0 引言

    EtherCAT最初是由德國的倍福公司基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)提出的工業(yè)以太網(wǎng),，是一種具有靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)^[1],。EtherCAT技術(shù)具有速度快、同步性能好,、支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀、帶寬利用率高等優(yōu)點(diǎn)^[2],。工業(yè)以太網(wǎng)中冗余技術(shù)是提高以太網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性最有效的手段之一^[3],。鏈路冗余是應(yīng)對(duì)網(wǎng)口故障（包括主站網(wǎng)卡本身故障和連接）及鏈路故障（指從站節(jié)點(diǎn)之間的鏈路存在斷開情況，如網(wǎng)線斷開）的補(bǔ)救措施,。通常在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求比較高的情況下,，就需要應(yīng)用鏈路冗余技術(shù)。鏈路冗余是一種單一容錯(cuò)機(jī)制,，即如果鏈路在某一處發(fā)生故障,，依然可以與各個(gè)從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)主要的通信方向也會(huì)恢復(fù),。如果不止一個(gè)地方發(fā)生通信中斷,，所有的必須在發(fā)生另一個(gè)錯(cuò)誤之前恢復(fù)。文獻(xiàn)[4]中介紹了一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT冗余和熱插拔技術(shù),，此種方法采用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu),，將最后一個(gè) ESC節(jié)點(diǎn)連接到主站，此種方法雖然可以解決單點(diǎn)故障,，但是在故障修理時(shí)需要斷電,，且不能解決多點(diǎn)故障。為了解決此問題,，本文通過介紹基于FPGA的EtherCAT的鏈路冗余原理,，設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動(dòng)切換,，從而實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余,，增加了EtherCAT 系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性 。

1 EtherCAT原理

    EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),，采用主從站結(jié)構(gòu),，如圖1所示,。主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站通過尋址從數(shù)據(jù)幀中抽取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀,，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站,。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報(bào)文，并由第1個(gè)從站作為響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給主站,。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡或具有以太網(wǎng)接口的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，EtherCAT從站使用專用的從站控制芯片ESC，采取接收轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,，以太網(wǎng)幀可以雙向通行,，但只有以太網(wǎng)幀由下行電報(bào)方向進(jìn)入時(shí)，相應(yīng)的報(bào)文才能得到處理,，如果指定轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)口未連接,，ESC自動(dòng)將以太網(wǎng)幀沿原入口返回。

    EtherCAT數(shù)據(jù)直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀,，使用的幀類型為0x88A4,。EtherCAT數(shù)據(jù)包括2 B的數(shù)據(jù)頭和44 B~1 498 B的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)由一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成,，每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備和從站存儲(chǔ)區(qū),。每個(gè)EtherCAT 子報(bào)文包括子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器(Working Counter,，WKC),，子報(bào)文尋址到從站節(jié)點(diǎn)并交換數(shù)據(jù)后，工作計(jì)數(shù)器將被增加,，用以記錄該子報(bào)文的處理狀態(tài),。子報(bào)文頭中，8 bit命令字節(jié)指定了子報(bào)文類型(讀寫類型,，尋址類型),；8 bit索引號(hào)給出子報(bào)文編碼。32 bit的子報(bào)文地址指定了對(duì)從站的操作地址,，尋址類型定義了尋址方式,；8 bit長度用以指示報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)；R為4 bit的保留位,；4 bit M表示本報(bào)文是否為最后一個(gè)報(bào)文,；16 bit中斷目前保留。

2 基于FPGA的鏈路冗余原理

    在EtherCAT通信鏈路運(yùn)行過程中,，可能會(huì)存在如下幾種故障：

    (1)網(wǎng)口故障,，包括主站網(wǎng)卡本身故障和連接。

    (2)鏈路故障,，指從站節(jié)點(diǎn)之間的鏈路存在斷開情況,，比如網(wǎng)線斷開,。

    為了能夠增加EtherCAT系統(tǒng)的可靠性及可維護(hù)性，在EtherCAT主站與從站的鏈路之間通過FPGA增加了冗余功能,，每一條鏈路都有對(duì)應(yīng)的冗余鏈路作為備用,。鏈路1出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過FPGA自動(dòng)切到冗余鏈路1,；鏈路2出現(xiàn)故障時(shí)，通過FPGA自動(dòng)切到冗余鏈路2,。這樣如果鏈路在某一處發(fā)生故障,，依然可以與各個(gè)從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)主要的通信方向也會(huì)恢復(fù),，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性,。

    如圖2所示，EtherCAT主從站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成框圖中,，冗余卡為基于FPGA的鏈路冗余卡,，通過通信鏈路1與主機(jī)冗余型CPU連接，冗余鏈路1與備機(jī)冗余型CPU連接,，實(shí)現(xiàn)主從站之間的主備切換冗余,。通過通信鏈路2與下一級(jí)冗余卡的鏈路1連接，冗余鏈路2與下一級(jí)冗余卡的冗余鏈路1連接,，實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余,。

3 鏈路冗余的FPGA實(shí)現(xiàn)方法

    FPGA實(shí)現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動(dòng)切換功能,。

    如圖3所示,，F(xiàn)PGA的4個(gè)接口0、1,、2,、3與4條通信鏈路通過MII（Media Independent Interface）方式連接。FPGA的4個(gè)接口分為2組,，接口0和接口1為1組,，接口2和接口3為1組，兩組的邏輯相同?，F(xiàn)以接口0和接口1說明冗余的切換方式：

    (1)FPGA復(fù)位狀態(tài)為接口,；

    (2)運(yùn)行過程中，通信鏈路1狀態(tài)不正常,，冗余鏈路1正常,，接口1切換為接口0；

    (3)冗余鏈路1正常時(shí),，通信鏈路1恢復(fù)正常,，此時(shí)不切換,，還是連接接口1；

    (4)冗余鏈路1不正常,，通信鏈路1恢復(fù)正常,，接口2切換為接口1運(yùn)行。

    接口2和接口3的切換方式與接口0和接口1的切換方式相同,。

    在FPGA實(shí)現(xiàn)過程中,，主要是通過判別兩個(gè)接口的PHY（Physical Layer）的數(shù)據(jù)連接信號(hào)（linkmii）和數(shù)據(jù)有效信號(hào)（rx_dv）判斷鏈路的狀態(tài)。其中,，接口0的數(shù)據(jù)連接信號(hào)為linkmii0,，數(shù)據(jù)有效信號(hào)為rx_dv0，接口1的數(shù)據(jù)連接信號(hào)為linkmii1,，數(shù)據(jù)有效信號(hào)為rx_dv1,。因?yàn)镻HY在數(shù)據(jù)傳輸過程中，rx_dv信號(hào)只在數(shù)據(jù)有效時(shí)拉高,，因此,，需要檢測(cè)時(shí)間閾值（cnt_time0、cnt_time1）,，即兩次rx_dv時(shí)間差,，超過時(shí)間閾值(cnt_time0=1、cnt_time1=1)認(rèn)為此接口無數(shù)據(jù)連接,。接口0和接口1的切換條件判斷為：

    (1)當(dāng)linkmii0為低,，linkmii1為高，選擇為接口0,；

    (2)當(dāng)linkmii0為高,，linkmii1為低，選擇為接口1,；

    (3)以前狀態(tài)為接口1,，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低,，rx_dv0=1,，cnt_time0=0，則選擇為接口0,；

    (4)以前狀態(tài)為接口1,，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低,，rx_dv1=1,，cnt_time1=0，則選擇為接口0,；

    (5)以前狀態(tài)為接口0,，當(dāng)linkmii0為低,，linkmii1為低，rx_dv1=1,，cnt_time0=1,，則選擇為接口0；    

    (6)以前狀態(tài)為接口1,，當(dāng)linkmii0為低,，linkmii1為低，rx_dv0=1,，cnt_time1=1,，則選擇為接口0。

    接口2和接口3的切換選擇邏輯與此類似,。

4 功能測(cè)試

    為了驗(yàn)證此鏈路冗余方法的可行性，搭建了以ALTERA公司的Cyclone III EP3C40E484i為核心的測(cè)試系統(tǒng),，此芯片有332個(gè)IO管腳,，39 600個(gè)LE，可滿足設(shè)計(jì)的要求,。根據(jù)FPGA實(shí)現(xiàn)冗余鏈路的要求,，現(xiàn)根據(jù)測(cè)試圖型將測(cè)試敘述如下：

    (1)圖4中，0時(shí)刻前為通信鏈路和冗余鏈路都沒有連接到冗余卡上（linkmii0=1,，linkmii1=1）,，此時(shí)默認(rèn)選擇接口0，0時(shí)刻后冗余鏈路連接到冗余卡上（linkmii1=0,，linkmii0=1）,，此時(shí)切換為接口1。

    (2)圖5中,，0時(shí)刻前為冗余鏈路連接到冗余卡上（linkmii1=0,，linkmii0=1），通道選擇為接口1,，0時(shí)刻后,，冗余鏈路從冗余卡上斷開（linkmii1=1，linkmii0=1）,，此時(shí)通道回到默認(rèn)接口1,。

    (3)圖6中，0時(shí)刻前為通信鏈路與冗余鏈路都連接到冗余卡上（linkmii0=0,，linkmii1=0）,，通道選擇為接口1，但此時(shí)通信鏈路有數(shù)據(jù)有效信號(hào)（rx_dv0=1）,，冗余鏈路沒有數(shù)據(jù)有效信號(hào)（rx_dv1=0）,，此時(shí)通道切換到接口0,。

    (4)圖7中，0時(shí)刻前為通信鏈路與冗余鏈路都連接到冗余卡上（linkmii0=0,，linkmii1=0）,，通道選擇為接口0，但此時(shí)冗余鏈路有數(shù)據(jù)有效信號(hào)（rx_dv1=1）,，通信鏈路沒有數(shù)據(jù)有效信號(hào)（rx_dv0=0）,，此時(shí)通道切換到接口1。

5 結(jié)論

    本文首先介紹EtherCAT的基本原理,，以增加EtherCAT系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護(hù)性為出發(fā)點(diǎn),，給出了基于FPGA的EtherCAT鏈路原理，設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)主站與從站,、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動(dòng)切換,，從而實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。通過測(cè)試驗(yàn)證此方法的可行性,，增加了EtherCAT 系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性,。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

黃  兵，豐大軍,，劉云龍,，王  皓

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）