基于EtherCAT工業現場總線的數據采集系統

文/劉明

1 EtherCAT簡介

在工業自動化領域，數據傳輸一般具有以下特點：

（1）強實時，有確定的響應周期要求；

（2）系統節點數量眾多，節點數據表現為周期性的過程數據；

（3）和IT、辦公應用相比，成本顯得尤為重要。

為了滿足上述要求，德國倍福（Beckhoff）公司提出一種開放式的基于以太網的實時現場總線系統EtherCAT。EtherCAT使用和以太網標準IEEE802.3相同的幀結構和物理層，同時又拋棄了傳統的基于TCP/IP的協議架構。在EtherCAT總線系統中，報文的發送和接收是主從式的，只有主站能夠主動發送報文，從站從上游節點接收報文，轉發到下游節點。通過這種方式，報文依次傳遞到每個從站。從站從接收到的報文中截取自己需要的數據，并在向下一個節點轉發時將數據插入到報文中。這樣，報文的延遲就只有硬件傳播延遲，而不存在軟件協議棧延遲。EtherCAT從站使用專門的控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）實現報文接收、數據插入和轉發功能。

圖1：從站硬件系統框圖

2 EtherCAT從站設計

2.1 EtherCAT從站硬件設計

EtherCAT從站需要通過專用的從站控制器連接到EtherCAT系統中。從站控制器既可以是芯片，也可以是IP核。本系統使用倍福公司生產的芯片ET1200作為從站控制器，使用STM32F103作為從站控制微處理器。從站硬件系統框圖如圖1所示。

2.2 EtherCAT從站工作模式

為了確保EtherCAT從站在加入網絡時處于安全狀態，EtherCAT從站在啟動后需要通過一系列的狀態切換之后才能執行完整功能。EtherCAT從站狀態序列和對應功能如下：

（1）初始化,此時所有輸出功能都要置于不影響系統安全的狀態；

（2）預運行，初始化完成，可以進行Mailbox通訊；

（3）安全運行，主站可以讀取過程輸入，但從站任何輸出功能仍然關閉；

（4）運行，系統所有功能完全展開。

2.3 EtherCAT從站軟件設計

良好的模塊化是一個健壯的軟件系統的基礎。根據模塊功能的不同，EtherCAT從站代碼框架包括三個部分：

（1）硬件抽象層，負責處理不同的底層硬件接口；

（2）協議棧層，負責處理協議細節；

（3）應用層，負責用戶邏輯。

倍福公司提供了圖形界面配置工具SSC（Slave Stack Code）來生成一個基本的從站代碼框架，在這個框架中提供了EtherCAT協議棧和基本的應用層代碼流程。根據本系統的具體硬件連接情況，在SSC中的主要配置參數如下：

（1）打開MCI_HW，表示使用通用外部總線接口；

（2）打開CONTROLLER_32BIT，表示控制處理器是32位微處理器；

（3）打開16BIT_ACCESS，表示微處理器與ET1200之間使用16位總線接口；

（4）根據系統中使用的EEPROM容量修改ESC_EEPROM_SIZE參數

硬件配置參數修改完成后，還需要根據具體應用情況創建應用程序配置。首先在SSC配置工具中通過Tool->Application->Create New生成一個空白的應用程序配置，然后根據實際應用填入相應的描述信息。作為一個數據采集系統，至少需要兩個字段表示有效數據：第一個字段是AD輸出值；第二個字段是信號狀態，如過載、欠載等。

應用程序配置完成后，SSC就可以生成協議棧代碼。接下來我們需要根據所設計的系統功能編寫應用層代碼。應用層代碼首先調用HW_Init初始化ET1200內部寄存器，然后調用MainInit初始化協議棧，最后調用MainLoop進入協議主循環。此時，從站代碼已具備了一個完整的協議流程框架，可以根據主站指令進入或退出OP模式，但還沒有發送采集數據的功能。

協議棧通過回調函數的方式調用應用相關的功能代碼。對于本數據采集系統，應用層代碼的主要功能是將采集數據傳送給主站。相應的代碼在回調函數APPL_InputMapping(UINT16* pData)中：

3 EtherCAT主站硬件設計

3.1 EtherCAT主站硬件設計

倍福公司使用通用PC作為EtherCAT的主站硬件。為了實現EtherCAT協議所要求的實時性，倍福公司提供了實時網卡驅動程序，用來替換通用網卡驅動程序。替換后設備管理器里網卡型號顯示為TwinCAT-Intel，表示網卡實時驅動安裝成功。

3.2 EtherCAT主站軟件設計

SOEM（Simple Open EtherCAT Master）是一個開源的EtherCAT主站庫，向上層應用程序提供收發EtherCAT數據幀接口。該函數庫完全用c語言寫成，可移植性好，本系統使用SOEM作為主站軟件的底層EtherCAT函數庫。主站應用程序與SOEM之間的接口如下：

4 結束語

實踐表明，基于EtherCAT的數據采集系統結構靈活，可伸縮性好。每個采集點的數據在一個EtherCAT數據幀中只占3個字節，按最長EtherCAT數據幀1486字節計算，整個系統可接入近500個采集點。因此，本系統可適用于多種測點分散的數據采集場合。