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软件,验证了EtherCAT主从站之间的I/O开关量的通信,并通过SOEM软件和Linux平台,验证了EtherCAT从站接口卡的实时性能。
引言
将以太网技术应用于工业控制领域形成的工业以太网技术是当前工业控制网络和现场总线技术的一个很重要的发展方向。与传统的现场总线相比,以太网现场总线具有性价比高、传输速度快、数据量大、可接入标准以太网端等优点。目前,主要的实时以太网有如下几种:Pro 、、EtherCAT、 PowerLink、Modbus-RTPS、SERCOS III,以及我国自主研制的EPA等。
EtherCAT技术是由德国Beckhoff自动化公司提出的,该技术以其优越的性能获得越来越多的关注。2003年底成立的ETG( Techno logy Group)组织负责EtherCAT技术的维护和推广。该组织已经拥有逾千个成员,很多成员已经推出相关产品。相关产品的研发主要来自国外,如以色列Elmo公司已推出基于EtherCAT的Elmo伺服直流驱动器(Elmo Golden);而国内在此领域还处于起步阶段,只有少数公司有所涉及,如上海新华集团公司开发了一套基于EtherCAT技术的DCS控制系统等。对此,本文对工业以太网EtherCAT从站的硬件和软件部分进行开发,最终通过实验验证了所开发的EtherCAT从站具有较高实时性,满足工业控制需求。
1 EtherCAT技术介绍
EtherCAT组成及运行原理
EtherCAT使用全双工通信技术构成主从结构,主站使用标准的以太网控制器,传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP双绞线缆;从站由专用控制芯片或者FPGA IP核构成,TI公司已推出带有EtherCAT功能的微控制器M335X。
EtherCAT的运行原理如图1所示,图中j为从站个数,j=1,2,…,i,…,n。主站发出下行电报,数据帧遍访所有从站,在数据帧到达每个从站时,从站解析出本机报文,并对报文数据进行处理,然后将该数据帧传输到下一个从站,从站再进行类似的处理,直至传输完整个回路。最后一个从站发回经过完全处理的数据帧,并由紧挨着主站的从站作为响应,将数据帧发送给主站,完成一个周期的数据处理。
EtherCAT协议
EtherCAT的数据帧结构如图2所示。从图中可以看出,它采用的是标准的以太网帧结构,帧类型为0x88A4。数据包由EtherCAT头和Ether CAT数据组成,而若干个子报文又组成了数据区。子报文又由子报文头、数据域及工作计数器组成。子报文头决定该子报文应传
输到对应的从站,以及该从站对子报文进行读或者写操作。在主从站通信的过程中,16位的工作计数器(WKC)的值显得尤为重要。主站发起周期控制的时候,预先给定WKC一个值,当数据帧遍历完整个设备的时候,通过对比返回的WKC值,可以验证数据报文是否被EtherCAT从站节点正确处理。
2 EtherCAT从站硬件设计
整体结构
本文设计的从站硬件电路由物理通信接口、从站控制器及