0 引言

EtherCAT是由BECKHOFF公司提出的一種高性能工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[1]，它采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3的物理層，具有數(shù)據(jù)傳輸速度高、實(shí)時(shí)性好、拓?fù)潇`活和實(shí)施費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)[2]。

目前，EtherCAT技術(shù)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一部分，被廣泛的應(yīng)用于同步控制、運(yùn)動(dòng)控制和材料加工控制等行業(yè)[3，4]。本文研究了常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案，分析了其不足，提出了一種基于從站信息接口(Slave Information Interface，SII)的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案，并對(duì)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

目前常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案大多基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）在這種方案中EtherCAT配置工具根據(jù)從站提供的EtherCAT從站信息(EtherCAT Slave Information，ESI)文件和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成一個(gè)XML格式的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)信息（EtherCAT Network Information，ENI）文件。ENI文件描述了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及從站設(shè)備的初始化命令和配置命令。主站獲取ENI文件，并根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)配置信息進(jìn)行EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置。

這種方案具有良好的通用性和擴(kuò)展性，但也有著諸多不足。一方面，該配置方案需要額外的配置軟件進(jìn)行協(xié)助，增加了研發(fā)的工作量。同時(shí)，ENI文件依據(jù)ESI文件生成，所以一個(gè)新的模塊出現(xiàn)就要向EtherCAT配置軟件的庫文件中添加一個(gè)新的ESI文件，使得整個(gè)配置操作較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單EtherCAT主站，可以簡(jiǎn)化配置過程，但是仍然需要上位機(jī)進(jìn)行協(xié)助。

另一方面，XML格式的文件解析比較復(fù)雜。XML格式文本是W3C組織為Web數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和交換制定的一種文本格式，其解析復(fù)雜度較高，尤其是在系統(tǒng)資源并不豐富的嵌入式主站系統(tǒng)中，XML的解析壓力將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[6]提出了一種快速XML解析方案，但是其對(duì)內(nèi)存要求較大，并不能完全解決上述問題。

1 基于SII的配置方案

為了解決傳統(tǒng)方案中存在的問題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于SII的EtherCAT配置方案。SII是從站信息接口，它規(guī)定了從站信息在EEPROM中的存儲(chǔ)格式，主站可以根據(jù)SII中的信息完成對(duì)從站的配置。該配置方案如圖1所示，在配置開始時(shí)，主站掃描從站，獲取從站的拓?fù)洌㈨樞蜃x取所有從站的設(shè)備信息，然后生成配置命令，從而完成對(duì)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及所有從站的配置操作。與傳統(tǒng)方案相比，本方案中由主站獲取從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并生成配置信息，全程無需專門的配置工具軟件參與，降低了配置方案的開發(fā)成本；主站直接從SII中獲取從站的信息，不需要XML參與配置，省卻了解析XML的時(shí)間，極大地提高了配置效率。

該配置方案包括3個(gè)操作步驟：(1)掃描從站，根據(jù)獲取的響應(yīng)信息計(jì)算從站連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；(2)根據(jù)從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次讀取從站信息；(3)生成配置信息，并對(duì)從站進(jìn)行配置。

1.1 計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在目前常用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案中，從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由配置工具軟件生成并下發(fā)到從站。而在基于SII的配置方案中，由于沒有配置工具軟件的參與，主站采用一種遞歸的算法計(jì)算從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了讀者更好地理解從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，先簡(jiǎn)單介紹EtherCAT數(shù)據(jù)幀如何在從站中傳輸。EtherCAT從站結(jié)構(gòu)如圖2所示，從站最多支持4個(gè)端口，從站會(huì)根據(jù)端口是否存在連接自動(dòng)打開或關(guān)閉端口。若連接存在，則打開端口，否則關(guān)閉端口。若端口打開，流入該端口的數(shù)據(jù)幀被發(fā)送給其他從站，在其他從站處理完成后返回該端口；若端口閉合，數(shù)據(jù)幀會(huì)直接流向從站的下一個(gè)端口。0端口是從站數(shù)據(jù)的輸入端口，從站一旦接入網(wǎng)絡(luò)，端口0一定處于打開的狀態(tài)，其他3個(gè)端口都有可能關(guān)閉。因此數(shù)據(jù)幀在從站中傳輸順序是0端口、數(shù)據(jù)幀處理單元、3端口、1端口、2端口、0端口，最后由0端口離開從站。圖3介紹了數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程。

根據(jù)上面的描述，可以將EtherCAT從站抽象成三叉樹上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如圖4(a)所示，Port0作為從站結(jié)點(diǎn)的輸入端口，而Port3、Port1和Port2作為輸出端口，且樹遍歷順序是Port3、Port1和Port2。圖3中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可抽象圖4(b)所示的三叉樹。因此，計(jì)算EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以抽象成對(duì)三叉樹的深度優(yōu)先遍歷[7]。因?yàn)楣た鼐W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，可以采用遞歸算法實(shí)現(xiàn)，因此本文采用遞歸算法實(shí)現(xiàn)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算[8]。

在使用遞歸算法計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前，仍需要進(jìn)行3個(gè)步驟獲取必要條件：

(1)獲取網(wǎng)絡(luò)中從站的個(gè)數(shù)

從站的數(shù)據(jù)幀處理單元在成功處理完數(shù)據(jù)幀之后，會(huì)把數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)位的值加1，表示處理成功。利用此特性，主站發(fā)送廣播數(shù)據(jù)幀，所有從站都會(huì)把數(shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)位的值加1，因此數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)位的值就代表了從站個(gè)數(shù)，主站讀取返回?cái)?shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)位就可以獲取從站的個(gè)數(shù)。

(2)獲取從站各個(gè)端口連接狀態(tài)

從站使用專用的寄存器記錄從站端口的連接狀態(tài)，主站使用順序讀取命令，讀取各個(gè)從站記錄端口連接狀態(tài)的寄存器，獲取從站端口的連接狀態(tài)。

(3)排列從站順序

按照從站的順序?qū)ぶ芳磾?shù)據(jù)幀在從站的處理順序給從站進(jìn)行排序。圖3中的從站按照此方法排列后的順序是A、B、C、D。

圖5所示為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)從站信息，name表示從站的名字，port0、port1、port2和port3采用相同的結(jié)構(gòu)表示從站端口的情況，linkstatus表示端口是否存在連接，之后的name代表與該端口連接的從站的名字。port0比較特殊，因?yàn)槠渥鳛閺恼据斎攵丝冢催B接樹的父結(jié)點(diǎn)，所以一直處于連接狀態(tài)。

在計(jì)算從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，按照順序?qū)⒏鱾€(gè)從站的連接信息存在結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，然后從數(shù)組中第一個(gè)從站開始進(jìn)行計(jì)算。對(duì)每一個(gè)從站首先在port0中記錄其上層從站的名字，然后按照port3、port1和port2的順序掃描從站的各個(gè)端口的連接情況，若某端口處于連接狀態(tài)，且未記錄其子結(jié)點(diǎn)，則數(shù)組中其后port0為空的從站是其子結(jié)點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)入下一層，遞歸計(jì)算子結(jié)點(diǎn)的連接情況。當(dāng)計(jì)算完成時(shí)，所有從站的連接情況都已經(jīng)明確，也就完成了從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算。

1.2 讀取從站信息

要完成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的配置，除了需要獲取從站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，還需要各個(gè)從站的設(shè)備信息。在傳統(tǒng)方案中，從站信息是由ESI文件提供的，而在本方案中主站通過訪問從站的EEPROM獲取配置信息。本節(jié)將介紹基于SII的配置方案主站如何讀取從站的設(shè)備信息。

EEPROM中的信息結(jié)構(gòu)如圖6所示，0～64地址存儲(chǔ)的是從站結(jié)構(gòu)信息，從地址64處開始存儲(chǔ)的是分類信息[9]。所有分類信息使用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但長(zhǎng)度不定。分類信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括2個(gè)字節(jié)的信息類型、2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

在基于SII的配置方案中，主站按照?qǐng)D8中所示的流程讀取從站信息。主站讀取從站分類信息時(shí)，從第一條分類信息開始，根據(jù)類型名查找要讀的信息，直到找到要讀取的信息，并將信息存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體。

1.3 生成網(wǎng)絡(luò)信息

EtherCAT直接使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文中包含從站的地址和數(shù)據(jù)。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主站與從站通過數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，EtherCAT數(shù)據(jù)幀采取串行轉(zhuǎn)發(fā)方式，每個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有的從站。數(shù)據(jù)幀到達(dá)某個(gè)從站時(shí)，從站根據(jù)EtherCAT數(shù)據(jù)幀中的地址和命令，將數(shù)據(jù)從EtherCAT數(shù)據(jù)幀中取出或?qū)?shù)據(jù)寫入EtherCAT數(shù)據(jù)幀中。由上文可知，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中主站訪問從站就必須知道從站的地址，主站與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互就要設(shè)置從站的數(shù)據(jù)區(qū)映射。

EtherCAT從站地址的分配主要是配置設(shè)備地址和邏輯地址。設(shè)備地址是一個(gè)兩字節(jié)的地址，主站用它來識(shí)別各個(gè)從站。在本方案中設(shè)備地址是從0X1000開始，按照連接順序依次遞增進(jìn)行，給每個(gè)從站分配設(shè)備地址。邏輯地址并不是單獨(dú)定義的，而是使用從站數(shù)據(jù)在主站數(shù)據(jù)區(qū)中的地址。使用邏輯地址時(shí)，從站中現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元(Fieldbus Memory Management Unit，F(xiàn)MMU)將從站本地物理存儲(chǔ)映射到主站的邏輯地址。在本方案配置過程中，主站根據(jù)從站EEPROM中過程數(shù)據(jù)對(duì)象(Process Data Object，PDO)分類信息計(jì)算出從站的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和從站物理地址，然后按照順序在數(shù)據(jù)區(qū)中為每個(gè)從站分配對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度的存儲(chǔ)區(qū)，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置FMMU寄存器。

EtherCAT從站數(shù)據(jù)區(qū)的配置內(nèi)容主要為配置存儲(chǔ)同步管理器(SyncManager，SM)。SM通過硬件對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的所有訪問進(jìn)行控制，使得數(shù)據(jù)區(qū)不會(huì)被雙方同時(shí)訪問，保證了主站與從站應(yīng)用數(shù)據(jù)交換的一致性和安全性。在本方案配置過程中，主站讀取從站EEPROM中的SM類型信息，計(jì)算出SM控制數(shù)據(jù)區(qū)的地址、大小和控制模式，并配置相應(yīng)寄存器。

2 方案測(cè)試

為驗(yàn)證方案的可行性，在Ubuntu平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采用SII配置方案的精簡(jiǎn)EtherCAT主站。該精簡(jiǎn)EtherCAT主站能夠完成從站配置，以及主從站之間的數(shù)據(jù)交換。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

在測(cè)試系統(tǒng)中包含有6個(gè)BECKHOOF公司生產(chǎn)的EtherCAT從站，分別是EK1100、EL1008、EL2008、EL3054、EL4024和EK1110。其中EL1008和EL3054分別是數(shù)字輸入和模擬輸入，EL2008和EL4024分別是數(shù)字輸出和模擬輸出。

在測(cè)試中，通過檢查所有從站的狀態(tài)和周期數(shù)據(jù)交換功能來判斷EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置是否成功。為了方便分析從站狀態(tài)，使用Wireshark抓取EtherCAT數(shù)據(jù)幀分析從站狀態(tài)，抓取到數(shù)據(jù)幀如圖10所示。圖10框中的數(shù)據(jù)是獲取到從站的狀態(tài)，它顯示所有從站都處于OP狀態(tài)，說明從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換成功，本方案成功配置了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)論

目前常見的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案使用XML文件作為配置信息，存在研發(fā)復(fù)雜和效率較低的問題。為了解決上述不足，本文研究了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的配置過程，提出了一種基于SII接口的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案。該方案使用從站SII接口中提供的信息，計(jì)算生成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案。通過與其他常見方案的比較發(fā)現(xiàn)，基于SII接口的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，能夠提高配置效率且實(shí)現(xiàn)較容易，因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值。