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实时以太网EtherCAT从站的硬件系统设计.docx

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实时以太网EtherCAT从站的硬件系统设计.docx

上传人:xiaobaizhua 2022/5/14 文件大小:321 KB

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实时以太网EtherCAT从站的硬件系统设计.docx

文档介绍

文档介绍:实时以太网EtherCAT从站的硬件系统设计
摘要:本文介绍了 EtherCAT的工作原理、通信协议和基于专用芯片ET1100的从站硬 件设计。 Development Board开发平台和TwinCAT行通信。 从站接口卡的整体硬件电路如图3所示。EEPROM采用的是24LC16B,存储ET1100的配置信 息;电源模块采用的是体积小、价格便宜的SP6205EM, V电压;物理芯片选择 的是KSZ87 21;RJ45选择的是集成了变压器接头的HanRun HR911105A。

ET1100是一个功能强大的从站控制器,可以提供4个物理通信端口,实现各种类型的 拓扑结构,且每个端口皆可配置为MII或EBUS两种类型。通信端口类型配置无需软件编程, 可直接通过对
ET1100的外围引脚P_MODE[1: 0]和P_CONFIG[3: 0]进行上拉或者下拉获得。
EBUS,EBUS传输介质使用低压差分信号LVDS,最远传输距离为10m。
LIWK_M1I
0X<XK
■ 「—
RX_DV
■*Rx5p:()]
I *RX' ER_"
PHY TX-
物理芯片
KSZ872]
HR9I II05A
其中,P_CON FIG[3: 0]决定通信接口的类型,P_M0DE[l: 0]决定通信接口的数目。ET1100 使用MII接口时,需要外接以太网物理层芯片,并且为了降低处理/转发延时,ET1100的MII 接口省略了发送FIFO,最远传输距离为100m;E therCAT协议自定义了一种物理层传输方式
因而后续的测试实验中使用SPI接口与测试开发板进行连接。
1
E therCAT
PHY RX+
本设计中,物理通信端口使用的是端口 0与端口 1,且使用能传输100 m的MII类型, 则有如下配置信息:P_MODE[0: 1]下拉决定端口 0与端口 1被使能用,而P_C0NFIG[0: 1] 上拉表示端口 0与端口 1使用MII类型。本文物理芯片选用的是KSZ8721,其电路连接图如 图4所示。

从站控制芯片ET1100的应用数据接口又称为过程数据接口,简称为PDI。PDI是微处 理器与ET1100进行数据交换的接口,是底层接口电路,为上层复杂的应用协议提供硬件基 础。ET1100的PDI接口可分为SPI接口、微处理器接口和数字量I/O接口,这三种接口的 实现通过PDI控制寄存器0x140取不同的值来实现。而ET1100中控制寄存器的值是上电时 自动加载EEPROM中用户配置的数据,并且ET1100提供一专用引脚来表征此配置信息是否被 正确加载。当此引脚信号为高电平时,表示配置信息被正确加载,此时端口才会被激活。本 设计中三种接口方式皆可以使用,但是SPI接口具有接线少、使用方便、传输速度快等优势,
综合以上信息,本文详细介绍了从站硬件整体框图、ET1100的物理通信端口、PDI接口 以及外围芯片具体选型与使用,最终设计的具体电路的实物图如图5所示。
EtherCAT从站软件设计
EtherCAT从站的软件设计主要包括微处理器的软件设计和ET1100的软件设计。在本设 计中,由于嵌入式主站的设计工作很复杂,所以本测试的主站由PC机担任,PC机通过倍福 公司的TwinCAT软件实现主站功能,主要负责所有从站设备的工作状态以及管理主从站之间 的数据通信。
ET1100的软件设计就是把配置好的与硬件相符的XML文件烧写到EEPROM中,最终实现 主从站之间的通信。微处理器dsPIC30F6014A的软件设计通过操作ET1100实现应用层协议, 其任务主要完成dsPIC30F6014A硬件的初始化、ET1100的初始化以及过程数据的处理等。
非周期性数据通信与周期性过程数据通信是EtherCAT网络中主从站之间数据交换的两 种形式。周期性过程数据通信采用现场总线逻辑单元进行寻址,缓冲区可以被主从节点同时 访问;非周期性数据通信采用邮箱方式进行,邮箱数据通信使用两个存储同步管理通道,通 常主站到从站通信使用SMO,从站到主站通信使用SM1,它们可被配置成一个缓冲区方式, 使用握手来避免数据溢出,只有把缓冲区数据写满后,另一端才能读取,并且只有当内存中 的数据全部读出时,一端才能重新写入数据。本实验中,从站程序采用的是非周期性数据通 信,并且采用的是查询方式,程序流程图如图6所示。
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