基于S3C2440的Ethercat实时工业以太网
1引言
工业以太网由于低成本、易于组网和具有相当高的数据传输速率、资源共享能力强以及易于Internet连接等特点[1],使其在工业中应用越来越多。Ethercat技术是德国BECKHOFF公司提出的实时工业以太网技术,它基于标准的以太网技术,具备灵活的网络拓扑结构。系统配置简单,具有高速、有效数据率高等特点,全双工特性完全得以利用[2]。
2Ethercat技术介绍
2.1Ethercat的系统组成及运行原理
Ethercat采用了主从介质访问方式,在基于Ethercat的通信系统中,主站控制从站发送或接收数据。主站发送数据帧,从站在数据帧经过从站时读取相应报文中的输出数据。同时,从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中。当该数据帧经过所有从站并与从站进行数据交换后,由Ethecat系统中末端从站将数据帧返回[3]。图1由一个主站和3个从站组成的线性拓扑结构的简单Ethercat系统。
2.2Ethercat协议
Ethercat以标准以太网技术为基础,在MAC(媒体访问层)增加了一个确定性调度的软件层,该软件层实现了通信周期内的数据帧的传输。Ethercat采用标准的IEEE802-3以太网帧,帧结构如图2。Ethercat在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型0x88A4,采用这种方式可以使控制数据直接写入以太网帧内,并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一网络中并行。一个Ethercat帧中可以包含若干个Ethercat子报文,每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域,由FMMU(FieldbusMemoryManagementUnit)寄存器和SM(SyncManager)寄存器定义,该区域最大可达4GB字节。Ethercat报文由一个16位的WKC(WorkingCount)结束,其数据区最大长度可达1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的寻址方式,由于数据链独立于物理顺序,因此可以对Ethercat从站进行任意的编址[4]。
图2Ethercat帧结构
2.3Ethercat性能
Ethercat整个协议处理过程都在硬件中进行。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。100个伺服轴的通讯只需100μs[5]。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1μs[6]。
3基于ARM的从站节点控制器的硬件设计
Ethercat从站节点的协议部分可以直接利用BECKHOFF公司的从站控制器ESC。ESC从站控制器提供3种接口规范如表1,具体采用哪一种方式可以设置控制器的EEPROM来选择。
表1接口规范
本文设计的Ethercat从站节点硬件包括从站协议控制器、从站CPU和网络接口等部分组成。Ethercat从站中最关键部分是Ethercat协议控制器,它实现Ethercat的物理层与数据链路层的协议。现在市场上有多种Ethercat协议控制器可供使用,如FPGA实现和ASIC实现。从站CPU采用ARM920T核的S3C2440芯片。接口连接方式采用16位异步微处理器方式[7]。从站的硬件实现如图3所示。
其中ARM控制器实现Ethercat对现场任务的收集与调度;Ethercat从站控制器实现Ethercat协议;EEPROM用于保存从站配置数据和从站描述数据;网络接口用于主从站之间或从站与从站之间的连接,根据Ethercat从站控制器的不同网络接口可以分别为2-4个,网络接口采用标准以太网物理层器件就可以。
图3从站节点结构框图
4数据交换
