CAN總線協(xié)議到EtherCAT從站協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：本文通過對(duì)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議EtherCAT的研究，設(shè)計(jì)了CAN總線主站協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherCAT從站協(xié)議的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備，解決了工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)CAN總線通信設(shè)備與EtherCAT主站控制系統(tǒng)的互連問題，從而保證現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)據(jù)更加高效、快速地傳遞到中央監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：EtherCAT從站；CAN總線；網(wǎng)關(guān)；協(xié)議轉(zhuǎn)換

引言
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息傳遞不再采用模擬信號(hào)電纜傳送，而是替換為智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過通信方式傳遞設(shè)備的狀態(tài)和控制信息。在這個(gè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備得到了大量的應(yīng)用。而現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的多樣性，導(dǎo)致在一個(gè)大型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中設(shè)備的通信協(xié)議不同、通信速率不同、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问讲煌?，給中央監(jiān)控系統(tǒng)和這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的信息交互帶來困擾。
為了更好地解決控制系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸及互連的問題，部分國(guó)際自動(dòng)化系統(tǒng)廠家借助以太網(wǎng)現(xiàn)有協(xié)議框架及其100M的帶寬資源，在現(xiàn)有的以太網(wǎng)協(xié)議上進(jìn)行相應(yīng)的修改，推出了不同的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，比較流行的有EtherCAT、Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet／IP等。其中，EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是開放的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，最初由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有配置簡(jiǎn)單、有效數(shù)據(jù)率高、全雙工、數(shù)據(jù)傳輸容量大、傳輸速度快、時(shí)鐘同步性高、成本低、開放性好等特點(diǎn)，是一種用于工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)、高速以太網(wǎng)通信協(xié)議。EtherCAT協(xié)議使用全雙工100 Mbps以太網(wǎng)，系統(tǒng)由一個(gè)通信主站和若干從站通信節(jié)點(diǎn)組成，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序由軟件實(shí)現(xiàn)，從站通信節(jié)點(diǎn)使用專門的EtherCAT從站控制器。
本文設(shè)計(jì)了CAN總線主站協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherCAT從站協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān))，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)CAN總線通信設(shè)備與EtherCAT主站控制系統(tǒng)的互連通信。

1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)存在兩個(gè)方向的外部接口，對(duì)上通過以太網(wǎng)與EtherCAT主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議符合EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求；對(duì)下與CAN總線從站設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、故障診斷恢復(fù)和冗余切換處理等。系統(tǒng)總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)
2．1 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)核心器件選型
CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件包括EtherCAT從站協(xié)議控制器、從站MCU、CAN總線協(xié)議控制器等。EtherCAT協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。從站MCU主要負(fù)責(zé)運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)EtherCAT和CAN總線協(xié)議之間的協(xié)議及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CAN總線協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)CAN總線的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。
現(xiàn)在市場(chǎng)上有多種EtherCAT協(xié)議控制器可供使用，如Beckhoff公司的ASIC芯片ET1100、ET1200，德國(guó)Hilscher公司的ComX—CA—RE模塊，也可以使用IP—Core將EtherCAT通信功能集成到設(shè)備控制FPGA中。ET1200是簡(jiǎn)化版，只提供1個(gè)RJ45接口，不能滿足開發(fā)需求。ComX模塊提供了方便易用的接口，可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，但是價(jià)格較高。FPGA可提供針對(duì)Altera和Xilinx公司的IP核，但是價(jià)格高，開發(fā)難度大。
考慮到實(shí)際應(yīng)用中，開發(fā)成本及軟硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，EtherCAT從站協(xié)議控制器選用ET1100。ET1100是一款強(qiáng)大的EtherCAT從站控制器ESC專用芯片，具有豐富的接口資源。它具有4個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口、8個(gè)FMMU單元、8個(gè)SM、4 KB控制寄存器、8 KB過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、支持64位的分布時(shí)鐘。
從站MCU選用LPC2292芯片。LPC2292是一款基于16／32位ARM7TDMI—S核，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的MCU。LPC2292自帶2路高級(jí)CAN總線通道，可節(jié)省設(shè)計(jì)成本。
2．2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)主要由通信控制回路、Ethernet回路、CAN總線回路3部分電路構(gòu)成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖2所示。

在EtherCAT回路中，EtherCAT協(xié)議控制器ET1100可選擇使用SPI或8位、16位總線與LPC2292連接。ET1100的相關(guān)信息保存在EEPROM中。數(shù)據(jù)收發(fā)端口使用PORT0和PORT1，采用MII方式連接PHY芯片，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離，通過RJ45接口與主站或其他從站連接。
通信管理控制回路由MCU(LPC2292)、狀態(tài)顯示電路、外部存儲(chǔ)器及單片機(jī)外圍電路構(gòu)成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的配置信息、通信數(shù)據(jù)使用256 KB外部RAM或F-RAM存儲(chǔ)，可以顯示運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)等信息。
CAN總線第3方通信協(xié)議中，使用LPC2292的內(nèi)置CAN總線控制器，可根據(jù)需要使用1路或2路CAN總線。為了提高CAN／EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的電磁兼容性EMC，使用高速光耦對(duì)CAN總線通信信號(hào)進(jìn)行隔離。