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