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    0 引言

    隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場，因此，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。 

    20世紀(jì)80年代產(chǎn)生和發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)，以全數(shù)字的通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，使得控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表之間不僅能傳輸生產(chǎn)過程測量與控制信息，而且能夠傳輸現(xiàn)場儀表的大量非控制信息，使得工業(yè)企業(yè)的管理控制一體化成為可能。然而，現(xiàn)場總線技術(shù)在其發(fā)展過程中存在不足：標(biāo)準(zhǔn)過多，不同總線之間不能兼容；專用實時通信網(wǎng)絡(luò)，成本高；速度較低，支持的應(yīng)用有限，不便于和Internet信息集成。

    由于現(xiàn)場總線的互連、互通與互操作性問題很難解決，于是現(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。經(jīng)過近幾年的努力，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。為了滿足高實時性能應(yīng)用的需求，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案，從而產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)（Real Time Ethernet，簡稱RTE）。目前，在最新版的IEC 61158 Ed.4標(biāo)準(zhǔn)中包含了11種實時以太網(wǎng)行規(guī)集：Profinet，EtherCAT，Ethernet/IP，SERCOS III，PowerLink， EPA， Modbus/TCP，TC-net，Vnet/IP，P-NET和HSE。

    本文介紹了一種基于嵌入式模塊comX的EtherCAT實時以太網(wǎng)從站設(shè)備設(shè)計方案，該模塊支持目前所有主流的實時以太網(wǎng)協(xié)議，并詳細(xì)討論了其硬件組成和軟件實現(xiàn)，以及在智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用。
   
    1 netX網(wǎng)絡(luò)控制器

    1.1 netX基本結(jié)構(gòu)

    netX網(wǎng)絡(luò)控制器是赫優(yōu)訊（Hilscher）公司推出的新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制芯片，目前具有netX500、netX100、netX50三種型號，是一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)控制器，它具有全新的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，適合工業(yè)通訊和大規(guī)模的數(shù)據(jù)吞吐。支持目前所有主流的實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)： PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink、SERCOS III、Open Modbus on TCP/IP、AS-Interface、Interbus、CC-Link、CANopen、DeviceNet、Profibus等協(xié)議。

    netX 500的結(jié)構(gòu)如圖1所示。netX 500/100以32位ARM 926EJ-S為CPU核，主頻200MHz，片上集成144KB SRAM、裝有引導(dǎo)程序和實時內(nèi)核的32KB ROM，通過Memory控制器可以外擴(kuò)SDRAM、SRAM或FLASH，通過雙端口內(nèi)存DPM接口還可以連接到主機(jī)系統(tǒng)。netX包含豐富的外設(shè)功能：如UART，USB，SPI，I2C以及集成的顯示控制器，可以滿足廣泛的應(yīng)用需求。此外，netX采用中央數(shù)據(jù)交換（Data Switch），它連接著各個功能單元，允許同時在不同的主從端口之間通信，同時可以防止它們在傳輸數(shù)據(jù)時相互阻塞。netX最大的亮點在于具有可以自由定義4個智能通訊口，可以配置為現(xiàn)場總線或?qū)崟r以太網(wǎng)通道。因此，netX是名副其實的“高端”網(wǎng)絡(luò)控制器。

    1.2 netX基本功能

    netX 500網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)部集成ARM 926的CPU核，因此可以做為一個單片系統(tǒng)，所有的應(yīng)用都可以在netX上實現(xiàn)。其次，netX具有雙端口內(nèi)存DPM接口，也可以再外接一個CPU，實現(xiàn)雙核系統(tǒng)： CPU負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序，netX專門實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。
      netX500最大的特點就是具有可配置的4個通信通道，它們建立在兩層結(jié)構(gòu)上，而且相互等同。它們具有專門的ALU，并且有特殊的邏輯單元，通過Microcode來實現(xiàn)各協(xié)議的基本功能。xMAC（Medium-Access-Controller）分別按照各自的總線存取進(jìn)程，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，加密或者將它們轉(zhuǎn)化為字節(jié)方式。xPEC（Protocol Execution Controller）負(fù)責(zé)編譯，并將數(shù)據(jù)打包，管理報文通訊。當(dāng)數(shù)據(jù)量大時，可通過DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而且，每個通道有一個雙端口內(nèi)存DPM，可用于保存狀態(tài)信息或本地數(shù)據(jù)。

    其中，前兩個通道集成PHY，可直接用于以太網(wǎng)的連接。并且內(nèi)部已經(jīng)集成了各種實時以太網(wǎng)協(xié)議所需的ASIC硬件資源，如Hub、Switch、IEEE1588等，如圖2所示。

    因此，通過這種智能的通訊ALU，在netX芯片上可以實現(xiàn)各種不同的通訊協(xié)議，可以是現(xiàn)場總線協(xié)議，也可以是各種實時以太網(wǎng)協(xié)議，并且可以自由組合。而且，同步過程不受CPU響應(yīng)時間的限制。 

    2 實時以太網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計

    在該從站設(shè)備中，使用的是德國赫優(yōu)訊（Hilscher）自動化系統(tǒng)有限公司的嵌入式模塊comX-CA-RE，模塊內(nèi)部已經(jīng)集成專用的ASIC芯片和固化程序Firmware，由該模塊實現(xiàn)實時以太網(wǎng)協(xié)議，主機(jī)CPU通過嵌入式模塊提供的雙端口內(nèi)存（Dual-Port Memory，DPM）接口與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用戶不需要關(guān)心協(xié)議的具體實現(xiàn)，只需往DPM接口讀/寫數(shù)據(jù)就可以，因此，該模塊就像一個內(nèi)存，使用起來特別方便。該模塊的另一個特點是，同一個硬件模塊上就能支持各種不同實時以太網(wǎng)協(xié)議：Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP、SERCOS III、Powerlink和Modbus TCP，并且還支持主站或從站，只需下載不同的協(xié)議堆棧Firmware。因此，減少了硬件開發(fā)成本，只需在軟件上更改相關(guān)協(xié)議的API，這大大的保護(hù)了投資，減少了開發(fā)的再投入成本。

    2.1 硬件設(shè)計

    嵌入式模塊comX-CA-RE提供給用戶的硬件接口只有X1一個排針連接頭（50根管腳），即雙端口內(nèi)存接口，該連接頭包含了與主機(jī)通信必備的控制線、16位數(shù)據(jù)總線和14位地址總線。

    由于該模塊已經(jīng)集成實現(xiàn)實時以太網(wǎng)接口的所有必備電路，因此在外圍電路設(shè)計的時候非常簡單方便，其電路連接與MCU和內(nèi)存的連接相似。實時以太網(wǎng)協(xié)議都由模塊內(nèi)部實現(xiàn)，用戶應(yīng)用程序只需通過提供的API接口和訪問方式，對雙端口內(nèi)存進(jìn)行讀/寫操作。嵌入式模塊comX與主機(jī)接口電路如圖3所示。在該設(shè)備中，同時還設(shè)計了IO、AD采集電路，DA輸出電路，以及其它的外設(shè)接口電路。

    2.2 軟件設(shè)計

    嵌入式模塊comX提供的主機(jī)接口是雙端口內(nèi)存DPM，用戶應(yīng)用程序通過DPM接口來訪問該模塊。同時，為了提高整個系統(tǒng)的實時性和可靠性，主機(jī)系統(tǒng)使用的是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux。因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，主要完成驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序的編寫。

    2.2.1 雙端口內(nèi)存DPM結(jié)構(gòu)

    用戶應(yīng)用程序通過雙端口內(nèi)存DPM來訪問實時以太網(wǎng)嵌入式模塊comX，嵌入式模塊comX提供的雙端口內(nèi)存DPM接口是16 KByte的地址空間，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    netX提供的雙端口內(nèi)存最大地址空間是64KByte，分為系統(tǒng)通道、握手通道、通訊通道0～3、應(yīng)用通道0～1。對于嵌入式模塊comX，實時以太網(wǎng)的協(xié)議堆棧（如EtherCAT從站的Firmware）已經(jīng)保存在模塊的Flash中，因此只使用了默認(rèn)的系統(tǒng)通道、握手通道和通訊通道0，16KByte的地址空間。

    系統(tǒng)通道512個字節(jié)，位于雙端口內(nèi)存DPM的起始位置，是最重要的通道，總是存在。它包含了系統(tǒng)本身（netX硬件和實時操作系統(tǒng)rcX）的關(guān)鍵信息，并且提供一種郵箱的傳輸機(jī)制，用于發(fā)送/接收跟系統(tǒng)相關(guān)的報文。各功能塊如表1所述。

    握手通道256字節(jié)，從偏移地址0x0200開始，提供主機(jī)系統(tǒng)與netX固件（運行在netX芯片中的協(xié)議堆棧）之間的數(shù)據(jù)傳輸同步機(jī)制。所有通道的握手寄存器都在此區(qū)域，每個握手寄存器包含兩類握手信息：系統(tǒng)握手信息和通訊握手信息。系統(tǒng)握手信息與“系統(tǒng)設(shè)備”相關(guān)，由主機(jī)應(yīng)用執(zhí)行netX系統(tǒng)相關(guān)的命令，如復(fù)位等。通訊握手信息用于同步循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)，同時向主機(jī)系統(tǒng)提供狀態(tài)變化信息。

    通訊通道m(xù)＊256字節(jié)，從偏移地址0x0300開始，現(xiàn)場總線協(xié)議堆棧使用該通道，與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)和非循環(huán)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換。共有四個通訊通道，每個通訊通道分別對應(yīng)netX芯片的xMAC/xPEC端口，其結(jié)構(gòu)都相同。通訊通道0的默認(rèn)大小是16KByte，其各功能塊如表2所述。

    應(yīng)用通道m(xù)＊256字節(jié)，根據(jù)實際的需求，并不一定需要該通道，該通道實現(xiàn)用戶特殊的信息交互，由客戶定義使用。

    2.2.2 驅(qū)動程序的設(shè)計

    赫優(yōu)訊提供嵌入式模塊comX的驅(qū)動源碼Toolkit，用戶可以根據(jù)實際的需求，在不同的目標(biāo)系統(tǒng)中集成該Toolkit提供的驅(qū)動接口，這樣用戶應(yīng)用程序就能很方便的訪問嵌入式模塊comX的雙端口內(nèi)存。Toolkit提供的驅(qū)動接口與實時以太網(wǎng)協(xié)議無關(guān)，只與comX雙端口內(nèi)存DPM相關(guān)，因此，如果基于comX模塊開發(fā)多種實時以太網(wǎng)協(xié)議（Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP主從站等）的設(shè)備，其驅(qū)動程序是通用的。

    在本系統(tǒng)中，使用Linux實時操作系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動主要完成對嵌入式模塊comX雙端口內(nèi)存DPM的訪問，用戶程序通過調(diào)用Toolkit提供的接口函數(shù)來訪問實時以太網(wǎng)嵌入式模塊comX。Linux設(shè)備驅(qū)動的框架如圖5所示。

    Linux設(shè)備驅(qū)動主要實現(xiàn)的函數(shù)如表3。

    2.2.3 應(yīng)用程序的設(shè)計

    由于赫優(yōu)訊提供的嵌入式模塊comX，在同一個硬件模塊上就能支持各種主流的實時以太網(wǎng)協(xié)議：Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP、SERCOS III、Powerlink和Modbus TCP，并且還支持主站或從站，只需下載不同的協(xié)議堆棧Firmware。也就是說，如果開發(fā)不同實時以太網(wǎng)通訊接口的同類產(chǎn)品，除了不同的實時以太網(wǎng)協(xié)議接口不一樣，其它的程序接口都是一樣的。

    在本系統(tǒng)中，使用嵌入式模塊COMX-CA-RE/ECS，即EtherCAT從站模塊。因此，應(yīng)用程序主要實現(xiàn)的功能：模塊的初始化，從站熱啟動參數(shù)的下載，外圍采集模塊的數(shù)據(jù)采集，以及與EtherCAT主站設(shè)備的數(shù)據(jù)交換等等。

    嵌入式模塊comX的Flash中已經(jīng)保存了EtherCAT從站的協(xié)議堆棧，在系統(tǒng)上電后，會自動加載該協(xié)議堆棧。然后再加載從站的熱啟動參數(shù)，需應(yīng)用程序加載。不同的實時以太網(wǎng)從站，其熱啟動參數(shù)是不一樣的，以報文的方式，通過雙端口內(nèi)存DPM的系統(tǒng)郵箱發(fā)送給comX。

    當(dāng)把熱啟動參數(shù)下載完成后，通過xChannelIOWrite（）和xChannelIORead（）兩個函數(shù)，主機(jī)應(yīng)用程序就可以與comX模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。comX模塊中運行的EtherCAT協(xié)議堆棧會自動將主機(jī)應(yīng)用發(fā)來的循環(huán)數(shù)據(jù)或非循環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上。反之，自動截取EtherCAT主站發(fā)送給該從站的數(shù)據(jù)，并傳送給主機(jī)應(yīng)用程序。

    3 EtherCAT從站模塊在智能設(shè)備的應(yīng)用

    此智能分揀系統(tǒng)要求以流水方式順序檢測產(chǎn)品的若干個質(zhì)量特征，并對相應(yīng)的質(zhì)量特征作出判別，并由主控制器對各個傳感器的檢測結(jié)果加以匯總從而得到某一產(chǎn)品的分揀結(jié)果，并控制分揀電機(jī)將相應(yīng)的產(chǎn)品分揀到指定的分揀倉中，同時將該產(chǎn)品的質(zhì)量信息存入數(shù)據(jù)庫中。

    在本系統(tǒng)中，傳感器檢測頻率設(shè)計為40Hz，由于傳感器位置和處理時間的原因留給數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間要求小于1ms。同時由于要求質(zhì)量判定結(jié)果要存入數(shù)據(jù)庫，所以單一傳感器的傳輸數(shù)據(jù)量為10～1kByte，因此，要求采用的現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)帶寬不能小于10M。所以，在本系統(tǒng)中選用了EtherCAT實時以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸總線，采用德國赫優(yōu)訊的comX嵌入式模塊作為從站接入模塊，嵌入式系統(tǒng)通過DPM與comX通訊，采用輪詢的方式向主控制器發(fā)送檢測結(jié)果。 
 
    4 結(jié)束語

    目前，國內(nèi)廠家多限于對現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)，對實時以太網(wǎng)產(chǎn)品的的研究開發(fā)甚少，本文介紹了一種支持所有主流實時以太網(wǎng)協(xié)議的嵌入式模塊comX，并詳細(xì)討論了其關(guān)鍵的開發(fā)步驟，對實時以太網(wǎng)產(chǎn)品的開發(fā)具有借鑒作用。從實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形勢看，實時以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用必將越來越廣。