STM32与ETHERCAT协议开发<1>

1万 · 2019-8-21 15:35

该EtherCAT从站系统是第一款基于STM32芯片开发的EtherCAT从站，
它充分发挥了STM32芯片的Cortex-M3内核低成本低功耗的特性，特别适用
于工业设计领域，同时该设计直接使用STM32特有FSMC机制读写ESC模块
内存，对系统性能有了很大提升。

1万 · 2019-8-21 15:39

以太网技术自20世纪70年代诞生以来便受到众多先进自动化公司的关注，其开放性和标准统一性是各公司关注的焦点，这些自动化公司开始将网络技术应用到工业控制领域的伺服设备控制以及数据采集等多个方面。在国外，许多知名自动化厂商都己将以太网技术的应用延伸到了工业控制的现场当中[[2]，在国内，一些知名院校与知名企业合作，将以太网技术运用到工业领域，浙江大学与浙江中控公司就曾联合推出过一款工业以太网系统，该系统将以太网技术应用在了应用层，控制层以及设备层之间，通过这些方式实现工业以太网系统在自动化领域的控制。除此之外，欧美一些厂商在高性能的伺服控制和大规模数据采集等产品和系统使用了工业以太网技术，国外的EtherCAT自动化产品己经进入国内，并逐渐开拓市场，2012年6月20日EtherCAT技术协会(ETG)参加了北京国际自动化展，展示了成熟的产品及应用，引起了工控同仁的广泛关注，可是我国对于EtherCAT工业以太网技术的研究仍处于初级阶段，因此对于EtherCAT技术的研究意义重大。

1万 · 2019-8-21 15:40

现场总线是一种底层数据通信网络，主要应用于工业控制领域，可以看
作是自动化领域的一种计算机局域网，它的出现如同计算机网络之于单台电
脑那样给自动化领域带来了前所未有的变革，标志着自动化系统进入新的发
展阶段

1万 · 2019-8-21 15:45

传统现场总线是一种特殊的通信网络，它与一般的计算机网络有很大的不同，从面向对象来说，计算机网络是对图像、声音以及文字等大规模数据的传输，而现场总线则是对开关或者阀门等指令与数据这些小规模数据的传输，但是这些数据的传输稳定性要求很高，操作不当可能会威胁人身和设备安全。另外，与计算机网络相比，现场总线传输数据的节点位置一般比较分散，报文内容相对简短。同时，现场总线也是一套自控系统，与传统的集中控制模式相比它的显著特点是通过网络信号传输数据，它采用开放式的解决方案，把控制功能放到现场完成，形成分布式智能化的控制系统，这是一种网络控制模式。图1-1对两种不同的控制模式进行了比较。

1万 · 2019-8-21 15:46

1万 · 2019-8-21 15:47

(1)现场总线控制系统采用一条现场总线标准代替之前集中控制模式
中的数据信号、模拟信号及控制信号等传输线，使各种信号以同样标准传输，
减少了层次区分。
(2)现场总线控制系统终端采用智能现场设备把常用于集中控制系统
中的模拟设备换成了智能设备，这样的底层设备不仅具备了智能性，强大的
运算功能，还可以自主校验和特性补偿。

1万 · 2019-8-21 15:49

IEC611_58国际标准建立的目的是将现存的多种总线标准统一成一款通用的标准，如果这样，那么一方面制造商可以比较方便的生产设备，另一方面用户可以方便的选用适合功能的设备而不必受困于单一总线标准下的产品。可是事实是各大公司并未因此而形成共识，结果依旧是群雄混战。大公司经过多年的发展，由于各自的总线产品己经占据了一定的市场份额，并不担心多种总线产品之间的不兼容会影响销售，而不改变的话则对用户选用设备造成影响，用户无法真正根据自身成本和需要的考虑选用设备，而是更多的依赖之前选用设备标准的要求，灵活性较差。这些己经阻碍工业控制和自动化系统的进一步发展，传统的现场总线这种先天性不足函需解决，于是世界各大自动化公司纷纷把目标投向了应用广泛、互联方便的以太网技术，推出各自的工业以太网技术。

1万 · 2019-8-21 15:49

ISO将以太网网络协议分为7层，每层负责完成各自的功能并相互联系，7层联合起来完成整体通信过程，在不同的通信协议中实现通信过程，其中几个部分可以省略，但是先后顺序需保持不变，即OSI参考模型，如图1-3所示。

1万 · 2019-8-21 15:53

TCP/IP协议是一个稳定的传输协议，数据真正进行传输之前，程序需要经过三次握手(Three-WayHandshake)oTCP/IP的三次握手机制可以为通信双方提供稳定的连接，为通信过程提供验证，保证了通信过程的安全性。通过三次握手机制，整个通信过程可以顺利实现数据发送端和数据接收端的信息传输过程的同步，保证数据传输及时准确。TCP/IP连接是一种稳定连接形式，需要通过三次握手机制。如图1-4所示，客户端和服务器之间通过三次握手建立TCP/IP连接。

1万 · 2019-8-21 15:53

1万 · 2019-8-21 15:54

工业以太网有三种实现方式，即TCP/IP方式、以太网方式、修改以太网方式，其中，TCP/IP的方式仍然采用传统的TCP/IP协议栈进行通信，通过上层的合理调度减少数据传输过程中的不确定性，使用这种方式有Mobus/TCP和Ethernet/IP等协议，这种方式的数据传输实时性不高;以太网的方式采用标准的以太网设备，这样传输普通的以太网数据仍然可以使用TCP/IP协议，而用于传输控制信号的过程数据则使用专门的协议传输，使用这种方式的有EthernetPowerlink,PROFINetRT和中国的EPACEthernetforPlantAutomation)等协议，可以实现较高的实时性;修改以太网的方式采用经过修改的以太网协议传输数据，而使用专门的硬件处理数据，使得响应时间小于1ms，它的实时数据和非实时数据也是分开传输的，彻底避免数据报文冲突，使用这种方式的有SERCOS-III,PROFINetIRT和EtherCAT等协议，EtherCAT技术是由德国BECKHOFF自动化公司提出并实现的工业以太网技术，是目前最快的工业以太网解决方案。

1万 · 2019-8-21 15:55

一个完整的EtherCAT系统可以分为主站和从站两个部分，主站使用标准以太网设备传输数据，从站使用专用的控制芯片处理数据，支持线形、树形或星形等多种拓扑结构，具有超高的性能、灵活性和成本优势，EtherCAT协议与普通的现场总线协议相比有以下特点:
   C 1)  EtherCAT具有广泛的适应性，无论是简单的16位微处理器还是
复杂的PC系统，只要控制单元带有普通的以太网控制器都可以构成
EtherCAT主站。
   C 2 )  EtherCAT是一种特殊的以太网协议，使用该协议的数据可以使用
常用的以太网设备，可以节省设备更新的成本。
   C 3 )  EtherCAT可以灵活选择从站类型，无论是带有微处理器的复杂节
点还是只有2位I/O的简单节点可以用作EtherCAT从站。
   C 4 )  EtherCAT数据传输速率高，由(2)知该协议数据符合标准的以
太网协议，可以通过标准的以太网进行数据传输，可以充分利用以太网带宽
进行用户数据的传输。
   C 5 )  EtherCAT数据刷新周期短，使用专门的硬件处理数据，数据的刷
新周期很小，低于100us，可用于响应要求高的设备。
   C 6 )  EtherCAT具有良好的同步性能，设备之间的同步由专用硬件的相
关寄存器完成，各个从站设备之间的时钟同步精度可以控制在lus以内。

1万 · 2019-8-21 15:55

对比以太网来看EtherCAT从站网络，可以把一个EtherCAT网段看作是一个普通的以太网设备，可以独立的接收、处理及发送以太网报文，这样的以太网设备没有单独的微控制器和微处理器，该EtherCAT网段包含有多个EtherCAT从站。EtherCAT从站使用内部的ET1100微控制器对含有从站控制信息的以太网报文进行直接处理，识别出相关的命令，提取或者插入用户数据，并将操作完成的以太网报文传输给下一个从站，当报文传输到最后一个从站时，系统利用以太网的全双工特性把以报文通过从站依次往回传输，传输到第一个从站时由该从站将报文发送给主站设备。EtherCAT从站信息的处理完全在硬件中完成，延迟仅与物理层有关，约为100}_SOOns，从站的通信性能只与专用的从站控制器有关，与从站设备的微处理器响应时间无关。同时，多个EtherCAT报文可以被嵌入到同一个以太网报文中，每一个EtherCAT报文对应一个EtherCAT从站设备。EtherCAT由EtherCAT技术协会(EtherCATTechnologyGroup，简称ETG)提供全球性的技术支持。ETG是一个国际性的中立组织，成立于2003年11月。迄今为止，EtherCAT技术己得到了多家设备制造商以及终端客户的支持和推广，在世界上有来自60多个国家的1600家公司加入到ETG，共同采用、支持以及推广EtherCAT技术。ETG在中国的代表处成立于2007年，该团队为中国本土公司对EtherCAT的研究研发工作提供咨询和支持服务。

1万 · 2019-8-21 15:57

EtherCAT是以标准以太网为基础的工业以太网技术，使用一个特定的类型标识EtherCAT数据帧，把过程数据插入到EtherCAT数据帧中，可以与遵守TCP/IP协议的以太网数据帧在同一EtherCAT报文中并行传输，EtherCAT报文通过多种寻址方式操作各从站寄存器以实现多种通信模式

1万 · 2019-8-21 15:57

EtherCAT报文与普通的以太网报文形式相同，只是采用了一种特殊的帧
类型，该类型为Ox88A4的EtherCAT报文嵌入到相应的以太网数据帧中，
EtherCAT数据帧结构如图2-1所示。
EtherCAT数据包由数据头和数据实体两部分组成，数据头包含2个字节，
每个数据包里面可以只包含一个EtherCAT子报文，也可以包含多个子报文，
一个EtherCAT子报文对应着一个从站，一个EtherCAT数据包可以操作多个
EtherCAT从站，相应的数据长度在441498字节之间。
EtherCAT子报文内部除了数据域以外，还有报文头、WKC等内容。W KC
即工作计数器，是在程序开发过程中常用的一种标志方式，在该EtherCAT
数据帧中主要负责记录从站设备处理子报文的情况，主站开始设置的W KC
初始值为0，从站控制器ESC采用不同的通信服务模式处理子报文时，W KC
增量不同，子报文每被从站正确处理一次，WKC加相应增量，主站通过对
从站返回的W KC值与自身预期的WKC值进行比较来判断主站对从站的读
写是否正确。

1万 · 2019-8-21 15:57

1万 · 2019-8-21 15:59

EtherCAT系统分为主站和从站两部分，主站负责以标准以太网数据帧的形式发送和接收EtherCAT数据包，从站负责读写相应报文实现应用层控制功能并将操作完成的报文返回给主站，这样完成了EtherCAT通信过程「is}在一个通信周期中，主站先发送EtherCAT数据给从站，EtherCAT数据包经过各个从站时均被处理，每个从站都对EtherCAT报文中与各自有关的数据进行操作，既可以将ESC数据插入到EtherCAT数据帧返回给主站，也可以将主站数据输出到ESC内存，对现场设备进行控制。当EtherCAT数据包经过所以的从站设备处理后，由最后一个从站将该数据包往回发。如图2-2所示，EtherCAT数据包经过了所有从站以后，由最后一个从站返回数据包并在从站的返回通道内传输，可以实现EtherCAT以太网帧的双向传输，但是EtherCAT以太网数据帧只有在下行传输的时候，从站才可以对相应报文进行处理，上行传输时不进行数据处理。

1万 · 2019-8-21 16:01

EtherCAT数据包在从站中处理由从站控制器通过硬件实现，从站设备对EtherCAT数据帧的读取和插入均由从站控制芯片独立完成，这与普通的工业以太网解决方案有着很大的不同，EtherCAT报文经过从站时不需要像普通的以太网设备一样需要把数据先解压再移动到从站微处理器芯片内部，而是直接由ESC操作，只把与从站现场设备有关的信号导入到从站微处理器，这一过程由硬件来完成，从而减少系统的反应时间，实时性更好。系统传输报文的整个过程时间延迟很小，只有几个纳秒，而且使用以太网数据进行传输的数据容量大，其中的可利用数据多，充分利用了系统带宽，极大的提高了数据传输和处理的速率。

1万 · 2019-8-21 16:01

德国BECKHOFF自动化公司开发的EtherCAT的IP核是一个可配置的EtherCAT从站控制器(EtherCATSlaveController，简称ESC)，它作为一个通信接口负责EtherCAT现场总线和EtherCAT从站设备应用程序之间的数据传输。EtherCAT的数据传输方式是可以配置的，这样可以满足不同特性产品的需求，将重新开发和应用的成本降到最低[moBECKHOFF公司设计EtherCATIP核的目的是用来支持更广泛的FPGA应用，FPGA的设计无需专门修改定制。因为EtherCATIP核在设计时不仅没有实例化FPGA资源，而且也没有依靠专用FPGA的特殊功能。因此EtherCATIP核可以比较方便的移植到任何一种FPGA，通过不同的配置方式实现EtherCAT从站不同的控制功能。

1万 · 2019-8-21 16:02

将EtherCATIP核集成到不同的FPGA形成不同的从站控制器，不同的FPGA厂商提供不同的和软核处理器通信的接口，有应用于Altera公司FPGA上的Avalon接口，还有应用于Xilinx公司FPGA上的OPB接口，EtherCAT的FMMU和同步管理器数量以及DPRAM大小等物理接口和内部功能可调，过程数据接口(PDI)和分布时钟也是可以配置的。其中的各项功能与EtherCAT规范和EtherCATASIC芯片兼容。EtherCAT从站所需的逻辑单元数量取决于所选的配置，在Altera公司FPGA上开发应用的IP核有32位数字里I/O}1KBRAM，不带分布式时钟，带有FMMU和同步管理器，约4_500个逻辑单元;16位uC接口，60KBRAM，带分布式时钟，8个FMMU和8个同步管理器，约有1_5000个逻辑单元。在Xinlinx公司FPGA上开发应用的IP核有32位数字里I/O}1KBRAM，不带分布式时钟，带FMMU和同步管理器，约有2_500个逻辑片(Spartan-3E);16位uC接口，60KBRAM,带分布式时钟，8个FMMU和8个同步管理器，约有8000个逻辑片。