0 引言

    EtherCAT是由BECKHOFF提出的在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線之一，該總線具備全雙工工作模式,，可基于主站（Master）和從站（Slave）連接的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞,，且具有低延時,、高安全性的特點。EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的關(guān)鍵,，目前國內(nèi)基于EtherCAT協(xié)議的通信功能基本都采用ET1100/ET1200等從站芯片來實現(xiàn)^[1-4],。然而，由于這類芯片除基本通信功能外,，還具備大量其他功能,，而此類額外通信機制并不對我國技術(shù)人員公開，造成對此類通信芯片還無法實現(xiàn)完全自主可控,，采用有效的安全機制提升系統(tǒng)安全性更是無從談起,。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域的信息安全問題日益突出，此類不可自主可控通信芯片的應(yīng)用給我國核心控制系統(tǒng)的運行引入一定安全風(fēng)險,。為了實現(xiàn)對控制系統(tǒng)用通信芯片的完全自主可控,，基于FPGA實現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的自主化開發(fā)顯得非常必要，同時也是采用自主安全機制提升通信系統(tǒng)安全能力的重要前提,。

    基本通信鏈路是實現(xiàn)收發(fā)EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)的核心,，因此，本研究基于EtherCAT協(xié)議特征及數(shù)據(jù)傳遞機制,，設(shè)計關(guān)鍵通信節(jié)點的FPGA狀態(tài)機,，驗證FPGA實現(xiàn)EtherCAT從站控制器基本通信鏈路功能的可行性，為完善EtherCAT其他通信功能及安全機制奠定重要基礎(chǔ),。

1 EtherCAT從站控制器框架

    EtherCAT主站與各從站之間的通信鏈路如圖1所示,。通信過程中，數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設(shè)備,，數(shù)據(jù)幀通過某一從站時,，從站設(shè)備根據(jù)報文命令分析尋址到本機報文并進行讀/寫數(shù)據(jù)到指定位置，數(shù)據(jù)幀到達(dá)最后一個從站后,，該從站把處理后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站,。主站收到此上行電報后處理返回數(shù)據(jù)，一次通信結(jié)束^[5-6],。

    EtherCAT從站控制器主要包括數(shù)據(jù)幀處理單元,、EBUS接口編碼/解碼模塊、Auto-forwarder模塊,、Loop-back function模塊等,。以ET1100/ET1200從站控制器為例，其內(nèi)部框架如圖2所示,，主要包括MII,、EBUS接口，EtherCAT數(shù)據(jù)幀處理單元，現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU,，F(xiàn)liedbus Memory Management Unit）,，存儲同步管理通道（SM，SyncManager）,，分布時鐘,，PDI接口，ESC地址空間（包括寄存器和用戶數(shù)據(jù)存儲器）,，EEPROM控制,，以及狀態(tài)控制、中斷,、看門狗和物理層管理等部分,。

    其中，幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）分析并處理EtherCAT數(shù)據(jù)流?，F(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU,，F(xiàn)liedbus Memory Management Unit）是EtherCAT從站控制IP核中的核心模塊之一，用于實現(xiàn)主站對從站的邏輯尋址,。存儲同步管理通道（SM,，SyncManager）實現(xiàn)主站和本地應(yīng)用數(shù)據(jù)交換。Ethercat幀和PDI接口都必須輪詢處理器來判斷另一端是否完成訪問,。PDI接口模塊是ESC芯片的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口,。

    在FPGA實現(xiàn)EtherCAT從站控制器的過程中，如果能實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的通路,，數(shù)據(jù)幀能夠通過EBUS,、MII接口傳輸?shù)紽PGA中，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)幀進行識別并進行CRC校驗,，解包出EtherCAT的幀格式和協(xié)議命令,，并通過端口連接狀態(tài)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送。那么,，可以說明EtherCAT從站控制器是可以在FPGA中進行自主開發(fā)實現(xiàn),。在以上的數(shù)據(jù)鏈路中，EBUS接口涉及到EBUS模塊,，EBUS模塊主要對EBUS協(xié)議進行解析,，通過曼徹斯特編碼/解碼接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；FPGA將數(shù)據(jù)幀進行識別并進行CRC校驗是Auto-Forwarder模塊,；通過Loop-back function模塊將數(shù)據(jù)幀發(fā)送,。以下分別介紹上述各模塊的實現(xiàn)過程。

2 各模塊實現(xiàn)邏輯

2.1 EBUS編碼/解碼模塊

    對于EBUS實現(xiàn)方式,，EBUS接口的LVDS信號數(shù)據(jù)率是100 Mb/s,，EBUS接口是利用曼徹斯特編碼/解碼（Manchester encoded）通過LVDS方式實現(xiàn),。

    在實現(xiàn)EBUS部分時，根據(jù)EBUS協(xié)議要求,，需要實現(xiàn)曼徹斯特解碼和曼徹斯特波編碼,。其中“0”用“01”表示,，“1”用“10”表示,。EBUS協(xié)議中分為idle標(biāo)識符、開始幀標(biāo)識符（SOF）,、結(jié)束幀標(biāo)識符（EOF）,。Idle標(biāo)識符為“0”，開始幀標(biāo)識符為連續(xù)3個時鐘（200 MHz）連續(xù)的1,，結(jié)束幀標(biāo)識符為連續(xù)3個時鐘（200 MHz）連續(xù)的0,。EBUS協(xié)議如圖3所示。

    曼徹斯特編碼狀態(tài)機如圖4所示,，曼徹斯特編碼的狀態(tài)機共分為8個狀態(tài),，分別為初始1狀態(tài)（IDLE_1C）、初始2狀態(tài)（IDLE_2C）,、幀開始1狀態(tài)（SOFR_1C）,、幀開始2狀態(tài)（SOFR_2C）、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）,、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）,、結(jié)束幀1狀態(tài)（EOFR_1C）、結(jié)束幀2狀態(tài)（EOFR_2C）,，處理時鐘為200 MHz,。

    各狀態(tài)說明如下：

    IDLE_1C為初始1狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識符,，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘0’,。下一時鐘即進入IDLE_2C狀態(tài)。

    IDLE_2C為初始2狀態(tài),，對應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識符,，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘1’。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)有效時進入SOFR_1C狀態(tài),，否則進入IDLE_1C狀態(tài),。

    SOFR_1C為幀開始1狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開始幀標(biāo)識符,，下一時鐘進入SOFR_1C狀態(tài),。

    SOFR_2C為幀開始2狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開始幀標(biāo)識符,，下一時鐘進入ENCO_1C狀態(tài),。

    ENCO_1C為編碼1狀態(tài),，對應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，下一時鐘進入ENCO_2C,。

    ENCO_2C為編碼2狀態(tài),，對應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)無效時進入EOFR_1C狀態(tài),，否則進入ENCO_1C狀態(tài),。

    EOFR_1C為結(jié)束幀1狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標(biāo)識符,，下一時鐘進入ENCO_2C狀態(tài),。

    EOFR_2C為結(jié)束幀2狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標(biāo)識符,，此時一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，下一時鐘回到IDLE_1C狀態(tài)。

    曼徹斯特解碼狀態(tài)機如圖5所示,，曼徹斯特解碼的狀態(tài)機共分為5個狀態(tài),，分別為初始狀態(tài)（IDLE）、幀開始狀態(tài)（SOFR）,、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）,、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）、結(jié)束幀狀態(tài)（EOFR）,，處理時鐘為200 MHz,。

    各狀態(tài)說明如下：

    IDLE為初始狀態(tài)，對應(yīng)接收EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識符,，下一時鐘即進入SODR狀態(tài),。

    SOFR為幀開始狀態(tài)，對應(yīng)的接收EBUS協(xié)議的開始幀標(biāo)識符,，當(dāng)接收到連續(xù)3個‘1’即rx_sof_dv為1時,，下一時鐘進入ENCO_1C狀態(tài)，否則進入IDLE狀態(tài),。

    ENCO_1C為編碼1狀態(tài),，對應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，下一時鐘進入ENCO_2C,。

    ENCO_2C為編碼2狀態(tài),，對應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到連續(xù)3個‘0’時,，進入EOFR狀態(tài),，否則進入ENCO_1C狀態(tài)。

    EOFR_1C為結(jié)束幀狀態(tài),，此時已經(jīng)接收到完整的EtherCAT幀,，下一時鐘進入IDLE狀態(tài),。

2.2 Auto-forwarder模塊

    Auto-forwarder模塊是MII和EBUS模塊進入IPCORE的第一個處理模塊，主要實現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存,、檢測幀導(dǎo)碼,、錯誤檢測、將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)（Loop-back function）和幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）,。Auto-forwarder模塊實現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存功能是將EtherCAT幀數(shù)據(jù)存到FIFO中,，并經(jīng)過IPCORE處理時鐘（25 MHz）數(shù)據(jù)讀出，實現(xiàn)幀數(shù)據(jù)與IPCORE時鐘同步,，再進入到下一模塊處理,。檢測幀導(dǎo)碼是在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)有效后,，通過檢測幀導(dǎo)碼（0x55555555555555555D）,從而確定此幀為以太網(wǎng)幀,。數(shù)據(jù)檢測主要檢測3種錯誤：物理層錯誤（RX錯誤）、數(shù)據(jù)幀錯誤,、CRC錯誤,。在數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO同步后，在以太網(wǎng)幀的條件下,，進行CRC校驗,，如果CRC校驗正確，把幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)或幀處理單元中,；如果CRC校驗錯誤,，將此幀丟棄。將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)和幀處理單元是在CRC校驗正確和無其他錯誤的條件下,，將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)和幀處理單元中,。Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機如圖6所示。

    Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機共分為5個狀態(tài),，分別為初始狀態(tài)(IDLE),、檢測前導(dǎo)碼狀態(tài)(DETECT_PREAM)、檢測前導(dǎo)碼開始狀態(tài)(DETECT_START),、幀開始狀態(tài)(FRAME_START),、幀處理狀態(tài)(FRAME_PROC)。處理時鐘為25 MHz,。各狀態(tài)說明如下：

    IDLE為初始狀態(tài),，當(dāng)沒有幀數(shù)據(jù)時，狀態(tài)處于IDLE狀態(tài),。當(dāng)檢測到幀數(shù)據(jù)為5時,，進入到DETECT_PREAM狀態(tài)。

    DETECT_PREAM 為檢測前導(dǎo)碼狀態(tài),，幀接收幀導(dǎo)碼5,，當(dāng)檢測到D時,，進入到DETECT_START狀態(tài)。

    DETECT_START為檢測幀導(dǎo)碼開始狀態(tài),，在下一時鐘進入到FRAME_START狀態(tài),。

    FRAME_START為幀開始狀態(tài)，開始接收幀數(shù)據(jù),，在下一時鐘進入到FRAME_PROC狀態(tài),。

    FRAME_PROC為幀處理狀態(tài)，正式處理幀數(shù)據(jù),，當(dāng)沒有幀數(shù)據(jù)時就進入IDLE狀態(tài),。

2.3 Loop-back function模塊

    自動回環(huán)（Loop-back function）是根據(jù)端口打開狀態(tài)確定數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，IP共有4個端口,，如果當(dāng)前端口處于閉合或未建立連接狀態(tài),，則回環(huán)功能轉(zhuǎn)發(fā)EtherCAT幀到下一個邏輯端后，端口0（PORT0）的回環(huán)功能會轉(zhuǎn)發(fā)幀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)幀處理單元,。端口狀態(tài)分別為：自動閉合,、手動打開。不同端口數(shù)據(jù)幀的處理順序如下：

    (1)0→EtherCAT Processing Unit→0

    (2)0→EtherCAT Processing Unit→1 / 1→0

    (3)0→EtherCAT Processing Unit→1 / 1→2 / 2→0 (log. ports 0,1, and 2)or0→EtherCATProcessing Unit→3 / 3→1 / 1→0 (log. ports 0,1, and 3)

    (4)0→EtherCAT Processing Unit→3 / 3→1 / 1→2 / 2→0

    為便于驗證及測試,，本文重點探討雙端口情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能及測試,。

3 功能測試

    為了對基于FPGA的通信鏈路進行系統(tǒng)測試，搭建如圖7所示的測試環(huán)境,。

    其中,，EtherCAT主站是指倍福EtherCAT主站，可以將指定EtherCAT幀發(fā)送到從站中,；EtherCAT從站（ASIC）是指倍福的以ET1100芯片為核心的EtherCAT從站,，ETherCAT主站通過MII信號將EtherCAT幀發(fā)送到EtherCAT從站（ASIC）中，EtherCAT從站（ASIC）將EtherCAT幀轉(zhuǎn)換成EBUS信號,，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼therCAT測試板中,；EtherCAT測試板是以FPGA為核心的測試板。

    在測試中,，測試板通過EBUS接口,，將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)紽PGA中，F(xiàn)PGA通過EBUS解碼得到數(shù)據(jù)幀,，數(shù)據(jù)幀到FPGA將進行識別并進行CRC校驗,，解包出EtherCAT幀格式和協(xié)議命令。通過MII轉(zhuǎn)發(fā)到PC上,，PC通過wireshark進行抓包驗證數(shù)據(jù)幀的正確性,。

3.1 解碼狀態(tài)測試

    解碼狀態(tài)測試結(jié)果如圖8所示，其中rx_data_interal為EBUS差分轉(zhuǎn)單端信號,，current_state為狀態(tài)機信號,，rx_dv為數(shù)據(jù)有效信號,，rx_data為接收數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，EBUS協(xié)議的LVDS信號通過差分轉(zhuǎn)單端后，通過狀態(tài)機處理,，得到幀數(shù)據(jù),。

3.2 編碼狀態(tài)測試

    編碼狀態(tài)測試結(jié)果如圖9所示，tx_data_interal為單端信號轉(zhuǎn)EBUS差分信號,，current_state為狀態(tài)機信號,，tx_dv為數(shù)據(jù)有效信號，tx_data為接收數(shù)據(jù),?？梢钥闯觯l(fā)送數(shù)據(jù)有效后,，通過狀態(tài)機將數(shù)據(jù)單端轉(zhuǎn)差分發(fā)送出去,。

3.3 Auto-forwarder數(shù)據(jù)狀態(tài)

    經(jīng)過Auto-forwarder狀態(tài)的數(shù)據(jù)如圖10所示，其中frame為幀數(shù)據(jù),，fifo為幀數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)同步后的數(shù)據(jù)，state為狀態(tài)機信號,，frame_done為數(shù)據(jù)幀結(jié)束信號,，frame_start為幀開始信號，frame_data_valid為數(shù)據(jù)幀有效信號,，frame_crc_err為幀錯誤信號,。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)幀可以正確識別并進行解析,，在幀結(jié)束后,，可以看到frame_crc_err有一拍為低。

3.4 數(shù)據(jù)幀驗證

    用wireshark抓取的數(shù)據(jù)結(jié)果表明,，數(shù)據(jù)幀可以由FPGA正確處理,，wireshark抓取報文正確接收到EtherCAT類型的轉(zhuǎn)發(fā)報文，說明數(shù)據(jù)鏈路已打通,。

4 結(jié)論

    本文通過解析各階段數(shù)據(jù)結(jié)果,，驗證了關(guān)鍵通信鏈路上EBUS編碼/解碼、Auto-forwarder,、Loop-back function模塊的FPGA狀態(tài)機的正確性,，說明FPGA實現(xiàn)EtherCAT從站基本通信鏈路是完全可行的，為開發(fā)完善的ESC從站控制器創(chuàng)造了條件,。

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作者信息：

馬保全1，2,，姚旺君1,，2，劉云龍1,，2,，張曉莉1，2,，黃  兵1,，2，趙德政1,，2

（1.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)國家工程實驗室,，北京100083；2.華北計算機系統(tǒng)工程研究所,，北京100083）