0 引言

    EtherCAT是由BECKHOFF公司提出的一種高性能工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)^[1],，它采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3的物理層，具有數(shù)據(jù)傳輸速度高,、實(shí)時(shí)性好,、拓?fù)潇`活和實(shí)施費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)^[2],。

    目前,，EtherCAT技術(shù)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一部分，被廣泛的應(yīng)用于同步控制,、運(yùn)動(dòng)控制和材料加工控制等行業(yè)^[3,，4]。本文研究了常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案,，分析了其不足,，提出了一種基于從站信息接口(Slave Information Interface，SII)的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案,，并對方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn),，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性,。

    目前常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案大多基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）在這種方案中EtherCAT配置工具根據(jù)從站提供的EtherCAT從站信息(EtherCAT Slave Information,，ESI)文件和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，生成一個(gè)XML格式的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)信息（EtherCAT Network Information，ENI）文件,。ENI文件描述了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及從站設(shè)備的初始化命令和配置命令,。主站獲取ENI文件，并根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)配置信息進(jìn)行EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置,。

    這種方案具有良好的通用性和擴(kuò)展性,，但也有著諸多不足。一方面,，該配置方案需要額外的配置軟件進(jìn)行協(xié)助,，增加了研發(fā)的工作量。同時(shí),，ENI文件依據(jù)ESI文件生成,，所以一個(gè)新的模塊出現(xiàn)就要向EtherCAT配置軟件的庫文件中添加一個(gè)新的ESI文件，使得整個(gè)配置操作較為復(fù)雜,。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一種簡單EtherCAT主站,，可以簡化配置過程，但是仍然需要上位機(jī)進(jìn)行協(xié)助,。

    另一方面,，XML格式的文件解析比較復(fù)雜。XML格式文本是W3C組織為Web數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和交換制定的一種文本格式,，其解析復(fù)雜度較高,，尤其是在系統(tǒng)資源并不豐富的嵌入式主站系統(tǒng)中，XML的解析壓力將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。文獻(xiàn)[6]提出了一種快速XML解析方案,，但是其對內(nèi)存要求較大，并不能完全解決上述問題,。

1 基于SII的配置方案

    為了解決傳統(tǒng)方案中存在的問題,，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于SII的EtherCAT配置方案。SII是從站信息接口,，它規(guī)定了從站信息在EEPROM中的存儲(chǔ)格式,，主站可以根據(jù)SII中的信息完成對從站的配置。該配置方案如圖1所示,，在配置開始時(shí),，主站掃描從站,，獲取從站的拓?fù)?，并順序讀取所有從站的設(shè)備信息,，然后生成配置命令，從而完成對EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及所有從站的配置操作,。與傳統(tǒng)方案相比,，本方案中由主站獲取從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并生成配置信息，全程無需專門的配置工具軟件參與,，降低了配置方案的開發(fā)成本,；主站直接從SII中獲取從站的信息，不需要XML參與配置,，省卻了解析XML的時(shí)間,，極大地提高了配置效率。

    該配置方案包括3個(gè)操作步驟：(1)掃描從站,，根據(jù)獲取的響應(yīng)信息計(jì)算從站連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),；(2)根據(jù)從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次讀取從站信息,；(3)生成配置信息,，并對從站進(jìn)行配置。

1.1 計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    在目前常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案中,，從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由配置工具軟件生成并下發(fā)到從站,。而在基于SII的配置方案中，由于沒有配置工具軟件的參與,，主站采用一種遞歸的算法計(jì)算從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

    為了讀者更好地理解從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，先簡單介紹EtherCAT數(shù)據(jù)幀如何在從站中傳輸,。EtherCAT從站結(jié)構(gòu)如圖2所示,，從站最多支持4個(gè)端口，從站會(huì)根據(jù)端口是否存在連接自動(dòng)打開或關(guān)閉端口,。若連接存在,，則打開端口，否則關(guān)閉端口,。若端口打開,，流入該端口的數(shù)據(jù)幀被發(fā)送給其他從站，在其他從站處理完成后返回該端口,；若端口閉合,，數(shù)據(jù)幀會(huì)直接流向從站的下一個(gè)端口。0端口是從站數(shù)據(jù)的輸入端口,，從站一旦接入網(wǎng)絡(luò),，端口0一定處于打開的狀態(tài)，其他3個(gè)端口都有可能關(guān)閉,。因此數(shù)據(jù)幀在從站中傳輸順序是0端口,、數(shù)據(jù)幀處理單元,、3端口、1端口,、2端口,、0端口，最后由0端口離開從站,。圖3介紹了數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程,。

    根據(jù)上面的描述，可以將EtherCAT從站抽象成三叉樹上的一個(gè)結(jié)點(diǎn),。如圖4(a)所示,，Port0作為從站結(jié)點(diǎn)的輸入端口，而Port3,、Port1和Port2作為輸出端口,，且樹遍歷順序是Port3、Port1和Port2,。圖3中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可抽象圖4(b)所示的三叉樹,。因此，計(jì)算EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以抽象成對三叉樹的深度優(yōu)先遍歷^[7],。因?yàn)楣た鼐W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少,，可以采用遞歸算法實(shí)現(xiàn)，因此本文采用遞歸算法實(shí)現(xiàn)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算^[8],。

    在使用遞歸算法計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前,，仍需要進(jìn)行3個(gè)步驟獲取必要條件：

    (1)獲取網(wǎng)絡(luò)中從站的個(gè)數(shù)

    從站的數(shù)據(jù)幀處理單元在成功處理完數(shù)據(jù)幀之后，會(huì)把數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)位的值加1,，表示處理成功,。利用此特性，主站發(fā)送廣播數(shù)據(jù)幀,，所有從站都會(huì)把數(shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)位的值加1,，因此數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)位的值就代表了從站個(gè)數(shù)，主站讀取返回?cái)?shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)位就可以獲取從站的個(gè)數(shù),。

    (2)獲取從站各個(gè)端口連接狀態(tài)

    從站使用專用的寄存器記錄從站端口的連接狀態(tài),，主站使用順序讀取命令，讀取各個(gè)從站記錄端口連接狀態(tài)的寄存器,，獲取從站端口的連接狀態(tài),。

    (3)排列從站順序

    按照從站的順序?qū)ぶ芳磾?shù)據(jù)幀在從站的處理順序給從站進(jìn)行排序。圖3中的從站按照此方法排列后的順序是A,、B,、C、D。

    圖5所示為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)從站信息,，name表示從站的名字,，port0、port1,、port2和port3采用相同的結(jié)構(gòu)表示從站端口的情況，linkstatus表示端口是否存在連接,，之后的name代表與該端口連接的從站的名字,。port0比較特殊，因?yàn)槠渥鳛閺恼据斎攵丝?，即連接樹的父結(jié)點(diǎn),，所以一直處于連接狀態(tài)。

    在計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),，按照順序?qū)⒏鱾€(gè)從站的連接信息存在結(jié)構(gòu)體數(shù)組中,，然后從數(shù)組中第一個(gè)從站開始進(jìn)行計(jì)算。對每一個(gè)從站首先在port0中記錄其上層從站的名字,，然后按照port3,、port1和port2的順序掃描從站的各個(gè)端口的連接情況，若某端口處于連接狀態(tài),，且未記錄其子結(jié)點(diǎn),，則數(shù)組中其后port0為空的從站是其子結(jié)點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)入下一層,，遞歸計(jì)算子結(jié)點(diǎn)的連接情況,。當(dāng)計(jì)算完成時(shí)，所有從站的連接情況都已經(jīng)明確,，也就完成了從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算,。

1.2 讀取從站信息

    要完成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的配置，除了需要獲取從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外,，還需要各個(gè)從站的設(shè)備信息,。在傳統(tǒng)方案中，從站信息是由ESI文件提供的,，而在本方案中主站通過訪問從站的EEPROM獲取配置信息,。本節(jié)將介紹基于SII的配置方案主站如何讀取從站的設(shè)備信息。

    EEPROM中的信息結(jié)構(gòu)如圖6所示,，0～64地址存儲(chǔ)的是從站結(jié)構(gòu)信息,，從地址64處開始存儲(chǔ)的是分類信息^[9]。所有分類信息使用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，但長度不定,。分類信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括2個(gè)字節(jié)的信息類型、2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長度和指定長度的數(shù)據(jù)內(nèi)容,。

    在基于SII的配置方案中,，主站按照圖8中所示的流程讀取從站信息。主站讀取從站分類信息時(shí),，從第一條分類信息開始,，根據(jù)類型名查找要讀的信息，直到找到要讀取的信息,，并將信息存儲(chǔ)到對應(yīng)結(jié)構(gòu)體,。

1.3 生成網(wǎng)絡(luò)信息

    EtherCAT直接使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，以太網(wǎng)幀的數(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)文中包含從站的地址和數(shù)據(jù),。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主站與從站通過數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，EtherCAT數(shù)據(jù)幀采取串行轉(zhuǎn)發(fā)方式,，每個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有的從站,。數(shù)據(jù)幀到達(dá)某個(gè)從站時(shí)，從站根據(jù)EtherCAT數(shù)據(jù)幀中的地址和命令,，將數(shù)據(jù)從EtherCAT數(shù)據(jù)幀中取出或?qū)?shù)據(jù)寫入EtherCAT數(shù)據(jù)幀中,。由上文可知，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主站訪問從站就必須知道從站的地址,，主站與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互就要設(shè)置從站的數(shù)據(jù)區(qū)映射,。

    EtherCAT從站地址的分配主要是配置設(shè)備地址和邏輯地址。設(shè)備地址是一個(gè)兩字節(jié)的地址,，主站用它來識別各個(gè)從站,。在本方案中設(shè)備地址是從0X1000開始，按照連接順序依次遞增進(jìn)行,，給每個(gè)從站分配設(shè)備地址,。邏輯地址并不是單獨(dú)定義的，而是使用從站數(shù)據(jù)在主站數(shù)據(jù)區(qū)中的地址,。使用邏輯地址時(shí),，從站中現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(Fieldbus Memory Management Unit，F(xiàn)MMU)將從站本地物理存儲(chǔ)映射到主站的邏輯地址,。在本方案配置過程中,，主站根據(jù)從站EEPROM中過程數(shù)據(jù)對象(Process Data Object，PDO)分類信息計(jì)算出從站的數(shù)據(jù)長度和從站物理地址,，然后按照順序在數(shù)據(jù)區(qū)中為每個(gè)從站分配對應(yīng)的長度的存儲(chǔ)區(qū),，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置FMMU寄存器。

    EtherCAT從站數(shù)據(jù)區(qū)的配置內(nèi)容主要為配置存儲(chǔ)同步管理器(SyncManager,，SM),。SM通過硬件對數(shù)據(jù)區(qū)的所有訪問進(jìn)行控制，使得數(shù)據(jù)區(qū)不會(huì)被雙方同時(shí)訪問，保證了主站與從站應(yīng)用數(shù)據(jù)交換的一致性和安全性,。在本方案配置過程中,，主站讀取從站EEPROM中的SM類型信息，計(jì)算出SM控制數(shù)據(jù)區(qū)的地址,、大小和控制模式,，并配置相應(yīng)寄存器。

2 方案測試

    為驗(yàn)證方案的可行性,，在Ubuntu平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采用SII配置方案的精簡EtherCAT主站,。該精簡EtherCAT主站能夠完成從站配置，以及主從站之間的數(shù)據(jù)交換,。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

    在測試系統(tǒng)中包含有6個(gè)BECKHOOF公司生產(chǎn)的EtherCAT從站,，分別是EK1100,、EL1008、EL2008,、EL3054,、EL4024和EK1110。其中EL1008和EL3054分別是數(shù)字輸入和模擬輸入,，EL2008和EL4024分別是數(shù)字輸出和模擬輸出,。

    在測試中，通過檢查所有從站的狀態(tài)和周期數(shù)據(jù)交換功能來判斷EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置是否成功,。為了方便分析從站狀態(tài),，使用Wireshark抓取EtherCAT數(shù)據(jù)幀分析從站狀態(tài)，抓取到數(shù)據(jù)幀如圖10所示,。圖10框中的數(shù)據(jù)是獲取到從站的狀態(tài),，它顯示所有從站都處于OP狀態(tài)，說明從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換成功,，本方案成功配置了EtherCAT網(wǎng)絡(luò),。

3 結(jié)論

    目前常見的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案使用XML文件作為配置信息，存在研發(fā)復(fù)雜和效率較低的問題,。為了解決上述不足,，本文研究了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的配置過程，提出了一種基于SII接口的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案,。該方案使用從站SII接口中提供的信息,，計(jì)算生成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案。通過與其他常見方案的比較發(fā)現(xiàn),，基于SII接口的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案實(shí)現(xiàn)簡便,，能夠提高配置效率且實(shí)現(xiàn)較容易，因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者信息：

南  揚(yáng)1,，2，豐大軍2,，趙德政2,，王  皓2

（1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安710071,；2.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所,，北京100083）