基于Windows 套接字的Ethercat 主站協議棧設計與實現

柳 青

（北京電子科技職業學院， 北京 100176）

0 引言

Ethercat 作為一種開放式高速實時以太網廣泛應用于運動控制、自動化等領域。在當前Ethercat 主站的研究中為了追求實時性能和高精度時鐘同步， 對系統的軟件或硬件都提出了特殊要求。 蔣杰等通過改造Linux 內核在X86 平臺上實現了Ethercat 主站[1]，孫躍祥等在Xilinx Zynq-7000 處理器構建了嵌入式Ethercat 主站[2]。

然而在物料傳輸、 工件檢測等對實時性要求不高的系統中，如果采用上述方案則存在系統復雜，成本高，開發周期長等問題。 因此提出了這一種在Windows 平臺上采用網絡套接字來實現Ethercat 主站協議棧的方法。 該方法基于Ethercat 規范中Ethercat UDP/IP 報文格式，將Ethercat 報文嵌入udp 數據包的方式，不需要專用硬件或者特殊網卡驅動，協議棧配置靈活，可移植性好。

1 整體架構設計

Ethercat 主站的主要功能是對從站的配置、 數據交換、為應用程序提供編程接口，因此該將協議棧設計為三個線程模塊和一個數據模塊。 三個工作線程分別負責應用程序接口、Ethercat 報文生成、解析與收發、配置服務通信。 每個線程都可以訪問數據模塊中的數據，線程之間通過數據模塊交互信息，協議棧架構見圖1。

圖1 Ethercat 主站協議棧框架

數據模塊包含了每個從站的信息，包括：基本信息，如從站位置、生產廠商、版本號等；配置信息，主站對從站初始化時，需要對其SM 和FMMU 進 行 配置，否則在從站狀態轉換時會出錯，另外在使用PDO 通信時，也必須對從站1C12、1C13 等對象進行配置[3]，以映射報文中的數據到從站的字典對象中。 從站結構體代碼如下所示：

2 Ethercat 報文解析

Ethercat 協議使用標準的IEEE 802.3 以太網幀傳輸數據，作為一種開放式實時以太網協議，支持UDP/IP 傳輸協議[3]，在這種模式下，將Ethercat 報文作為UDP 的數據，Ethercat 從站控制器就可以識別并處理數據包。 為了能夠區分Ethercat 報文和其他報文， 協議規定了Ethercat 使用的UDP 端口為0x88A4，Ethercat UDP/IP 報文格式如下：

報文頭規定了該報文的指令類型、 數據地址以及數據長度，數據部分是報文攜帶的數據信息，對于讀報文，從站控制器將從站數據復制到該區域，對于寫報文，從站控制器將該區域的數據復制到從站對應的內存中。 從站控制器會根據每次報文的執行結果更新該字段， 主站通過檢查該字段來判斷報文指令是否執行成功。Ethercat 報文生成函數如下：

3 配置與服務線程

Ethercat 主站在初始化階段需要掃描網絡，并對各個從節點進行配置[5]，另外應用程序對界面服務數據的讀寫需要SDO 通信， 這些任務都需要通過幾個階段來完成，會消耗比較多的時間， 為了避免執行這些任務導致應用程序阻塞，將這些任務在一個單獨的線程中執行，應用程序可以很快得到返回。

該線程不斷查詢數據模塊中的控制字， 輪詢應用程序請求類型，收到請求則會調用相應的處理函數，在處理函數中，不斷改變處理狀態，以使應用層可以掌握處理進度及結果。 處理完成后，將請求字段復位，以便接受下一次請求。 配置流程如下：

（1）采用FBWR 指令掃描總線網絡，讀取設備ID 等。

（2）配置SM 寄存器。

（3）計算FMMU，并配置FMMU 寄存器。

（4）配置SDO、PDO。

（5）狀態轉換。

4 通信實驗

為了驗證協議棧的正確性， 采用德國倍福公司的Ethercat 從站模塊進EL2889、EL1889 進行通信測試，實驗實物見圖2。 采用Wireshark 軟件抓取通信數據包，抓取的數據包見圖3。

圖2 Ethercat 通信實驗平臺

圖3 Wireshark 抓包數據

在圖3 中，以第497 個數據包為例，主站計算的IP地址為192.168.0.100， 目 的IP 設置為192.168.0.255，目的端口號設置為0X88A4， 十進制表示為33980，該數據包為協議棧發出的APWR 指令，數據長度為2，WKC 為0。 第498 個數據包為從站返回的應答包， 可以看出數據部分發生變化，WKC 也變為1， 說明Ethercat 從站已經成功處理該數據包，協議棧可以和從站正常進行數據交互。

5 結論

闡述了基于Windows 套接字的Ethercat 主站協議棧設計方法，根據Ethercat UDP/IP 規范，將Ethercat 報文嵌入到udp 報文中， 避免了使用專門硬件或者開發特殊網卡驅動，實現了主站對從站的寄存器讀寫，并詳細設計了主站對從站的配置流程，最后通過Wireshark 軟件抓取通信數據包，實驗表明：協議棧能夠與從站進行數據交互，設計簡單、配置靈活，有利于Ethercat 協議在通用Windows平臺上的應用。