CN105656592A - EtherCAT通信***主站及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种EtherCAT通信***主站及通信方法，所述主站包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器；所述主处理模块包括PDO交互单元，所述FPGA包括PDO收发单元、分布时钟单元以及物理层控制单元；其中：所述分布时钟单元，用于根据FPGA的时钟信号实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；所述数据收发单元，用于按照通信周期将来自PDO交互单元的从站交互数据封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给PDO交互单元；所述物理层控制单元，用于实现EtherCAT数据帧的全双工收发以及分布时钟报文的发送。本发明通过FPGA的硬件实现运动控制器与伺服从站的时钟同步，并据此实现周期性数据的收发，可实现精确的主从站同步通信。

Description

EtherCAT通信***主站及通信方法
技术领域
本发明涉及EtherCAT通信领域，更具体地说，涉及一种EtherCAT通信***主站及通信方法。
背景技术
EtherCAT(以太网控制自动化技术，简称ECAT)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线***，以其独有的“onthefly”通信方式，使通信数据帧经过各个站点时，在数据帧不作停留的情况下，处理相应站点的数据，从而大幅降低了数据处理时间，缩短了通信周期。加上其分布时钟(DistributeClock，DC)的同步机制，使得EtherCAT广泛应用于高速、高精的运动控制领域。
EtherCAT从站通过EtherCAT从站控制器(ESC)得以实施。而主站没有专用的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，专用集成电路)，EtherCAT主站通常由运行在操作***(Windows、Linux、VxWorks等)上的纯软件，并结合标准以太网卡驱动实现。
在实际应用中，EtherCAT主站往往运行在运动控制器一端，运动控制器会产生周期规划的数据，而这些数据能否通过EtherCAT主站实时发送至各个伺服从站，这是影响该控制***的控制性能的关键因素。因此EtherCAT主站的实时性以及主站与从站的同步性能，对高速、高精的运动控制来说，是至关重要的。
为实现EtherCAT主站与伺服从站的实时同步，运动控制器的周期中断时钟必须与所有伺服从站的分布时钟(DC)同步，否则运动控制器周期规划的多轴同步运动(如插补运动)数据在伺服端不能保证被同步执行。这样一来，控制精度便无从谈起。
传统的EtherCAT主站是基于操作***OS(OperatingSystem)的纯软件架构。由于操作***多任务的调度是非常复杂的并且是非实时的，所以想要在操作***上执行1ms以下的EtherCAT实时任务，必须跟操作***供应商深度合作(如Windows)或者给操作***(如Linux等)打上实时补丁。例如通过实时补丁RTPatch产生的定时器(Timer)为EtherCAT通信提供主站时钟(ClockM)，如图1所示，EtherCAT主站将此主站时钟直接设定给参考时钟从站SL0(Slave0)作为其分布时钟，其后的伺服从站又以参考时钟的分布时钟为参考进行同步。由于EtherCAT主站的收发包行为通过操作***下的以太网适配器(EthernetAdapter)的驱动程序后存在延时不确定性，这必然会给整个EtherCAT网络的分布时钟直接引入一个抖动，从而破坏伺服从站间的同步性能，因此传统的EtherCAT主站方案无法保证运动控制器的周期中断时钟与伺服从站的分布时钟达到同步。
然而，不管是与操作***供应商深度合作或者还是为操作***打实时补丁，都需通过修改操作***底层任务调度，从而提高EtherCAT主站任务的实时性。但这势必会对操作***的稳定性带来很大的挑战和风险。而且即便通过这样的实时改造，想要获得500us以下的实时性能，也是需要性能超强的CPU才能实现，这势必又对***的成本造成冲击。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述EtherCAT通信中实时性能较差、成本较高的问题，提供一种EtherCAT通信***主站及通信方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种EtherCAT通信***主站，包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器，并通过所述以太网收发器连接参考时钟从站和伺服从站；所述主处理模块包括PDO交互单元，所述FPGA包括PDO收发单元、分布时钟单元以及物理层控制单元；其中：所述分布时钟单元，用于根据FPGA的时钟信号周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；所述数据收发单元，用于按照通信周期将来自PDO交互单元的从站交互数据封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给PDO交互单元；所述物理层控制单元，用于控制以太网收发器实现EtherCAT数据帧的全双工收发以及分布时钟报文的发送。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站中，所述分布时钟单元包括延时设置单元、时钟发送单元以及启动控制单元，其中：所述延时设置单元，用于测算主站到参考时钟从站的传输延时和时间偏置并将计算结果设置到参考时钟从站；所述时钟发送单元，用于定时将FPGA的时钟发送到各个伺服从站；所述启动控制单元，用于在主站与伺服从站的时钟同步以后，计算各个伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断启动时间，所述伺服从站的同步信号启动时间与主站的中断启动时间在相位上对齐。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站中，所述主站的主处理模块包括文件解析单元、站点扫描单元、状态机管理单元、配置单元以及邮箱通信单元，所述FPGA包括SDO收发单元，所述SDO收发单元用于通过物理层控制单元实现文件解析单元、站点扫描单元、状态机管理单元、配置单元以及邮箱通信单元与各个伺服从站的数据交互。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站中，所述主站包括两个以太网收发器，且其中一个以太网收发器用于进行数据报文的收发、另一个以太网收发器用于实现主站环形冗余，所述物理层控制单元包括端口管理单元，该端口管理单元用于实现端口连接状态和环形冗余处理。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站中，所述物理层控制单元包括报文过滤单元，用于过滤非EtherCAT报文。
本发明还提供一种EtherCAT通信***主站通信方法，所述主站包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器，并通过所述以太网收发器连接参考时钟从站和伺服从站；所述方法包括以下步骤：
(a)所述FPGA根据该FPGA的时钟信号周期性地通过以太网收发器向伺服从站发送分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；
(b)所述FPGA按照通信周期将来自主处理模块的PDO封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给主处理模块；
(c)所述FPGA控制以太网收发器实现EtherCAT数据帧的全双工收发。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站通信方法中，所述步骤(a)包括：
(a1)所述FPGA测算主站到参考时钟从站的传输延时和时间偏置并将计算结果设置到参考时钟从站；
(a2)所述FPGA定时将FPGA的时钟发送到各个伺服从站；
(a3)所述FPGA在主站与伺服从站的时钟同步以后，计算各个伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断启动时间，所述伺服从站的同步信号启动时间与主站的中断启动时间在相位上对齐。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站通信方法中，所述方法还包括：
所述FPGA通过以太网收发器实现主站和从站间的SDO的收发；
所述主处理模块根据FPGA接收的从站设备描述文件解析出与配置相关的从站信息；
所述主处理模块通过FPGA对连接到EtherCAT网络上的所有时钟参考从站和伺服从站进行扫描，获取在线的从站数和各个从站的设备描述信息；
所述主处理模块通过FPGA完成各从站的应用层状态切换管理；
所述主处理模块通过FPGA对从站进行相关配置；
所述主处理模块通过FPGA与伺服从站实现邮箱通信。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站通信方法中，所述主站包括两个以太网收发器，且其中一个以太网收发器用于进行数据报文的收发、另一个以太网收发器用于实现主站环形冗余，所述方法包括：所述FPGA进行端口连接状态、环形冗余处理。
在本发明所述的EtherCAT通信***主站通信方法中，所述方法包括：所述FPGA过滤非EtherCAT报文。
本发明所述的EtherCAT通信***主站及通信方法，通过FPGA的硬件实现运动控制器与伺服从站的时钟同步，并据此实现周期性数据的收发，无需在操作***的内核空增加模块，也不需要增加实时补丁，即可实现精确的主从站同步通信。
附图说明
图1是本发明EtherCAT通信***实施例的示意图。
图2是图1中EtherCAT通信***的模块示意图。
图3是图1中EtherCAT通信***时钟同步的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，是本发明EtherCAT通信***主站实施例的示意图，其可代替现有EtherCAT通信***中的主站，以进行伺服从站控制。该EtherCAT通信***主站包括主处理模块10、FPGA(可编程逻辑器件)20以及以太网收发器(EthernetPHY)30，并通过以太网收发器30连接参考时钟从站和伺服从站。上述主处理模块10具体可采用ARM芯片并运行有操作***(可包括操作***用户空间和操作***内核空间)，该主处理模块10通过外设接口(PeripheralInterface)与FPGA20连接。
在本实施例中，主处理模块10在操作***用户空间实现应用层ECATAL(EtherCATApplicationLayer)功能，FPGA20完成EtherCAT通信***主站的数据链路层ECATDLL(EtherCATDataLinkLayer)功能和物理层ECATPL(EtherCATPhysicalLayer)管理功能。一路以太网收发器30通过RJ45端口连接EtherCAT从站，进行数据报文的收发，另外一路以太网收发器30作为主站环形冗余使用。
主处理模块10包括运行在应用层的PDO交互单元11，FPGA20包括运行在数据链路层的PDO收发单元22、分布时钟单元21以及运行在物理层的物理层控制单元24，上述PDO交互单元11、PDO收发单元22、分布时钟单元21以及物理层控制单元24可结合相应的软件实现。
分布时钟单元21用于根据FPGA20的硬件时钟信号(而非主处理模块10的时钟信号)周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步。具体地，分布时钟单元21包括延时设置单元、时钟发送单元以及启动控制单元。如图3所示，延时设置单元在分布时钟单元21初始化过程中，测算主站到参考时钟从站SL0的传输延时和时间偏置，并将计算结果设置到参考时钟从站SL0；时钟发送单元定时将FPGA20的数据链路层(DLL)时钟ClockM发送到各个伺服从站SL1，SL2，…，SLN(N为整数)，利用EtherCAT分布时钟同步机制，确保所有伺服从站分布时钟(DC)与主站时钟严格同步上；启动控制单元在主站时钟与伺服从站时钟同步上以后，计算各伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断(Interrupt)启动时间，并保证所有从站同步信号启动时间与主站中断启动时间在相位上对齐。
通过基于FPGA20的硬件时钟的分布时钟单元21，运动控制器依据上述主站中断信号作的周期规划数据就能被所有伺服从站在同一周期同步执行，实现高速、高精高同步性能控制。
PDO交互单元11用于根据应用层任务调用生成PDO数据，包括I/O数据、控制数据、状态数据等，并处理来自伺服从站的反馈数据供应用层任务调用。PDO收发单元22基于分布时钟单元21的通信周期(即基于FPGA20的硬件时钟)将来自PDO(ProcessDataObject)交互单元11的PDO数据封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元24的EtherCAT数据帧解封后传送给PDO交互单元11；物理层控制单元24用于控制以太网收发器30实现EtherCAT数据帧的全双工收发以及分布时钟报文的发送。
EtherCAT主站通过上述分层技术，将EtherCA物理层中实时性要求最高的PDO收发功能放在FPGA20中实现，利用FPGA20本身的硬件实时来保证EtherCAT主站通信对实时性的苛刻要求。
另外，由于物理层管理功能(即物理层控制单元24)也在FPGA20中实现，省去了操作***对以太网收发器30的驱动调度，从而消除了EtherCAT数据报文收发的延时不确定性问题，去除了EtherCAT数据报文发送周期的抖动，使EtherCAT通信***获取稳定的分布时钟同步性能。由于实时性在FPGA20中的数据链路层得到保障，而EtherCAT主站的应用层可以直接运行在主处理模块10的操作***的用户空间，无需在内核空间增加模块或者实时补丁，在获取优越的硬实时的情况下，还能最大限度的减小操作***的负荷，保证***的可靠稳定运行。
上述主站的主处理模块10还包括文件解析单元13、站点扫描单元12、状态机管理单元15、配置单元14以及邮箱通信单元16，相应地，FPGA20包括SDO(ServiceDataObject)收发单元23，该SDO收发单元23用于通过物理层控制单元24实现文件解析单元13、站点扫描单元12、状态机管理单元15、配置单元14以及邮箱通信单元16与各个伺服从站的数据交互，即接收文件解析单元13、站点扫描单元12、状态机管理单元15、配置单元14以及邮箱通信单元16的数据报文，然后转发至物理层控制单元24，同时接收物理层控制单元24返回的数据报文，通知应用层的相关单元读取。
具体地，文件解析单元13从EtherCAT从站的设备描述文件(XML文件)中解析出与配置相关的从站信息，如：供应商ID(VendorID)、产品代码(ProductCode)以及过程数据PDO(ProcessDataObject)映射等。站点扫描单元12用于实现主站对连接到EtherCAT网络上的所有从站进行扫描，获取在线的从站数和各个从站的设备描述信息。状态机(FiniteStateMachine，FSM)管理单元15用于完成各从站的应用层状态切换管理，包含四种状态的管理：初始化(INIT)、预操作(PREOP)、安全操作(SAFEOP)、操作状态(OP)。配置单元14用于在从站进入PREOP状态以后，根据用户想要的操作模式对EtherCAT从站进行相关配置，如通信周期、同步模式、DC周期、PDO映射等。邮箱通信单元16用于实现EtherCAT服务数据SDO(ServiceDataObject)的读写，视主站规格，可部分或全部包含以下应用层协议：CoE(CANopenoverEtherCAT)、SoE(ServooverEtherCAT)、FoE(FileoverEtherCAT)、EoE(EthernetoverEtherCAT)、AoE(ADSoverEtherCAT)、VoE(VendoroverEtherCAT)。
特别地，上述物理层控制单元24还可包括报文过滤单元，用于过滤非EtherCAT报文。
本发明还提供一种EtherCAT通信方法，其中EtherCAT通信***中的主站包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器，并通过以太网收发器连接参考时钟从站和伺服从站；该方法包括以下步骤：
(a)FPGA根据该FPGA的时钟信号周期性地通过以太网收发器向伺服从站发送分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步。
该步骤具体可包括：FPGA测算主站到参考时钟从站的传输延时和时间偏置并将计算结果设置到参考时钟从站；FPGA定时将FPGA的时钟发送到各个伺服从站；FPGA在主站与伺服从站的时钟同步以后，计算各个伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断启动时间，伺服从站的同步信号启动时间与主站的中断启动时间在相位上对齐。
(b)FPGA按照通信周期将来自主处理模块的PDO封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给主处理模块；
(c)FPGA控制以太网收发器实现EtherCAT数据帧的全双工收发。
上述的EtherCAT通信方法中，除了PDO数据收发，还可包括：FPGA通过以太网收发器实现主站和从站间的SDO的收发；主处理模块根据FPGA接收的从站设备描述文件中解析出与配置相关的从站信息；主处理模块通过FPGA对连接到EtherCAT网络上的所有时钟参考从站和伺服从站进行扫描，获取在线的从站数和各个从站的设备描述信息；主处理模块通过FPGA完成各从站的应用层状态切换管理；主处理模块通过FPGA对从站进行相关配置；主处理模块通过FPGA与伺服从站实现邮箱通信。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种EtherCAT通信***主站，其特征在于：包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器，并通过所述以太网收发器连接参考时钟从站和伺服从站；所述主处理模块包括PDO交互单元，所述FPGA包括PDO收发单元、分布时钟单元以及物理层控制单元；其中：所述分布时钟单元，用于根据FPGA的时钟信号周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；所述数据收发单元，用于按照通信周期将来自PDO交互单元的从站交互数据封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给PDO交互单元；所述物理层控制单元，用于控制以太网收发器实现EtherCAT数据帧的全双工收发以及分布时钟报文的发送。
2.根据权利要求1所述的EtherCAT通信***主站，其特征在于：所述分布时钟单元包括延时设置单元、时钟发送单元以及启动控制单元，其中：所述延时设置单元，用于测算主站到参考时钟从站的传输延时和时间偏置并将计算结果设置到参考时钟从站；所述时钟发送单元，用于定时将FPGA的时钟发送到各个伺服从站；所述启动控制单元，用于在主站与伺服从站的时钟同步以后，计算各个伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断启动时间，所述伺服从站的同步信号启动时间与主站的中断启动时间在相位上对齐。
3.根据权利要求1所述的EtherCAT通信***主站，其特征在于：所述主站的主处理模块包括文件解析单元、站点扫描单元、状态机管理单元、配置单元以及邮箱通信单元，所述FPGA包括SDO收发单元，所述SDO收发单元用于通过物理层控制单元实现文件解析单元、站点扫描单元、状态机管理单元、配置单元以及邮箱通信单元与各个伺服从站的数据交互。
4.根据权利要求1所述的EtherCAT通信***主站，其特征在于：所述主站包括两个以太网收发器，且其中一个以太网收发器用于进行数据报文的收发、另一个以太网收发器用于实现主站环形冗余，所述物理层控制单元包括端口管理单元，该端口管理单元用于实现端口连接状态和环形冗余处理。
5.根据权利要求1所述的EtherCAT通信***主站，其特征在于：所述物理层控制单元包括报文过滤单元，用于过滤非EtherCAT报文。
6.一种EtherCAT通信***主站通信方法，其特征在于：所述主站包括主处理模块、FPGA以及以太网收发器，并通过所述以太网收发器连接参考时钟从站和伺服从站；所述方法包括以下步骤：
(a)所述FPGA根据该FPGA的时钟信号周期性地通过以太网收发器向伺服从站发送分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；
(b)所述FPGA按照通信周期将来自主处理模块的PDO封装为EtherCAT数据帧并将来自物理层控制单元的EtherCAT数据帧解封后传送给主处理模块；
(c)所述FPGA控制以太网收发器实现EtherCAT数据帧的全双工收发。
7.根据权利要求6所述的EtherCAT通信***主站通信方法，其特征在于：所述步骤(a)包括：
(a1)所述FPGA测算主站到参考时钟从站的传输延时和时间偏置并将计算结果设置到参考时钟从站；
(a2)所述FPGA定时将FPGA的时钟发送到各个伺服从站；
(a3)所述FPGA在主站与伺服从站的时钟同步以后，计算各个伺服从站的同步信号启动时间和主站的中断启动时间，所述伺服从站的同步信号启动时间与主站的中断启动时间在相位上对齐。
8.根据权利要求6所述的EtherCAT通信***主站通信方法，其特征在于：所述方法还包括：
所述FPGA通过以太网收发器实现主站和从站间的SDO的收发；
所述主处理模块根据FPGA接收的从站设备描述文件解析出与配置相关的从站信息；
所述主处理模块通过FPGA对连接到EtherCAT网络上的所有时钟参考从站和伺服从站进行扫描，获取在线的从站数和各个从站的设备描述信息；
所述主处理模块通过FPGA完成各从站的应用层状态切换管理；
所述主处理模块通过FPGA对从站进行相关配置；
所述主处理模块通过FPGA与伺服从站实现邮箱通信。
9.根据权利要求6所述的EtherCAT通信***主站通信方法，其特征在于：所述主站包括两个以太网收发器，且其中一个以太网收发器用于进行数据报文的收发、另一个以太网收发器用于实现主站环形冗余，所述方法包括：所述FPGA进行端口连接状态、环形冗余处理。
10.根据权利要求6所述的EtherCAT通信***主站通信方法，其特征在于：所述方法包括：所述FPGA过滤非EtherCAT报文。
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