CN106814657A - 基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，通过CPU与ARM共用FPGA内存，实现CPU与ARM之间的数据通讯，包括以下步骤：主站进行初始化；CPU发送控制指令至FPGA的内存中，ARM从FPGA中获取控制指令与从站进行周期性通讯或非周期性通讯。本发明节约成本。本发明使用LPC4330高性能嵌入式处理器，可在原有PCI总线基础上进行更改，相比于传统基于工业PC机实现EtherCAT主站更具有成本优势。本发明实现的嵌入式EtherCAT主站可以直接集成在嵌入式系统中使用，无需修改原有数控系统软件。减轻主机运算任务，降低CPU使用率，提升运行速度。本发明实现的嵌入式EtherCAT主站可以分担由协议产生的分布时钟、状态机以及帧运算等所产生的程序任务。

Description

基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及构建嵌入式实时EtherCAT主站的技术领域，具体涉及一种基于LPC4330处理器构建嵌入式实时EtherCAT主站的方法。

背景技术

传统现场总线通过模拟量控制方式，对DA电压，编码器反馈位置等进行控制。但是这种控制方式受环境干扰明显，且存在安装方式不灵活，调试麻烦，控制不准确，线缆成本高，系统设计复杂和驱动器从站设备数量受限等缺点。

实时工业以太网因其传输速度快，数据包容量大，传输距离远，实时性高和开放互联的特点，被越来越多的应用到了数控领域。德国Beckhoff公司提出的EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)便是其中的一种，它具有高性能、低成本、应用简单、拓扑灵活的特点，并且支持100Mbps全双工，有效数据率可达90％以上，可以极大的提高数控系统的性能。

现有的EtherCAT主站的实现方案大部分是采用倍福公司在Windows操作系统下基于PC机的解决方案，当然也有基于Linux操作系统和Android操作系统的嵌入式解决方案。其硬件方案绝大部分采用处理器CPU外扩网卡的芯片的通用体系架构，CPU用来分别处理EtherCAT协议的数据链路层和应用层。但是现有的这种EtherCAT主站实现方案利用CPU和网卡配合来处理数据帧的收发操作，降低了数据帧收发的稳定性，同时网卡单缓存的操作模式也降低了数据收发的效率，造成了应用于工业环境的稳定性问题和效率问题。其次，这种主站方案的EtherCAT主站不能广泛地兼容各种操作系统，移植难度较大，造成了平台资源的兼容性问题。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提出了一种基于LPC4330处理器构建嵌入式实时EtherCAT主站的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，通过CPU与ARM共用FPGA内存，实现CPU与ARM之间的数据通讯，包括以下步骤：

主站进行初始化；

CPU发送控制指令至FPGA的内存中，ARM从FPGA中获取控制指令与从站进行周期性通讯或非周期性通讯。

所述主站进行初始化具体为ARM从FPGA中获取从站信息，装载初始化命令、通过状态机进行初始化，包括：

进入初始化状态：ARM检测从站个数；如果个数与设定值不同，则重复检测从站个数；如相同，则执行初始化状态向预运行状态转化步骤；

初始化状态向预运行状态转化：主站配置从站站点地址；配置邮箱通道参数；若收到从站返回的状态帧为预运行状态，则主站进入预运行状态，否则返回初始化状态向预运行状态转化步骤；

预运行状态：检测FPGA中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示预运行状态，则返回检测FPGA步骤；否则，进入预运行状态向安全运行状态转化步骤；

预运行状态向安全运行状态转化：多次发送初始化分布时钟命令帧至从站、初始化从站邮箱、配置SM通道、配置FMMU，若收到从站返回的状态帧为安全运行状态，则主站进入安全运行状态，否则返回预运行状态向安全运行状态转化步骤；

安全运行状态：检测FPGA中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示安全运行状态，则返回检测FPGA步骤；否则，进入安全运行状态向运行状态转化步骤；

安全运行状态向运行状态转化：使能周期性通讯。

所述装载初始化命令具体为：

根据从站的XML配置文件得到配置信息，结合FPGA中的从站设备号构成初始化命令。

所述FPGA的内存分为多个地址区间，包括非周期性数据地址区间和周期性数据地址区间；非周期性数据为系统控制数据；周期性数据包括各从站的过程数据和反馈数据。

所述收到从站返回的状态帧包括以下步骤：

当ARM收到从站返回的状态帧，首先判断该帧是否为ECT帧；如果是，则通过该帧索引值判断该帧是否为周期性数据；如果是，则根据该帧类型的寻址方式对FPGA进行写入操作；否则根据该帧的读取从站寄存器类型采集从站信息。

所述根据该帧类型的寻址方式对FPGA进行写入操作包括：

当该帧类型为逻辑寻址读时，则读取反馈数据存入FPGA中相应地址区域并检查工作计数器，若工作计数器值与设定值不符，即为错误，则将错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为逻辑寻址写时，则只检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将相应错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为广播寻址读时，则检查从站状态，若状态值错误，则将相应错误标志位存入FPGA中相应地址区域；另外，检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为多重读写时，则读取参考时钟系统时间并转发给从站。

所述否则根据该帧的寄存器类型采集从站信息包括：

当该帧为设置寻址或顺序寻址、读从站状态寄存器时，则主站读取从站状态，如果自从站状态寄存器内读取的是转化后运行状态，则主站进入转化后运行状态；如果是转化前运行状态，则主站停留在转化前运行状态，并重复执行转化过程；

当该帧为顺序寻址、读从站接收时间寄存器时，则主站读取参考时钟从站及其他从站帧接收时间，并得出传输延时以及初始偏移，然后写入各从站；

当该帧为多重读写、从站本地时间寄存器时，则读取参考时钟系统时间并转发至各从站；

当该帧为设置寻址读邮箱数据时，主站读取邮箱数据，并存入FPGA中。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.节约成本。本发明使用LPC4330高性能嵌入式处理器，可在原有PCI总线基础上进行更改，相比于传统基于工业PC机实现EtherCAT主站更具有成本优势。

2.节约开发时间。本发明实现的嵌入式EtherCAT主站可以直接集成在嵌入式系统中使用，无需修改原有数控系统软件。

3.减轻主机运算任务，降低CPU使用率，提升运行速度。本发明实现的嵌入式EtherCAT主站可以分担由协议产生的分布时钟、状态机以及帧运算等所产生的程序任务。

附图说明

图1为主站结构示意图；

图2为DPRAM内存分配示意图；

图3为返回数据帧处理示意图；

图4为FPGA芯片连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的LPC4330处理器将指令数据进行封装和调度，组成数据帧发送给PHY芯片；PHY芯片将其转换为差分信号，发送在EtherCAT网络之中；各个从站收到EtherCAT数据帧后进行相应的处理后返回主站，在经过网络变压器和PHY芯片后，数据帧接收模块接收网络中的数据帧；在EtherCAT协议驱动模块中对数据帧进行解析提取有效数据供CPU来进行读取状态和反馈数据。

本发明实施包括以下步骤：

1.如图1所示，构建嵌入式实时EtherCAT主站硬件平台。该装置包括PCI扩展接口、FPGA芯片、ARM芯片、PHY芯片、网络隔离变压器和EtherCAT总线接口RJ45，以上装置都搭载在CPU主控板上。

2.如图4所示，FPGA用于将CPU的数据与ARM数据之间进行转换，实现CPU与ARM之间的通讯。编写FPGA芯片硬件逻辑，其中包括CPU接口选择操作模块。其中，CPU接口选择操作模块通过PCI总线与CPU相连，提供一个CPU和FPGA芯片之间的交互操作通道，供CPU对FPGA芯片进行读写和访问；ARM则通过配置自身的EMC(外部存储器控制器)与FPGA进行读写访问。ARM内部的协议驱动模块是EtherCAT应用程序处理的核心，用于响应CPU内部应用程序操作接口的指令及有效数据，从而完成对相应指令数据按照EtherCAT标准协议进行调度。

FPGA内嵌的DPRAM，CPU接口选择操作模块和ARM均与DPRAM连接,ARM可通过配置自身的EMC实现与DPRAM的数据交换；CPU或ARM将数据放入FPGA内相应地址区间，ARM或CPU再取出需要的数据，实现不同通讯方式的信息传输。

如图2所示，CPU与ARM数据均放入FPGA内嵌的DPRAM中；FPGA的内存(DPRAM)分为多个地址区间，包括非周期性数据地址区间和周期性数据地址区间；非周期性数据为系统控制数据；周期性数据包括各从站的过程数据(主站发送至从站的数据)和反馈数据。

3.主站与从站的通讯包括以下步骤：

1)主站进行初始化：

主站进行初始化具体为ARM从FPGA中获取从站信息，装载初始化命令、通过状态机进行初始化，包括：

进入初始化状态：ARM检测从站个数；如果个数与设定值不同，则重复检测从站个数；如相同，则执行初始化状态向预运行状态转化步骤；

初始化状态向预运行状态转化：主站配置从站站点地址；配置邮箱通道参数；若收到从站返回的状态帧为预运行状态，则主站进入预运行状态，否则返回初始化状态向预运行状态转化步骤；

预运行状态：检测FPGA内存中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示预运行状态，则返回检测FPGA内存步骤；否则，进入预运行状态向安全运行状态转化步骤；

预运行状态向安全运行状态转化：多次发送初始化分布时钟命令帧至从站、初始化从站邮箱、配置SM(Sync Manager)通道、配置FMMU(Fieldbus MemoryManagement Units)，若收到从站返回的状态帧为安全运行状态，则主站进如安全运行状态，否则返回安全运行状态转化步骤；

安全运行状态：检测FPGA中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示安全运行状态，则返回检测FPGA步骤；否则，进入安全运行状态向运行状态转化步骤；

安全运行状态向运行状态转化：使能周期性通讯。

其中，装载初始化命令具体为：根据从站的XML配置文件得到配置信息，结合FPGA中的从站设备号构成初始化命令。

如图3所示，主站接到从站的返回帧，统一由返回帧处理函数具体包括：

当主站接收到返回帧，首先判断该帧是否为ECT(EtherCAT)帧，即判断该帧的帧类型字段为0xA488时，即为ECT帧，如果该帧为ECT帧，则通过该帧索引值判断该帧是否为周期性数据，如果该帧索引值为设定值，则是周期性数据，否则，为非周期性数据。

1)如果为周期性数据具体如下：

当该帧类型为逻辑寻址读时，则读取反馈数据存入FPGA中相应地址区域并检查工作计数器，若工作计数器值与设定值不符，即为错误，则将错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为逻辑寻址写时，则只检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将相应错误标志位存入存入FPGA中相应地址区域(系统控制数据区间)；

当该帧类型为广播寻址读时，则检查从站状态，若状态值错误，则将相应错误标志位存入存入FPGA中相应地址区域；另外，检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将错误标志位存入存入FPGA中相应地址区域(系统控制数据区间)；

当该帧类型为多重读写时，则读取参考时钟系统时间并转发给从站。

2)如果为非周期性数据具体如下：

当该帧为设置寻址或顺序寻址、读从站状态寄存器时，则主站读取从站状态，判断初始化步骤。如果从站状态寄存器内读取的是转化后运行状态，则主站进入转化后运行状态。如果是转化前运行状态，则主停留在转化前运行状态，并重复执行转化过程。

具体为：当状态机执行初始化向预运行转化后，如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为预运行状态，则主站进入预运行状态。如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为初始化状态，则主站停留在初始化状态，并重复执行初始化向预运行转化过程。

当状态机执行预运行向安全运行转化后，如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为安全运行状态，则主站进入安全运行状态。如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为预运行状态，则主站停留在预运行状态，并重复执行预运行向安全运行转化过程。

当状态机执行安全运行向运行状态转化后，如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为运行状态，则主站进入运行状态。如果主站从从站状态寄存器内读取从站状态为安全运行状态，则主站停留在安全运行状态，并重复执行初安全运行向运行转化过程。

当该帧为顺序读从站接收时间寄存器时，则主站读取参考时钟从站及其他从站帧接收时间，并计算出传输延时以及初始偏移。然后写入各从站。

当该帧为多重读写从站本地时间寄存器时，则从参考时钟从站读取参考时钟系统时间并转发给各从站。

当该帧为设置寻址读邮箱数据时，主站读取邮箱数据，并存入存入FPGA中从站反馈数据地址区域。

其中，分布时钟初始化中传输延时及初始偏移量计算公式如下：

Tdelay(n)＝[(T4–T1)–(T3(n)–T2(n))]/2

Tdelay(n)：传输延时；T1＝数据帧由主站发送经过参考时钟从站的时间；T2(n)＝数据帧主站发送经过从站n的时间；T3(n)＝数据帧返回经过从站n的时间；T4＝数据帧返回经过参考时钟从站的时间；

Toffset(n)＝T2(n)–T1–Tdelay(n)

Toffset(n)：初始偏移量；T1＝数据帧由主站发送经过参考时钟从站的时间；T2(n)＝数据帧主站发送经过从站n的时间；Tdelay(n)：传输延时。

2)CPU发送控制指令至FPGA的内存中，ARM从FPGA中获取控制指令与从站进行周期性通讯或非周期性通讯。

Claims (7)

1.基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于通过CPU与ARM共用FPGA内存，实现CPU与ARM之间的数据通讯，包括以下步骤：

主站进行初始化；

CPU发送控制指令至FPGA的内存中，ARM从FPGA中获取控制指令与从站进行周期性通讯或非周期性通讯。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述主站进行初始化具体为ARM从FPGA中获取从站信息，装载初始化命令、通过状态机进行初始化，包括：

进入初始化状态：ARM检测从站个数；如果个数与设定值不同，则重复检测从站个数；如相同，则执行初始化状态向预运行状态转化步骤；

初始化状态向预运行状态转化：主站配置从站站点地址；配置邮箱通道参数；若收到从站返回的状态帧为预运行状态，则主站进入预运行状态，否则返回初始化状态向预运行状态转化步骤；

预运行状态：检测FPGA中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示预运行状态，则返回检测FPGA步骤；否则，进入预运行状态向安全运行状态转化步骤；

预运行状态向安全运行状态转化：多次发送初始化分布时钟命令帧至从站、初始化从站邮箱、配置SM通道、配置FMMU，若收到从站返回的状态帧为安全运行状态，则主站进入安全运行状态，否则返回预运行状态向安全运行状态转化步骤；

安全运行状态：检测FPGA中CPU发送的状态命令，若状态命令值表示安全运行状态，则返回检测FPGA步骤；否则，进入安全运行状态向运行状态转化步骤；

安全运行状态向运行状态转化：使能周期性通讯。

3.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述装载初始化命令具体为：

根据从站的XML配置文件得到配置信息，结合FPGA中的从站设备号构成初始化命令。

4.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述FPGA的内存分为多个地址区间，包括非周期性数据地址区间和周期性数据地址区间；非周期性数据为系统控制数据；周期性数据包括各从站的过程数据和反馈数据。

5.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述收到从站返回的状态帧包括以下步骤：

当ARM收到从站返回的状态帧，首先判断该帧是否为ECT帧；如果是，则通过该帧索引值判断该帧是否为周期性数据；如果是，则根据该帧类型的寻址方式对FPGA进行写入操作；否则根据该帧的读取从站寄存器类型采集从站信息。

6.根据权利要求5所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述根据该帧类型的寻址方式对FPGA进行写入操作包括：

当该帧类型为逻辑寻址读时，则读取反馈数据存入FPGA中相应地址区域并检查工作计数器，若工作计数器值与设定值不符，即为错误，则将错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为逻辑寻址写时，则只检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将相应错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为广播寻址读时，则检查从站状态，若状态值错误，则将相应错误标志位存入FPGA中相应地址区域；另外，检查工作计数器，若工作计数器值错误，则将错误标志位存入FPGA中相应地址区域；

当该帧类型为多重读写时，则读取参考时钟系统时间并转发给从站。

7.根据权利要求5所述的基于ARM的嵌入式实时EtherCAT主站构建方法，其特征在于所述否则根据该帧的寄存器类型采集从站信息包括：

当该帧为设置寻址或顺序寻址、读从站状态寄存器时，则主站读取从站状态，如果自从站状态寄存器内读取的是转化后运行状态，则主站进入转化后运行状态；如果是转化前运行状态，则主站停留在转化前运行状态，并重复执行转化过程；

当该帧为顺序寻址、读从站接收时间寄存器时，则主站读取参考时钟从站及其他从站帧接收时间，并得出传输延时以及初始偏移，然后写入各从站；

当该帧为多重读写、从站本地时间寄存器时，则读取参考时钟系统时间并转发至各从站；

当该帧为设置寻址读邮箱数据时，主站读取邮箱数据，并存入FPGA中。