CAN總線協(xié)議到EtherCAT從站協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)計

摘要：本文通過對實時工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議EtherCAT的研究，設(shè)計了CAN總線主站協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherCAT從站協(xié)議的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備，解決了工業(yè)自動化現(xiàn)場CAN總線通信設(shè)備與EtherCAT主站控制系統(tǒng)的互連問題，從而保證現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)據(jù)更加高效、快速地傳遞到中央監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：EtherCAT從站；CAN總線；網(wǎng)關(guān)；協(xié)議轉(zhuǎn)換

引言
    隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，大量現(xiàn)場設(shè)備的信息傳遞不再采用模擬信號電纜傳送，而是替換為智能化現(xiàn)場設(shè)備，通過通信方式傳遞設(shè)備的狀態(tài)和控制信息。在這個過程中，現(xiàn)場總線設(shè)備得到了大量的應(yīng)用。而現(xiàn)場總線設(shè)備的多樣性，導(dǎo)致在一個大型的自動化控制系統(tǒng)中設(shè)備的通信協(xié)議不同、通信速率不同、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问讲煌?，給中央監(jiān)控系統(tǒng)和這些現(xiàn)場設(shè)備之間的信息交互帶來困擾。
    為了更好地解決控制系統(tǒng)內(nèi)自動化數(shù)據(jù)傳輸及互連的問題，部分國際自動化系統(tǒng)廠家借助以太網(wǎng)現(xiàn)有協(xié)議框架及其100M的帶寬資源，在現(xiàn)有的以太網(wǎng)協(xié)議上進(jìn)行相應(yīng)的修改，推出了不同的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，比較流行的有EtherCAT、Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet／IP等。其中，EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是開放的實時工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有配置簡單、有效數(shù)據(jù)率高、全雙工、數(shù)據(jù)傳輸容量大、傳輸速度快、時鐘同步性高、成本低、開放性好等特點，是一種用于工業(yè)自動化的實時、高速以太網(wǎng)通信協(xié)議。EtherCAT協(xié)議使用全雙工100 Mbps以太網(wǎng)，系統(tǒng)由一個通信主站和若干從站通信節(jié)點組成，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，協(xié)議和驅(qū)動程序由軟件實現(xiàn)，從站通信節(jié)點使用專門的EtherCAT從站控制器。
    本文設(shè)計了CAN總線主站協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherCAT從站協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備(以下簡稱CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān))，實現(xiàn)了工業(yè)自動化現(xiàn)場CAN總線通信設(shè)備與EtherCAT主站控制系統(tǒng)的互連通信。

1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)存在兩個方向的外部接口，對上通過以太網(wǎng)與EtherCAT主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議符合EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求；對下與CAN總線從站設(shè)備實現(xiàn)通信，包括實時數(shù)據(jù)通信、故障診斷恢復(fù)和冗余切換處理等。系統(tǒng)總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)
2．1 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)核心器件選型
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件包括EtherCAT從站協(xié)議控制器、從站MCU、CAN總線協(xié)議控制器等。EtherCAT協(xié)議控制器實現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。從站MCU主要負(fù)責(zé)運行用戶的應(yīng)用程序，實現(xiàn)EtherCAT和CAN總線協(xié)議之間的協(xié)議及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CAN總線協(xié)議控制器實現(xiàn)CAN總線的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。
    現(xiàn)在市場上有多種EtherCAT協(xié)議控制器可供使用，如Beckhoff公司的ASIC芯片ET1100、ET1200，德國Hilscher公司的ComX—CA—RE模塊，也可以使用IP—Core將EtherCAT通信功能集成到設(shè)備控制FPGA中。ET1200是簡化版，只提供1個RJ45接口，不能滿足開發(fā)需求。ComX模塊提供了方便易用的接口，可以簡化硬件設(shè)計，但是價格較高。FPGA可提供針對Altera和Xilinx公司的IP核，但是價格高，開發(fā)難度大。
    考慮到實際應(yīng)用中，開發(fā)成本及軟硬件設(shè)計的實現(xiàn)復(fù)雜度，EtherCAT從站協(xié)議控制器選用ET1100。ET1100是一款強(qiáng)大的EtherCAT從站控制器ESC專用芯片，具有豐富的接口資源。它具有4個數(shù)據(jù)收發(fā)端口、8個FMMU單元、8個SM、4 KB控制寄存器、8 KB過程數(shù)據(jù)存儲器、支持64位的分布時鐘。
    從站MCU選用LPC2292芯片。LPC2292是一款基于16／32位ARM7TDMI—S核，支持實時仿真和跟蹤的MCU。LPC2292自帶2路高級CAN總線通道，可節(jié)省設(shè)計成本。
2．2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)主要由通信控制回路、Ethernet回路、CAN總線回路3部分電路構(gòu)成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖2所示。

    在EtherCAT回路中，EtherCAT協(xié)議控制器ET1100可選擇使用SPI或8位、16位總線與LPC2292連接。ET1100的相關(guān)信息保存在EEPROM中。數(shù)據(jù)收發(fā)端口使用PORT0和PORT1，采用MII方式連接PHY芯片，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離，通過RJ45接口與主站或其他從站連接。
    通信管理控制回路由MCU(LPC2292)、狀態(tài)顯示電路、外部存儲器及單片機(jī)外圍電路構(gòu)成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的配置信息、通信數(shù)據(jù)使用256 KB外部RAM或F-RAM存儲，可以顯示運行狀態(tài)和通信狀態(tài)等信息。
    CAN總線第3方通信協(xié)議中，使用LPC2292的內(nèi)置CAN總線控制器，可根據(jù)需要使用1路或2路CAN總線。為了提高CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的電磁兼容性EMC，使用高速光耦對CAN總線通信信號進(jìn)行隔離。

3 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)軟件由EtherCAT從站通信處理模塊和CAN總線主站通信處理模塊組成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)軟件在功能上實現(xiàn)EtherCAT從站通信協(xié)議和CAN總線主站通信協(xié)議功能。
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)軟件基于不帶操作系統(tǒng)的硬件平臺，采用C語言編寫。應(yīng)用程序各任務(wù)串行執(zhí)行，可以直接操作硬件的中斷和定時器，保證了任務(wù)執(zhí)行的速度和系統(tǒng)的性能。
3．1 EtherCAT從站報文幀結(jié)構(gòu)
    EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，數(shù)據(jù)幀類型為0x88A4。數(shù)據(jù)區(qū)最大可達(dá)1 498字節(jié)。數(shù)據(jù)區(qū)由1個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應(yīng)獨立的設(shè)備或從站存儲區(qū)域。EtherCAT從站子報文幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    每個EtherCAT子報文包括子報文頭、數(shù)據(jù)區(qū)和相應(yīng)的工作計數(shù)器(Working Counter，WKC)。發(fā)送子報文的WKC初始值為0，子報文被CAN ／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)正確處理后，增加一個增量，主站根據(jù)WKC是否正確，來判斷該子報文是否被正確響應(yīng)。
3．2 EtherCAT從站通信處理模塊
    EtherCAT從站通信處理模塊實現(xiàn)與EtherCAT主站之間的通信，EtherCAT從站通信處理模塊以EtherCAT從站控制器為核心，從站協(xié)議控制器實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送以及錯誤處理。從站MCU操作EtherCAT從站協(xié)議控制器，實現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議。
    EtherCAT協(xié)議有2種數(shù)據(jù)交換形式：一種是周期性過程數(shù)據(jù)通信，另一種是非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信。周期性過程數(shù)據(jù)通信用來傳輸數(shù)據(jù)刷新率要求較高的輸入輸出數(shù)據(jù)，非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信則用來配置或讀取從站的參數(shù)信息。
    自動化控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)一般要求先采集下面設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理，然后產(chǎn)生輸出控制信號，發(fā)送到輸出設(shè)備。EtherCAT協(xié)議的狀態(tài)機(jī)通信模式很好地解決了這個問題，保證了通信的安全可靠。
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)支持4種狀態(tài)：初始化(Init)、預(yù)運行(Pre-Operational)、安全運行(Safe-Operational)和運行(Operation al)。各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。狀態(tài)機(jī)依次在不同的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間完成不同的任務(wù)。

    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)處于初始化狀態(tài)時，主站初始化EtherCAT從站控制器的一些配置寄存器、配置郵箱通道參數(shù)。預(yù)運行狀態(tài)下，CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)與主站使用郵箱通信交換通信配置信息，此時，不允許過程數(shù)據(jù)通信。安全運行狀態(tài)下，CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序讀入輸入數(shù)據(jù)，但不產(chǎn)生輸出信號，設(shè)備無輸出，處于“安全狀態(tài)”。運行狀態(tài)下，CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序讀入輸入數(shù)據(jù)，此時，主站應(yīng)用程序發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)有效，CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生輸出信號。
3．3 CAN總線主站通信處理模塊
    CAN總線主站通信處理模塊主要實現(xiàn)與CAN總線從站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)配置和故障診斷等。數(shù)據(jù)的收發(fā)采用定時器和中斷相配合的模式。
    上電硬件初始化，配置好CAN總線通信的參數(shù)后，CAN總線主站通信處理模塊首先請求下面各CAN總線從站設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，所有輸入數(shù)據(jù)掃描完成后，置輸入數(shù)據(jù)掃描完成標(biāo)志，EtherCAT主站接收到該標(biāo)志后，轉(zhuǎn)換CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)狀態(tài)到運行狀態(tài)。此時，輸出數(shù)據(jù)有效，CAN總線主站通信處理模塊發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到相關(guān)CAN總線從站設(shè)備。所有的從站一輪掃描結(jié)束后，判斷統(tǒng)計是否有從站出現(xiàn)通信故障，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3．4 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)對象字典設(shè)計
    EtherCAT協(xié)議使用對象字典實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)信息配置和輸入、輸出數(shù)據(jù)讀寫操作，每個對象字典有一個主索引和多個子索引。在CAN／Et herCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和CAN總線從站設(shè)備的多級對象字典設(shè)計模式，如圖5所示。

    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和CAN總線從站設(shè)備1的對象字典輸出數(shù)據(jù)(RxPDo)的主索引為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)0x1600～0x16FF，每個輸出主索引的子索引為0x7xx0～0x7xxF，最多16個子索引；輸入(TxPDo)的主索引為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)0x1A00～0x1AFF，每個輸入主索引的子索引為0x6xx0～0x6xxF，也是最多16個子索引。每個CAN總線從站設(shè)備通信配置信息主索引為0x8xx0～0x8xxF。CAN總線主站通信參數(shù)對象字典主索引為0xF 800。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和CAN從站設(shè)備的PDo對象字典映射關(guān)系如圖6所示。

4 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)性能
    EtherCAT主站采用Beckhoff公司的TwinCAT軟件，與4個CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，采用wireshark網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件，擷取EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信報文幀，共擷取10次，每次1萬幀。TwinCAT軟件與CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)全部數(shù)據(jù)刷新時間如圖7所示。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為128字節(jié)、輸出數(shù)據(jù)為100字節(jié)時，通過對擷取的請求報文時間戳和響應(yīng)報文時間戳進(jìn)行差值計算得出：TwinCAT主站軟件與CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)之間報文平均響應(yīng)時間為200μs左右。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)具有較高的可靠性、安全性和快速響應(yīng)特性。CAN總線主站與CAN總線從站設(shè)備通信波特率設(shè)為1 Mbps，一般一幀報文為8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀刷新時間平均為2 ms。

    TwinCAT軟件與CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)全部數(shù)據(jù)刷新時間取決于TwinCAT軟件報文掃描周期和CAN總線從站設(shè)備的數(shù)量、數(shù)據(jù)的多少。假設(shè)每個CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)下面連接10個CAN總線設(shè)備，每個設(shè)備的數(shù)據(jù)為16字節(jié)，那么所有CAN總線數(shù)據(jù)掃描一周的時間為40 ms。

結(jié)語
    CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)通過LPC2292實現(xiàn)了EthercAT協(xié)議控制器與CAN總線控制器之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換，解決了EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)與CAN總線之間通信的互聯(lián)問題，保證了CAN現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)據(jù)可以更加高效、快速地傳遞到EtherCAT中央監(jiān)控系統(tǒng)中。