CN106059877B - 一种基于SPARC架构CPU的EtherCAT主站模块 - Google Patents

Abstract

本发明名称一种基于SPARC架构CPU的EtherCAT主站模块，属于以太网控制自动化技术领域。本发明的目的是解决现有的软主站提供的上层结构不能满足日益丰富的用户需求，并且配置过程较慢，效率较低的问题。为解决这些问题，本发明提供一种EtherCAT主站模块，提供定制化的上层接口，采用双口RAM通信，完成下装配置段表的工作，提高了EtherCAT主站模块的配置效率。本发明主要用于工业控制中，作为EtherCAT主站，完成与PLC控制器的通信，接受PLC的控制，周期性地向EtherCAT从站读写数据。

Description

一种基于SPARC架构CPU的EtherCAT主站模块

技术领域

本发明属于EtherCAT(以太网控制自动化技术)领域，具体涉及一种工业实时以太网EtherCAT主站模块。

背景技术

EtherCAT由德国倍福公司提出，由于其具有网络实时性高、拓扑结构灵活、系统配置简单等特点，目前已得到越来越广泛的应用。EtherCAT采用主从式结构，主站可以为一般的PC机。控制周期从主站发出，主站发送下行电报。数据帧遍历所有从站设备，每个设备在数据帧经过时分析寻址属于本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或插入数据到报文中指定位置，并且从站把该报文中工作计数器值加1，表示该数据被处理。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧作为上行电报直接发送给主站。主站收到此上行电报后，处理返回数据，本次通信结束。

目前，EtherCAT设备主要由德国倍福公司生产，德国倍福公司只提供完整的EtherCAT主站系统而没有单一的主站模块。其他厂商生产的EtherCAT主站模块均为国外公司提供的软主站，其提供的上层接口不能满足日益丰富的用户需求。在现有的实现方式中，对从站的配置是靠PC端向主站模块下装.xml格式的配置文件，由主站进行解析配置，由于.xml文件过大，大大增加通信负担，并且主站模块解析速度慢，导致配置过程时间很长，影响主站模块工作效率。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种EtherCAT主站模块，提供定制化的上层接口，采用双口RAM通信，通过下装配置段表的方式，提高EtherCAT主站模块的配置效率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

EtherCAT主站硬件部分，包括：CPU功能电路，FPGA功能电路，双以太网接口电路，电源电路。其中，

所述CPU功能电路由SPARC V8构架微处理器，实现了EtherCAT数据帧的组包解包工作。其中SPARC架构的处理器采用SPARC“寄存器窗口”结构，相较于其他RISC处理器，SPARC架构处理器允许使用简单高性能的编译器，大大减少了存储器加载/存储指令的时间，在运行大型应用程序时表现尤为突出。SPARC具有执行速率高和开发周期短的特点，其处理过程主要分两部分：1、发包过程：上位机数据经由FPGA传输给CPU后，CPU按照EtherCAT数据帧的格式进行组包处理，然后由FPGA组成以太网帧，最后由PHY控制发送数据。2、收包过程：以太网上传输的数据由PHY芯片接收，首先经过FPGA进行解包处理，然后将有效数据传输给CPU进行进一步的解包处理，最后通过DPRAM将最终数据传输给上位机。

所述FPGA电路作为数据的中继站，主要用于实现CPU与上位机数据交互和双MAC控制器的两项工作。FPGA中主要实现了双口RAM和MAC控制器两个功能。其中双口RAM用于将数据在CPU和上位机间进行交互；MAC用于将数据在CPU和网络之间进行交互。

所述以太网接口电路实现以太网的物理连接功能。为节省空间采用单片双PHY芯片作为核心芯片。通过FPGA对其进行管理配置，选择合适的工作模式。

所述电源电路是整个模块的能量供给站，为主站模块的提供电源。整个模块需要3条电压轨道分别为：3.3V、1.5V和1.2V。其中3.3V通过50针接插件J1来提供，1.5V和1.2V通过选取合适的DC-DC电源芯片来提供。为提高电源质量选取LDO作为电源电路的核心芯片，分别实现3.3V-1.5V和3.3V-1.2V的电源转换。

EtherCAT主站的软件部分，包括：EtherCAT主站任务调度模块，EtherCAT主站通信控制模块，EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站配置段表解析模块；所述EtherCAT主站任务调度模块负责调度EtherCAT主站通信控制模块和EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站通信控制模块负责调用EtherCAT主站配置段表解析模块。其中，

所述EtherCAT主站任务调度模块实现EtherCAT主站模块的主任务，用于实现EtherCAT主站的状态转换和各功能的正确调用。

所述EtherCAT主站通信控制模块提供PLC对EtherCAT主站模块的控制功能，用于处理PLC发送的对EtherCAT主站的控制命令。

所述EtherCAT主站数据收发模块提供EtherCAT主站向EtherCAT从站收发数据的功能。

所述EtherCAT主站配置段表解析模块用于解析来自PC端下装的配置段表，完成对EtherCAT主站和EtherCAT从站的配置。

附图说明

图1为本发明中硬件组成方式；

图2为本发明中软件实现方式；

图3为本发明中EtherCAT主站任务调度模块流程图；

图4为本发明中EtherCAT主站通信控制模块流程图；

图5为本发明中EtherCAT主站数据收发模块流程图；

图6为本发明中EtherCAT主站配置段表解析模块流程图；

图中箭头方向信号传输方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

一种EtherCAT主站模块，其硬件组成方式如图1所示，包括：CPU最小系统电路，FPGA最小系统电路，双以太网接口电路，电源电路。

CPU最小系统电路是EtherCAT主站模块的核心模块，主要负责EtherCAT数据帧核心处理工作，属于EtherCAT主站模块的神经中枢。主要由CPU、SDRAM、FLASH、UART和DSU组成。CPU采用SPARC V8架构的处理芯片，起源于精简指令集系统计算机(RISC)体系，但相较于其他RISC处理芯片，它允许使用简单高性能的编译器，缩减了存储器加载/存储指令的时间。CPU中数据经由FPGA来实现与外界的传输，主要工作分二部分：一、协调CPU、上位机和MAC间的数据收发，实现主站任务调度功能，建立合适的仲裁机制；二、根据预先加载的配置信息，按照规则将数据进行解包组包的工作，完成数据的提取工作。FLASH作为下装配置文件、程序及数据的存储单元，UART作为系统的打印输出接口，DSU是系统的调试接口。

FPGA最小系统电路是EtherCAT主站模块的通信网关模块，主要负责EtherCAT主站的数据交互功能。主要由FPGA和配置FLASH两部分组成，FPGA作为主体部分主要起到两方面的作用：一方面上位机和CPU进行数据交互；另一方面CPU和以太网进行数据交互。其中上位机和CPU通信通过FPGA实现双口RAM进行传输，CPU和以太网接口电路通过FPGA实现以太网控制器MAC来进行传输。为节省CPU和上位机操作资源，在FPGA实现双口RAM的同时也完成数据交互的握手协议、状态判定。同时在实现MAC时加入相应的数据验证，以确保数据的正确性。配置FLASH用来存储FPGA的配置程序，主要由四种配置模式：(1)并行模式，(2)主从模式，(3)串行模式，(4)外设模式。为提高配置速率此处我们使用并行模式进行配置。上电时，FPGA将外部FLASH中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后FPGA恢复为白片，内部逻辑消失。从而实现可重配置的功能。

双以太网接口电路是EtherCAT主站模块以太网物理层电路。用于以太网传输的物理部分，为节省空间主体使用一个单片双PHY芯片。通过FPGA来对其进行配置，根据现场的情况设置合适的操作模式并进行工作。

电源电路是EtherCAT主站模块的能量供给模块，主要负责为其他电路提供电能，保障其它电路能够稳定的工作，由于整个模块需要3条电压轨道分别为：3.3V、1.5V和1.2V。因此其主要工作是进行3.3V-1.5V和3.3V-1.2V的DC-DC转换。在保证功耗的前提下，为节省空间选用单片双路LDO作为电源电路核心芯片，为主站模块提供高质量的电源。

一种EtherCAT主站模块，其软件实现方式如图2所示，包括：EtherCAT主站任务调度模块，EtherCAT主站通信控制模块，EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站配置段表解析模块；所述EtherCAT主站任务调度模块负责调度EtherCAT主站通信控制模块和EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站通信控制模块负责调用EtherCAT主站配置段表解析模块。

EtherCAT主站任务调度模块为EtherCAT主站模块的主任务，用于实现EtherCAT主站的状态转换和各功能的正确调用。其流程图如图3所示，首先对主站进行上电的初始化过程，包括各设备(网卡，串口，双口RAM)的驱动初始化，还包括主站状态机的初始化，其中status表示主站的运行状态，0表示停止运行，1表示可以运行；config_status表示主站配置文件的存放地址，0表示原有配置文件，1表示新下装的配置文件。在初始化结束后，进入主站的主循环中，首先是对主站状态的检查，包括检查主站当前status是否处于可以运行状；检查config_status所指示的配置文件是否正确(包括是否存在文件，CRC校验)，如果检查均通过，则进入主站配置过程，否则将status置为0，config_status置为0，跳转至通信处理模块。主站配置过程将解析config_status所指示的配置文件，并将配置命令封装为EtherCAT协议帧，发送给各个从站，同时检查每条配置命令是否成功执行，若全部配置命令均配置成功，且所有从站均进入OP状态(运行状态)，主站进入周期数据收发过程，否则将status置为0，config_status置为0，跳转至通信处理模块。周期运行阶段，主站将从配置文件中得到的参数，封装成周期数据收发的EtherCAT协议帧，周期对从站进行读写，在收到从站响应的数据帧后，对数据帧进行解析，把各模块的数据存放至双口RAM对应地址。同时检查从站状态是否保持在OP状态(运行状态)，检查读写操作是否完全执行。若出现错误或检查到cmd为0，退出周期运行的循环，进入通信处理模块。通信处理模块用来响应PLC通过双口RAM发来的控制命令，命令包括：停止运行，开始运行，下装配置文件，扫描从站信息，下装从站固件等，每个命令在处理完成后，会将response值修改为1，表示命令已执行，并将error值修改为执行产生的返回值，以告知PLC命令执行情况。另外，对于停止命令，会将status值置为0，运行命令将status置为1，下装配置文件会将status置为1，同时将config_status置为1，表示下装完成。若在配置完成后，配置执行正确，且config_status为1，则将下装的配置文件保存至原有配置文件处，覆盖掉原有的配置文件。

EtherCAT主站通信控制模块提供PLC对EtherCAT主站模块的控制功能，用于处理PLC发送的对EtherCAT主站的控制命令。其流程图如图4所示，EtherCAT主站通信控制模块处理包括运行，停止，扫描从站，下装配置文件，下装固件等在内的控制命令，对不同的命令做出响应及处理，并在下装配置文件命令到来时调用EtherCAT主站配置段表解析模块，并告知EtherCAT主站任务调度模块进行相应的主站状态切换。通信控制模块可以根据实际用户的需要，提供定制化的接口命令供用户使用。

EtherCAT主站数据收发模块提供EtherCAT主站向EtherCAT从站收发数据的功能。其流程图如图5所示，由于EtherCAT协议是基于标准以太网协议的一种工业现场总线协议，按照协议分层可分为以下四层：以太网层，EtherCAT层，EtherCAT子层，应用层。按照分层隔离的原则，在组EtherCAT完整的数据包时，分为4个功能函数，每个函数对应一层协议组包。其分别为：应用层：负责组织需要周期发送的过程数据，或是组织需要非周期发送的邮箱数据帧的帧头和其中包含的应用层协议，例如CoE，FoE等；EtherCAT子层：负责将应用层数据封装为EtherCAT子帧，添加头部信息，而其中的index和状态值只给初始化值0，在下层来确定具体参数；EtherCAT层：负责将各EtherCAT子帧组成总帧，添加头部信息，并且负责将长度超出以太网帧限制的EtherCAT总帧进行拆帧；负责向该总帧中各子帧添加index和状态值；以太网层：负责将EtherCAT帧封装为标准以太网帧，发往目的MAC地址。EtherCAT主站数据收发模块实现全部的EtherCAT数据包的发送和接收，实现EtherCAT协议帧的组帧和拆帧，向其他模块屏蔽下层协议实现细节。

EtherCAT主站配置段表解析模块用于解析来自PC端下装的配置段表文件，并完成对EtherCAT主站和EtherCAT从站的配置。其流程图如图6所示，EtherCAT主站配置功能模块需要实现以下三个功能：对配置文件的完整性和正确性进行检查；能够保存当前正确运行所需的配置文件以方便掉电重启后仍可在不重新下装配置的条件下继续运行；完成对配置文件的解析以及对EtherCAT主从站的配置。首先，在EtherCAT主站刚上电启动时，由于需要其能够自动进入到运行状态，因此需要在其flash中保存上一次正确运行时的配置文件。在刚上电启动时，首先需要对该文件的完整性和正确性进行检查，看其是否正确无误。其次，在一个配置文件正确完成对EtherCAT主从站的配置后，需要将该文件保存至flash中，覆盖掉原有的配置文件。若当前配置文件没能完成对EtherCAT主从站的配置，则不进行复制，还原为原有的配置文件重新进行配置。然后按照配置文件格式，获取从站数量，各从站配置参数地址，各从站配置命令数，存入从站状态数据结构中，初始化各从站的状态为0，初始化时从站配置状态为0，初始化从站配置状态偏移值为0，将该数据结构作为接下来配置过程的状态区。求出各个从站命令数量的最大值，作为总的配置命令的发包数。由于为了尽快将多个从站配置完成，单个EtherCAT总帧包含了各个从站的配置命令子帧，每个子帧可以发送一条配置命令，因而至少要发送各从站命令数量最大值个EtherCAT总帧。由于各个从站配置命令的数量不一致，当从站命令数不大于当前发包数时，意味着该从站命令已全部发送完毕，在组EtherCAT总帧时将没有该从站的子帧，这时将该从站的数据结构中finish值置为1。同时要判断有子帧的从站是否为最后一个从站，相应的子帧中要做出修改。若所有从站命令均发送完毕，则退出该函数，返回配置成功。若在配置过程中收到的响应数据和需要校验的数据对比不吻合，则退出配置，返回配置错误。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于SPARC架构的全国产实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，所述EtherCAT主站模块包括：EtherCAT硬件部分，EtherCAT软件部分；

所述EtherCAT硬件部分包括：CPU功能电路，FPGA功能电路，双以太网接口电路；其中，

所述CPU功能电路由SPARC V8构架微处理器来实现EtherCAT数据帧的打包解包工作；

所述FPGA功能电路用于双口RAM的实现、双MAC控制器的实现两项工作，其中上位机和CPU通信通过FPGA实现双口RAM进行传输，CPU和以太网接口电路通过FPGA实现以太网控制器MAC来进行传输；在FPGA实现双口RAM的同时也完成数据交互的握手协议、状态判定；同时在实现MAC时加入相应的数据验证，以确保数据的正确性；

所述以太网接口电路实现以太网的物理连接功能；

所述EtherCAT软件部分包括：EtherCAT主站任务调度模块，EtherCAT主站通信控制模块，EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站设置断表解析模块；其中，

所述EtherCAT主站任务调度模块为EtherCAT主站模块的主任务，用于实现EtherCAT主站的状态转换和对EtherCAT主站通信控制模块，EtherCAT主站数据收发模块，EtherCAT主站设置断表解析模块正确调用；

所述EtherCAT主站通信控制模块提供PLC对EtherCAT主站模块的控制功能，用于处理PLC发送的对EtherCAT主站的控制命令；

所述EtherCAT主站数据收发模块提供EtherCAT主站向EtherCAT从站收发数据的功能；

所述EtherCAT主站配置段表解析模块用于解析来自PC端下装的配置段表来完成对EtherCAT主站和EtherCAT从站的配置。

2.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，所述CPU功能电路采用32位SPARC V8的CPU。

3.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，所述双口RAM和双MAC控制器是由FPGA电路实现的。

4.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，EtherCAT主站任务调度模块控制其他模块的正确调用。

5.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，提供PLC对EtherCAT主站模块的控制功能。

6.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，EtherCAT主站数据收发模块提供EtherCAT主站向EtherCAT从站收发数据的功能。

7.根据权利要求1所述的实时以太网EtherCAT主站模块，其特征在于，

Ethe rCAT主站配置段表解析模块提供配置文件的解析。

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