來描述。從站軟件將從站設備的應用層狀態映射到狀態寄存器(0x0130-0x0131)，同時主站軟件負責在應用層的控制寄存器(0x0120-0x0121)給出請求從站狀態改變的事件描述。

EtherCAT設備支持4種狀態及一種可選狀態[8-9]：初始化(Init)，預運行(Pre-Op，Pre-Operational)，安全運行(Safe-Op，Safe-Operational)和運行(Op，Operational)態，可選狀態為引導態(Boot-Strap)。這些狀態間可遵循一定規則互相轉換，轉化關系如圖8所示。各狀態間只能按照箭頭方向轉化，由初始態至運行態的跳轉不可越級，從運行態返回時則可以越級，同時引導態只能和初始態進行互相轉化。

通常情況下，由主站對從站發起EtherCAT應用層的狀態改變，主站首先向從站的應用層狀態機控制位(0x0120.0-0x0120.3)寫入目的狀態，此時從站處理器將被觸發產生應用層請求事件。從站讀取到新的狀態請求后，根據自身情況進行處理，如果轉換成功，則將新的狀態寫入應用層狀態寄存器(0x0130.0-0x130.3)；若轉化失敗，則不設置新的狀態，并設置狀態錯誤指示位(0x0130.4)，并在應用層狀態碼寄存器(0x134-0x135)中寫入錯誤碼。

圖8 狀態轉化框圖

3.3 應用層接口設計

CAN板卡中需要設計網關，使得EtherCAT數據與CAN數據幀能夠相互轉化，以實現從站板卡與負載之間的CAN通信，完成對下一級設備的控制以及相應的狀態讀取。由主站輸出的數據對應的網關處理部分放在IRQ中斷中，進入中斷接收SM2通道數據后，將其成CAN數據幀格式。寫入主站的數據對應的網關處理部分由配置TMS320F2812的eCAN中斷實現，當有數據寫入時程序自動進入中斷，將其寫入SM1或SM3通道。

AD板卡使用ADS8344 芯片采樣，DSP使用SPI接口與ADS8344交換數據。AD轉換的代碼放在主循環中，每個周期最后對輸入的模擬量進行轉化，并在IRQ中斷中將其寫入SM3通道。

4 從站功能測試及分析

4.1 測試平臺搭建

本實驗搭建一個簡單的網絡平臺對EtherCAT從站的功能進行測試。EtherCAT測試網絡平臺由主站和從站接口單元構成，示意圖如圖9。 CAN板外接驅動模組及電機，AD板外接溫度傳感器。

EtherCAT網絡中主站功能全部借助軟件實現，主站設備只需有網口即可，因此測試中使用普通PC機作主站，并安裝倍福公司的官方軟件TwinCAT來模擬主站功能[10]。主從站之間通過普通網線連接，并用Wireshark軟件抓取網絡數據包并進行分析。

圖9 測試網絡示意圖

上電時，主站須讀取包含從站硬件相關信息的配置文件，并根據配置文件梳理出從站的網絡結構，以樹狀圖的形式排列顯示。網絡啟動時，主站根據從站的硬件配置文件對從站進行初始化，并向從站發出狀態改變請求，實現狀態機的逐級跳轉，直到從站進入Op狀態，表明從站可以接收相關任務分配進行數據傳輸。網絡進入正式的運行階段后，主站可與從站進行周期性的數據交互，并檢查網絡運行狀況，如發生錯誤則向從站寫入錯誤碼，停止相關任務執行，狀態機重新跳轉。

4.2 實驗及數據分析

設置PC機的IP地址，保證其與從站IP在同一個網段內，將包含從站硬件信息的配置文件放置在C:TwinCAT3.1ConfigIoEtherCAT目錄下，并通過TwinCAT自帶的Smart View進行配置文件燒寫。

4.2.1狀態機跳轉測試

在TwinCAT System Manager軟件中將網絡運行模式設置為自由運行，主站可在該模式下向從站狀態機發出指令。Requested State為主站向從站請求的狀態，Current State為從站當前狀態。當主站向從站發出請求，指令會立即達到從站并執行，如果狀態轉換成功，則Current State將在轉換后與Requested State保持一致。整個狀態轉換的完成過程非常迅速，狀態機成功跳轉的部分截圖如圖10。

圖10 狀態機跳轉截圖

4.2.2過程數據通信測試

本研究中，主站對CAN從站外接的驅動模組進行開關蓋控制時，先向驅動模組發送開抱閘指令，下一周期接收到控制指令確認信息后，向驅動模組發送開蓋指令，到位后經過200個控制周期發送停止指令，下一周期接收到控制指令確認信息后，發送關蓋指令，接收到關蓋控制指令確認信息后，下一周期發送關抱閘指令，接收到關抱閘控制指令確認信息后，控制結束。經測試，驅動模組可成功按照上述步驟驅動電機進行相應動作。

本研究中選用的溫度傳感器量程為0～100 ℃，輸出為4～20 mA，符合AD從站0～20 mA的輸入要求。經過實驗測試，溫度傳感器的采集到的溫度模擬量值經過AD從站的讀取和處理變為數字量，隨后在主站程序中轉化為對應的實際溫度數值，并由上位機接收，從而驗證了AD從站板卡的功能。主從站通信過程中Wireshark軟件抓取的部分數據包如圖11所示。

圖11 Wireshark捕獲的數據幀

通信過程中，主站周期性地向從站寫6個字節數據，并讀取3個字節數據。其中，實時性體現在數據幀從離開主站到返回主站所用的時間。對Wireshark軟件抓取的大量數據包進行統計分析，可知當主站運行在Windows操作系統下時，EtherCAT與傳統的CAN、以太網通信網絡架構的實時性能如表1所示。

表1 多種通訊方案的實時性能比較

考慮到Windows系統不是實時的操作系統，在實際應用中采用實時操作系統時，EtherCAT主從站網絡的響應時間通常只有幾個微秒，通信實時性能較傳統的CAN通信、以太網通信會有更好的體現。

4.2.3丟包率及出錯率測試

主從站進行周期通信的過程中，TwinCAT軟件可記錄丟包率及出錯率。若由主站發送的數據幀沒有成功返回，則丟幀計數器加1；若發送過程中出現錯誤或接收到錯誤的數據幀，則錯誤幀計數器加1。在TwinCAT中觀察上述數據，可分析EtherCAT網絡性能。本研究中，設置通信周期為1 ms，發送15萬幀的情況下，出錯率及丟包率如圖12所示。可知該EtherCAT網絡具有很高的可靠性。

圖12 丟包率及出錯率

5 結論

本研究描述了基于TMS320F2812和ET1100芯片的EtherCAT從站接口單元的軟硬件設計過程，并以CAN板和AD板為例，外接下一級負載搭建了實物測試平臺，對從站的狀態機跳轉、過程數據通信、出錯率和丟包率等性能進行了測試和分析，實驗證明使用本文設計的從站接口單元可以靈活地搭建車控網絡的拓撲結構，并具有很高的實時性和可靠性。本文采用模塊化的硬件設計，層次化的軟件設計，可有效加快研發速度，為通用化、模塊化的導彈發射車EtherCAT從站接口單元開發提供參考。