摘  要： 介紹了一種新的實時工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT,，該工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的高度實時性,、靈活的拓撲結(jié)構(gòu)、簡單的配置方法,、技術(shù)的開放性等能有效緩解傳統(tǒng)以太網(wǎng)總線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)量小,、實時性不高、通信接口不統(tǒng)一帶來的工業(yè)控制領(lǐng)域瓶頸問題。從EtherCAT的運行原理及其從站硬件電路設(shè)計所需芯片選型入手,，對芯片的選擇以及外圍電路設(shè)計進行了詳細的描述,。通過對幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)的比較證明了該種實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩浴?/p>

　　關(guān)鍵詞： EtherCAT；PHY芯片,；從站控制器,；硬件電路

0 引言

　　隨著伺服控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)無法給伺服控制領(lǐng)域帶來飛躍性的成就,。因此,，國內(nèi)外公司紛紛提出其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議以改善這種情況，其中德國Beckhoff開發(fā)的EtherCAT以其卓越的性能及基于普通以太網(wǎng)標準的特點,，逐漸成為伺服控制總線技術(shù)的主流,。因此，深入研究EtherCAT并將其實際應(yīng)用于伺服控制領(lǐng)域具有重要意義,。

1 EtherCAT原理

　　EtherCAT采用主從式通信結(jié)構(gòu),。主站向各個從站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過各個從站時經(jīng)從站分析其中的指令進行數(shù)據(jù)的提取或插入從站自身的數(shù)據(jù),，并將工作計數(shù)器（Working Counter,，WKC）更新。最終與主站事先設(shè)置的預(yù)期WKC值作比較,，以判斷是否經(jīng)過了所有的從站并被正確處理,。由于從站對數(shù)據(jù)幀的接收與編碼及轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)的提取與插入都是通過硬件完成,，所以數(shù)據(jù)幀在每個從站停留的時間極小，保證了EtherCAT的實時性,。經(jīng)過最后一個從站處理后的數(shù)據(jù)幀將返回主站,，主站接收并處理后，一次通信完成[1],。這種通信方式不會引起通信通路的堵塞,，可保證網(wǎng)絡(luò)的實時性和正確性。整個通信過程如圖1,。

2 EtherCAT從站硬件設(shè)計

　　凡是能夠發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的設(shè)備都可以作為主站,，而且主站功能完全由軟件實現(xiàn)[1]。從站的建設(shè)則需要專用的集成電路搭建,，這也是本文研究的重點,。

　　2.1 EtherCAT從站硬件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)DSP是否支持EtherCAT，相應(yīng)的設(shè)計方法也不同,。

　　如果使用DSP支持EtherCAT,，如TI的AM3359，則信號流程圖如圖2。

　　但是目前更多的芯片內(nèi)部并沒有集成EtherCAT模塊,，在這些芯片上實現(xiàn)性能更加優(yōu)異的EtherCAT正是本文所要研究的重點,。使用未集成EtherCAT模塊的DSP建立從站硬件的信號流程圖如圖3所示[1]。

　　2.2 EtherCAT從站硬件芯片選擇

　　目前常用的從站硬件建設(shè)方法是使用德國Beckhoff公司提供的從站控制器（EtherCAT Slave Controller,，ESC）,，常用的兩種從站控制專用芯片如表1所示[1]。

　　如果只有一個從站,，則只需要一個MII端口,。但是考慮到EtherCAT可以完成一個主站和多個從站的通信，為長遠考慮,，選擇ET1100,。ET1100使用MII接口時，對外接的PHY器件特別是其時鐘源有如下要求：

　?。?）PHY芯片和ET1100使用同一個時鐘源,；

　　（2）PHY的TX_CLK信號和PHY的輸入時鐘之間的相位關(guān)系必須固定,，最大允許5 ns的抖動,；

　　（3）ET1100不使用PHY的TX_CLK信號,，以省略ET1100內(nèi)部的發(fā)送FIFO,。

　　符合以上要求的PHY芯片很多，這里選擇TI公司的TLK110,。

　　TLK110是單口10M/100M以太網(wǎng)物理層信號收發(fā)器,，它支持標準MII接口，供電靈活,，3.3 V獨立供電,，也可以使用3.3 V/1.5 V聯(lián)合供電。功耗低,，小于205 mW,，使用25 MHz時鐘源。

　　2.3 EtherCAT從站硬件電路設(shè)計

　　采用的網(wǎng)口為普通網(wǎng)口,，給TLK110傳遞的信號為兩組差分信號RD+/RD-和TD+/TD-,。另外C_YLW/C_GRN信號燈主要用來判別網(wǎng)口是否正確連接和是否正常工作。TLK110通過MII接口與ET1100通信,，其外圍電路設(shè)計如圖4,。

　　MII_RXD[3：0]要使用2.2 kΩ的電阻上拉到3.3 V，因為TLK110的RXD管腳發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信號給ET1100,，使用上拉一方面可保證發(fā)送的信號不存在0或1以外的不確定狀態(tài),，即信號的確定性；另一方面，管腳上拉提供驅(qū)動能力,，確保信號能到達ET1100,。該PHY芯片管腳所接信號既有模擬信號，又有數(shù)字信號,，在做PCB設(shè)計時容易引起數(shù)模串擾,。所以在設(shè)計原理圖時將22號管腳經(jīng)0 Ω電阻直接接到數(shù)字電源。同樣的方法處理15,、19的地信號,，從而保證TLK110所接均為數(shù)字信號，便于PCB設(shè)計同時避免模數(shù)信號串擾引發(fā)問題,。TLK110的時鐘信號由ET1100提供,，輸入到TLK110的XI管腳，而復(fù)位信號則由FPGA提供,。要實現(xiàn)EtherCAT的多從站通信,，需要兩塊TLK110芯片，另一塊芯片與該TLK110接線一致,。

　　本設(shè)計中,，ET1100通過SPI接口與FPGA相連，同時通過MII接口連接兩個PHY芯片,，并給PHY器件提供時鐘信號,。由于ET1100自身沒有如EEPROM一類的存儲器件，所以選擇帶I2C接口的EEPROM來存儲設(shè)備的配置信息,。圖5,、6為ET1100的時鐘接線圖以及外掛EEPROM接線圖。

　　ET1100的I/O管腳可以使用3.3 V或5 V供電,，并且該電壓值決定所有輸入輸出信號的電壓,。一般選擇 3.3 V電壓供電。所有VCCIO和GNDIO之間都要接濾波電容,。ET1100內(nèi)核和PLL供電電壓為2.5 V,，既可由外部提供也可由芯片內(nèi)部通過轉(zhuǎn)換I/O口電壓得到,。同時,，VCCcore和GNDcore之間也需要使用濾波電容連接。如圖7,。

　　該芯片復(fù)位為低電平復(fù)位,，復(fù)位信號來源為FPGA，按鍵復(fù)位設(shè)計如圖8,。

　　一般情況下FPGA_Switch置于高電平,，需要復(fù)位時手動按下復(fù)位按鍵，F(xiàn)PGA_Switch變成低電平，此時FPGA經(jīng)內(nèi)部編程實現(xiàn)給其他芯片提供低平復(fù)位信號,。

　　在本設(shè)計中,，ET1100不直接與DSP相連，信號流程圖如圖9所示,。

　　ESC與DSP之間可通過過程數(shù)據(jù)接口（Process Data Interface,，PDI）連接，一般使用的有數(shù)字量I/O接口,、SPI從站接口,、并行微處理器總線接口。由于SPI接口占用的管腳比較少,，其他的管腳可以作為普通的I/O口使用,，包括16個通用數(shù)字輸入引腳和16個通用數(shù)字輸出引腳[1]，所以采用SPI接口連接ESC與DSP,。一般情況下,，ET1100直接與DSP相連，但是這里在中間加入FPGA,，雖然運行時間會因此增加幾微秒,，但是由于硬件電路的可變更性比較低，作為實驗板卡的設(shè)計,，要盡量考慮功能的豐富性以及使用的長遠性,，所以這里將網(wǎng)口數(shù)據(jù)通過FPGA，以便于日后需要作出更改時,，不必更改硬件線路,，只需改寫FPGA程序。另外,，加入FPGA便于引出測試點,，可隨時監(jiān)測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

3 實驗性能分析

　　在表2的實驗條件下,，對各個以太網(wǎng)協(xié)議傳輸速率進行比較,，得到如表3[2]所示數(shù)據(jù)。

　　表3中的數(shù)據(jù)顯示各個實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在同一實驗條件下的數(shù)據(jù)傳輸時間,。由表中數(shù)據(jù)明顯可以看出,，EtherCAT傳輸?shù)攘繑?shù)據(jù)所用時間遠遠小于其他以太網(wǎng)協(xié)議，即EtherCAT的高速性相對突出,。

4 結(jié)論

　　本文針對傳統(tǒng)以太網(wǎng)總線技術(shù)存在的短板,，介紹了一種新的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT。通過對EtherCAT運行原理的分析,，詳細描述了如何利用不含EtherCAT控制模塊的DSP搭建EtherCAT從站硬件,，包括從站硬件設(shè)計中的芯片選型以及電路設(shè)計,，并通過比較各個工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率，最終證明了EtherCAT高速傳輸方面的卓越性能,。但是由于時間,、實驗條件以及個人能力所限，對EtherCAT的探究目前僅限于實驗室中,。如何將這種優(yōu)秀的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實際工業(yè)控制領(lǐng)域中需要進行更加深入的研究,。

參考文獻

　　[1] 郇極，劉艷強.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2010.

　　[2] ETG. EtherCAT_Introduction_CN[EB/OL].（2012-09-20）[2014-02-26]. http：//www.ethercat.org.cn.