基于IGH EtherCAT多域的過程數(shù)據(jù)傳輸方案研究

張玉龍 張春雷 王亞熙 朱中慶

（四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610065）

EtherCAT技術(shù)具有實時性好、抗干擾能力強以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢[1]，廣泛適用于機器人、機床以及半導(dǎo)體制造機器等領(lǐng)域。目前，EtherCAT主站技術(shù)主要有倍福的TwinCAT、Acontis、IGH、SOEM、KPA和RSM-ECAT[2]。其中，開源技術(shù)架構(gòu)有EtherLAB推出的IGH EtherCAT和RT-LAB推出的SOEM。研究采用的G主站是基于IGH實現(xiàn)的EtherCAT主站方案。IGH EtherCAT提出了域（Domain）的概念，用來管理過程數(shù)據(jù)映射和管理交換過程數(shù)據(jù)對象（Process Data Object，PDO）的數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)。目前，使用的G主站使用一個域來進(jìn)行映射管理所有從站的過程數(shù)據(jù)。

EtherCAT總線可以連接多個不同支持EtherCAT協(xié)議的伺服從站或者輸入輸出模塊，而其中不同從站之間執(zhí)行任務(wù)所需要的同步周期并不相同。當(dāng)從站過多、過程數(shù)據(jù)量接近一以太網(wǎng)幀時，使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方式將因為數(shù)據(jù)超幀無法實現(xiàn)對從站的配置而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。此時，顯示錯誤的信息為“EtherCAT ERROR：Failed receive FMMC clearing datagram”，結(jié)果是從站無法從PreOP轉(zhuǎn)變到SafeOP直至OP。同時，在這種傳輸方案下，所有從站使用同一個周期進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，有些過程數(shù)據(jù)變化緩慢，不需要高的交換速度，導(dǎo)致帶寬浪費，降低了從站控制的靈活性。

為了解決現(xiàn)有傳輸方案中數(shù)據(jù)超以太網(wǎng)幀時無法正常工作的問題，結(jié)合IGH原理提出新的傳輸方案，通過在主站側(cè)創(chuàng)建多個域完成對從站的過程數(shù)據(jù)映射。

1 EtherCAT技術(shù)分析

1.1 EtherCAT基本原理

EtherCAT運行過程中，主站發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀從主站出發(fā)，依次通過每個從站節(jié)點再返回到主站[3]。主站是唯一允許發(fā)送幀的節(jié)點，從站只能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，同時將主站發(fā)送給該從站的指令獲取復(fù)制到內(nèi)存區(qū)域，以及將需要發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)幀。EtherCAT傳輸原理如圖1所示。

圖1 EtherCAT傳輸原理

從站的輸入輸出過程數(shù)據(jù)是通過域進(jìn)行映射的。所有從站的過程數(shù)據(jù)由一個域進(jìn)行映射的傳輸方式是目前G主站正在使用的，而通過將不同從站進(jìn)行分組，映射到不同的域，然后周期性地交替發(fā)送不同從站組的過程數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)幀超出以太網(wǎng)幀的限制。在周期性過程數(shù)據(jù)傳輸中，也會通過郵箱數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行主從站配置。

1.2 EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸過程分析

1.2.1 周期性過程數(shù)據(jù)傳輸

在周期性過程數(shù)據(jù)傳輸中，主站和從站有自由運行模式（簡稱Free Run模式）、同步于數(shù)據(jù)輸入或輸出事件模式（簡稱SM模式）和同步于分布時鐘同步時間模式（簡稱DC模式）3種同步運行模式[4]。因為一般多采用DC模式或者SM模式，所以以這兩種同步模式為基礎(chǔ)來分析周期性過程數(shù)據(jù)傳輸。

EtherCAT數(shù)據(jù)幀到達(dá)從站后，從站設(shè)備收到一個邏輯尋址的EtherCAT數(shù)據(jù)子報文，ESC通過檢查是否出現(xiàn)FMMU地址與數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)地址對應(yīng)的情況。若需要給該從站寫入數(shù)據(jù)或需要從該從站讀取數(shù)據(jù)，將該段數(shù)據(jù)復(fù)制到從站的RAM區(qū)域或者將SM3緩存區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)幀[5]。此時，同步管理產(chǎn)生相應(yīng)中斷，通知應(yīng)用層等待處理實時數(shù)據(jù)，利用同步信號保證所有從站的同步性。接收過程數(shù)據(jù)后，根據(jù)同步管理器分配對象的描述，將獲取的過程數(shù)據(jù)對象賦值到從站的PDO應(yīng)用對象中。

1.2.2 非周期性郵箱數(shù)據(jù)傳輸

EtherCAT非周期性數(shù)據(jù)傳輸也稱為郵箱數(shù)據(jù)傳輸，用于配置周期性過程數(shù)據(jù)通信或者其他非周期性服務(wù)。通常郵箱數(shù)據(jù)通信只對應(yīng)一個從站，報文采用設(shè)置尋址模式。EtherCAT數(shù)據(jù)幀到達(dá)從站后，對比地址與數(shù)據(jù)幀中的站點地址是否一致，一致則與從站內(nèi)部RAM區(qū)域進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，通過工作計數(shù)器數(shù)值是否增加來判斷是否成功讀寫命令[6]。獲取數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實現(xiàn)對非周期性過程數(shù)據(jù)的處理。

2 傳輸方案設(shè)計

在主從站之間建立通信，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前做好主從站之間的配置。采用的主站程序的初始化配置流程圖，如圖2所示。先請求EtherCAT主機，接著創(chuàng)建進(jìn)程數(shù)據(jù)域domain(s)。為了能夠進(jìn)行周期性過程數(shù)據(jù)交換，至少需要創(chuàng)建一個過程數(shù)據(jù)域。一般采用一個域來進(jìn)行映射和管理過程數(shù)據(jù)對象。進(jìn)行必要的配置工作獲取從站配置，如配置PDO、DC等[7]。應(yīng)用層通過從站配置（預(yù)期的從站非實體從站）告知主站從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（連接方式星型環(huán)形之類的連接）。參數(shù)有總線位置（別名和位置），一般別名設(shè)置為0，還包括生產(chǎn)商id和產(chǎn)品碼。主站檢查該位置處是否有一個匹配的實際從站設(shè)備，如果有，從站的相應(yīng)配置將附加到實際的從站設(shè)備上進(jìn)行配置。主站激活后，針對從站PDO的配置才會實際分配每個域的邏輯地址，域再對從站FMMU進(jìn)行邏輯地址分配。主站激活后可以進(jìn)入周期性任務(wù)。主從站進(jìn)入OP狀態(tài)后，從站能夠接收輸入數(shù)據(jù)，同時傳遞輸入過程數(shù)據(jù)。

圖2 主站初始化配置過程

2.1 從站增加過程數(shù)據(jù)量

考慮從站后續(xù)用途和測試需要，需要增加某一從站模塊過程數(shù)據(jù)量，而新修改的從站需要有一個自己的xml文件，或者選擇B1E的xml作為基礎(chǔ)進(jìn)行添加修改。B1E原使用RxPDO（0x1600）和TxPDO（0x1A00），共44 Bytes數(shù)據(jù)。增加0x1601和0x1A01作 為RxPDO2和TxPDO2，利 用xmlspy軟件打開B1E的ESI.xml文件，修改Dictionary下的DataTypes和Objects，增加自定義的DT1601和DT1A01數(shù)據(jù)類型，同時在Objects增加若干PDO對象條目對象在0x1600、0x1601、0x1A00和0x1A01中。DT1C12和DT1C13都增加一個子項目，變成兩個子項目。在0x1c12和0x1c13分別增加數(shù)據(jù)1601和1A01。在RxPDO和TxPDO元素下添加并修改PDO Entry，修改完成后，利用Twincat將新的ESI.xml加載到從站的EEPROM中，在Twincat中檢查是否出現(xiàn)錯誤，并且是否能夠進(jìn)入OP。

2.2 G主站原有傳輸方案

主站啟動后與從站建立聯(lián)系，待進(jìn)入OP狀態(tài)后，進(jìn)行周期性任務(wù)流程，即周期性讀寫數(shù)據(jù)并發(fā)送給各從站。受以太網(wǎng)幀的限制，過程數(shù)據(jù)要限制在1 300 Bytes以內(nèi)，保證整個數(shù)據(jù)幀在1 516 Bytes內(nèi)。原有傳輸方案PDO傳輸如圖3所示。

圖3 原有傳輸方案PDO傳輸

2.3 多域傳輸方案

為了在移植后的主站上控制較多從站，從站總過程數(shù)據(jù)量超過1 300 Bytes。在原有單幀無法順利傳輸周期性數(shù)據(jù)的情況下，使用兩個域管理映射從站。如圖4所示，將從站分配給domain1和domain2兩個域。主從站之間的初始化配置過程與原有方式類似，區(qū)別在于過程數(shù)據(jù)映射到兩個域中，可以在兩個數(shù)據(jù)幀中進(jìn)行傳輸，因此可以避免多過程數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)超幀的問題。由于兩個域可以采取不同的周期進(jìn)行傳輸，應(yīng)用中盡可能利用帶寬，減少因高頻次數(shù)據(jù)交換可低頻次交換數(shù)據(jù)造成的帶寬浪費。

圖4 多域傳輸方案PDO傳輸

3 測試與結(jié)果分析

根據(jù)新的需求修改主從站應(yīng)用程序，運行應(yīng)用程序即可啟動主站，因為一般從站過程數(shù)據(jù)量不大。為了實現(xiàn)超以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的效果，將B1E從站模塊的過程數(shù)據(jù)量增加到500 Bytes。一方面需要保證從站能夠進(jìn)入OP狀態(tài)，軸從站可以進(jìn)行運動，另一方面通過ET2000和Wireshark抓包工具分析修改后主從站通信過程的實時性能否滿足原有要求。主從站設(shè)置DC同步模式，同步周期設(shè)置為2 ms，軸從站設(shè)置為CSP模式。Wireshark抓取的數(shù)據(jù)報文是通過ET2000抓取的，每條報文有ET2000打上的時間戳，最小分辨率為1 ns。通過Wireshark抓取的報文周期，分析對比修改后的實時性能否滿足要求，測試方案如圖5所示。首先將ET2000串聯(lián)到主從站之間，其次ET2000的千兆網(wǎng)口連接到PC端，再次PC端運行Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析工具，最后通過使用Wireshark對總線上的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行抓取，并將其存儲在PC上以便進(jìn)一步分析[8]。啟動時，主站程序會記錄主站端周期。為保證從站運行時和Wireshark抓包計算抖動有共同的基準(zhǔn)位置，從進(jìn)入OP后開始計算。

圖5 測試方案

3.1 利用雙域控制從站

先驗證在移植后的主站上使用雙域控制從站的可能性，以及其實時特性是否能夠滿足要求。驗證時采用4臺A1E，將其分成domain1映射一臺A1E，domain2映射3臺A1E。使用domain1的設(shè)置為任務(wù)1，使用domain2的設(shè)置為任務(wù)2，采取任務(wù)1和任務(wù)2同時執(zhí)行、交替執(zhí)行或者任務(wù)2每周期執(zhí)行，任務(wù)1隔一周期執(zhí)行一次，經(jīng)驗證此方法可行。此次，采取一次傳輸domain1映射的過程數(shù)據(jù)，一次傳輸domain1和domain2映射的數(shù)據(jù)，同時抓取domain1和domain2映射過程數(shù)據(jù)進(jìn)行交替?zhèn)鬏敗?/p>

在前一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗證更多從站控制的可能性，利用多域控制的特點，解決總過程數(shù)據(jù)量加上其他子報文超出一以太網(wǎng)幀的情況。實驗中，驗證27臺A1E加上1臺B1E從站仍能夠進(jìn)入OP狀態(tài)并且正常工作，再增加1臺A1E就會使有些周期總數(shù)據(jù)量超過以太網(wǎng)幀的限制，出現(xiàn)EtherCAT錯誤。按照圖4提到的傳輸方案進(jìn)行實驗驗證，將28臺A1E和B1E分別映射到domain1和domain2中。

3.2 性能對比分析

通過ET2000和Wireshark抓取數(shù)據(jù)幀，將進(jìn)行周期性讀寫PDO的數(shù)據(jù)保存，并利用編寫的程序?qū)С觯藭r每兩條數(shù)據(jù)幀時間戳的差值就是EtherCAT過程數(shù)據(jù)發(fā)送周期。單域目前只能實現(xiàn)控制27個A1E從站和1個B1E從站，每個A1E過程數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)量為30 Bytes，無法映射控制28臺A1E和B1E的情況。使用雙域按照多域傳輸方案進(jìn)行映射從站并傳輸。這兩種情況的抖動數(shù)值如圖6、圖7和表1所示。圖6表明，主站在單域情況下的最大抖動在200 ns內(nèi)。經(jīng)過修改使用雙域解決超幀問題時，主站抖動在6 000 ns內(nèi)，見圖7。可見，相對于單域進(jìn)行傳輸，雙域在數(shù)據(jù)實時性方面存在不足。

表1 單域傳輸和雙域傳輸抖動情況對比

圖6 單域映射27臺A1E和B1E傳輸抖動

圖7 雙域映射28臺A1E和B1E傳輸抖動

4 結(jié)語

本文研究了多域映射從站控制下的主站應(yīng)用程序的流程和周期任務(wù)的實現(xiàn)，以及增加從站模塊B1E的過程數(shù)據(jù)量，利用原有已開發(fā)的主站進(jìn)行驗證實驗，驗證通過雙域控制的可行性和通過雙域控制可以在以太網(wǎng)幀長度限制下盡可能控制更多的從站以實現(xiàn)傳輸?shù)撵`活性，同時實現(xiàn)了IGH設(shè)計domain節(jié)約帶寬的需求。與原有主站控制相比，它適用于一些有實時性要求的場合，后續(xù)會根據(jù)抖動情況做進(jìn)一步改進(jìn)。