第５期（总第２０４期） ２０１７年１Ｏ月 机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡｌ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＮＯ．５
０ｃｔ．
文章编号：１６７２—６４１３（２０１７）０５—００９６—０２ ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议从站设计与实现 杨勇军 ，龙 辛 ，王纪新 （１．湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南 湘潭４１１１０５；２．湘电集团湘电风能有限公 司，湖南 湘潭４１１１０５）
摘要：分析了几种以太网实现模型，根据需要和开发效率选定了采用ＡＳＩＣ开发方案，并分析了从站硬件和 软件的实现。 关键词：ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议；现场总线；工业以太网；ＡＳＩＣ 中图分类号：ＴＰ３９３．１１：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ
０ 引言 现场总线是连接控制系统与被控设备的一种串行 数字式多点双向通信的数据总线，它实现了控制分散 化和控制系统开放化。但由于各厂家处理器应用协议 的不同，一般存在兼容性问题。工业以太网用于将若 干独立系统进行通信连接，基于以太网可运行不同协 议，因此不存在兼容性问题。但国内对工业以太网的 研究还处于起步阶段，本文采用ＡＳＩＣ方案实现了 应用层 ＩＴ应用ｌ实时应用 网络和 传输层 ＴＣＰ／ＩＰ 数据链 标准的以太网 路层 数据链路层 物理层 标准以太网物理层 （ａ）通用以太网实现模型 ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站。 １工业以太网实现模型 实时工业以太网为了达到高实时性能，都采取了 相应的策略以解决普通以太网的数据碰撞问题。对已 有的实时工业以太网，根据其实时性实现策略的不同， 实现模型可分为通用以太网实现模型、工业以太网实 现模型和实时工业以太网实现模型，其结构如图１所 示。
应用层 ＩＴ应用 实时应用 网络和 过程数据 传输层 ＴＣＰ／ＩＰ 数据链 标准的以太网 路层 数据链路层 物理层 标准以太网物理层 应用层 ＩＴ应用 实时应用 网络和 过程数据 传输层 ＴＣＰ／ＩＰ
数据链 修改的以太网 路层 数据链路层
物理层 标准以太网物理层 （ｂ）工业以太网实现模型 （ｃ）实时工业以太网实现模型 图１ 以太网实现模型 图１（ａ）是目前常采用的模型，该模型采用独立帧 的格式进行通信，即主站一次只与一个从站实现通信， 其信道利用率低、实时性差，且处理速度受操作系统和 处理器的影响。图１（ｃ）是建议采用的模型，该模型通 过集束帧的方式实现主从站之间的通信，即主站发送 一束包含所有从站需要交换信息的帧，且对帧的处理 是基于硬件的，即与处理器等性能无关，对于１ ０００个 数字Ｉ／Ｏ的刷新周期仅为３０ ｓ，对于一个高达１ ４８６ Ｂ的以太网帧，数据的传输时间仅为３００ ｆｆｓ。因此，此 课题的研究是非常有意义的。 ２从站硬件实现 从站系统的构建主要是微控制器的选择，目前有 两种ＥＳＣ实现方案可供选择：一种是ＩＰ—Ｃｏｒｅ方案， 另一种是ＡＳＩＣ方案。其中ＡＳＩＣ方案是一种为实现 特定目的而设计的集成电路，与ＩＰ－Ｃｏｒｅ相比，ＡＳＩＣ 芯片具有高效、紧凑、高性价比等特点。目前有两种 ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站ＡＳＩＣ芯片可供使用：ＥＴ１１００和 ＥＴ１２００。其中ＥＴ１２００适合在低成本、低复杂度、性 能要求较低的从站系统中使用，本设计采用ＡＳＩＣ方 案。 选定协议芯片后，然后考虑其物理环境的搭建，图 ２为应用ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议的物理连接图。其中连接器 为弹片式。 从站硬件电路主要包含电源电路、ＥＴ１１００外围 电路、ＰＨＹ芯片外围电路、ＥＴ１２Ｏ０连接电路、ＰＤＩ接 口和物理端口通信配置电路等。从站结构图如图３所 示。其中ＦＰＧＡ与ＥＴ１１００采用并行与串行连接，与 ＥＴ１２００采用串行连接，实现数字ＩＯ测试。 ３从站软件实现 从站软件使用了分层的软件设计方法，可分成三 层来实现：①驱动程序；②ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议栈；③应用 层。其中驱动程序主要包括寄存器配置、缓存读写、
收稿日期：２０１７一Ｏ２—２８；修订日期：２０１７一Ｏ６ １８ 作者简介：杨勇军（１９８９一），男，湖南岳阳人，在读硕士研究生，研究方向：工业以太网，嵌入式系统。 ２０１７年第５期 杨勇军，等：ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议从站设计与卖现 ・ ９７ ・ ＥＥＰＲＯＭ模拟等供ＦＰＧＡ访问的程序。其他硬件驱 动程序主要用于初始化和操作Ｆｌａｓｈ、ＥＴ１２００等。本文
塔基
机舱
ＣＰＵ
∞ ∞ 【
采用ＦＰＧＡ＋软核的方式实现ＳＰＩ驱动，完成ＦＰＧＡ与 ＥＴ１２００的数据存取。 ＰＯＷＥＲ ＤＩＯ ＡＩＯ ｌ ＥＴ１２００ｌ
蔓圃ｌ ∽ 蚕 曲 ∽ ∞ ∞
Ｉ ＥＴ１２００ ｌ 洞 ｆ 翮 ∞
∞ 【
光纤
ＮＥＴ ＣＡＮ ＤＩＯ ＰＩＡＯ ＡＩＯ 光纤 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 图２ 应用 ∽ ∞ 【工】 ∽ 昌 ∞ ＥＴ１２００ 基ｉ ｌ 连接器 ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议的物理连接图 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｉ； ｉｎｔ Ｓｔａｔｕｓ； ｕ８ Ａｄｄｒ＿Ｃｍｄ［４］； 图３从站结构图 对于ＳＰＩ存取主要使用了两个接口，一个是 Ｅｔｌ２００一ＳｐｉＲｄ一２Ｂｙｔｅ；另一个是Ｅｔｌ２００一ＳｐｉＷｒ一 ２Ｂｙｔｅ。其接口源码如下： ｕ１６ Ｅｔｌ２００一ＳｐｉＲ（Ｌ２Ｂｙｔｅ（ＸＳｐｉ＊ＳｐｉＰｔｒ，ｕ３２ Ａｄｄｒｅｓｓ） ｛ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｉ； ｉｎｔ Ｓｔａｔｕｓ； ｕ８ Ａｄｄｒ Ｃｍｄ［－２］； ｕ８ Ｓｅｎｄ—Ｂｕｆ［２］； ｕ８ Ｒｅｃｖ＿Ｂｕｆ［２］； ｕｌ６ Ｒｅｃｖ—Ｄａｔｅ； Ｓｅｎｄ—Ｂｕｆ［１］一０ｘｆｆ； Ａｄｄｒ＿Ｃｍｄ［Ｏ］一（ｕ８）（（Ａｄｄｒｅｓｓ＞＞５）＆０ｘＦＦ）；／／ＭＳＢ Ａｄｄｒｃｍｄ［１］一（ｕ８）（（（Ａｄｄｒｅｓｓ＜＜３）＆０ｘＦ８）ｌ ＲＥＡＤ—ＣＭＤ）；／／ ＬＳＢ Ｓｔａｔｕｓ—ＸＳｐｉ—Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＳｐｉＰｔｒ，Ａｄｄｒ—Ｃｍｄ，ＮＵ［ Ｌ，２）；／／ｗｉｒｔｅ Ａｄｄｒ＆Ｃｍｄ Ｓｔａｔｕｓ＝ＸＳｐｉ＿Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＳｐｉＰｔｒ，Ｓｅｎｄ＿Ｂｕｆ，Ｒｅｃｖ＿Ｂｕｆ，２）；／／Ｒｅａｄ Ｄａｔａ ＲｅｃｖＤａｔｅ＝（ｕｌ６）Ｒｅｃｖ＿Ｂｕｆ［－１］； ＲｅｃｖＤａｔｅ＝（ｕ１６）（（Ｒｅｃｖ＿Ｂｕｆ［１］＜＜８）ｌＲｅｃｖ＿Ｂｕｆ［０］）； ｒｅｔｕｒｎ Ｒｅｃｖ—Ｄａｔｅ； ｖｏｉｄ Ｅｔｌ２００一ＳｐｉＷｒ２Ｂｙｔｅ（ＸＳｐｉ＊ＳｐｉＰｔｒ，ｕ３２ Ａｄｄｒｅｓｓ，ｕｌ６ Ｄａ— ｔａ） ∞ ３ ∞ ∞
光纤 Ⅱ ＡｄｄｒＣｍｄ［０］＝（ｕ８）（（Ａｄｄｒｅｓｓ＞＞５）８Ｌ ０ｘＦＦ）；／／ＭＳＢ ＡｄｄｒＣｍｄ［１］一（ｕ８）（（（Ａｄｄｒｅｓｓ＜＜３）８Ｌ ０ｘＦ８）ＩＷＲＩＴＥ—ＣＭＤ）；／／ ＬＳＢ Ａｄｄｒ—Ｃｍｄ［２］＝（ｕ８）（Ｄａｔａ＆０ｘｆｆ）；／／ＬＳＢ Ｂｙｔｅ Ｄａｔａ
ＡｄｄｒＣｍｄ［３］ （ｕ８）（（Ｄａｔａ＞＞８）＆０ｘｆｆ）；／／ＭＳＢ Ｂｙｔｅ Ｄａｔａ Ｓｔａｔｕｓ—ＸＳｐｉＴｒａｎｓｆｅｒ（ＳｐｉＰｔｒ，Ａｄｄｒ—Ｃｍｄ，ＮＵＬＩ ，４）；／／ｗｉｎｅ
Ａｄｄｒ８ＬＣｍｄ＆Ｄａｔａ ｝ 此ＳＰＩ驱动程序实现了对地址０ｘ００１２写入
０ｘ２２３３和对地址０ｘ００１２进行读操作。 ４ 结束语 本文实现了ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议从站硬件和软件的设 计，通过编写应用程序实现了对某地址的读操作。 参考文献： ［１］任计羽，范永坤，熊皑．ＥｔｈｅｒＣＡＴ高性能从站的设计与实 现［Ｊ］．计算机应用，２０１４（增刊１）：１８—２０． ［２３戴俊良，王文格．ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络控制中从站间传输延时 研究ｌ－Ｊ］．工程设计学报，２０１４（５）：４９４—４９８，５０４． ［３］孙士超，王伟东，杜志江．实时以太网ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站的 硬件系统设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１４（８）： ５２—５５． Ｅ４］李木国，尹永洁，刘于之，等．基于ＰＣＩｅ总线接口的Ｅｔｈ— ｅｒＣＡＴ从站网卡设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１５（３）： ９２１—９２３． ［５］邹靖波，熊皑．ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站硬件设计方法［Ｊ］．微型机 与应用，２０１５（７）：２７—２９． ［６］ 左振领，何方，李霄．基于ＳＴＭ３２的ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站的设计 与实现口］．组合机床与自动化加工技术，２０１６（７）：１－３，７．
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｌａｖｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ＥｔｈｅｒＣＡＴ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ
ＹＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｊＨａ ，ＬＯＮＧ Ｋｉｎ ，ＷＡＮＧ Ｊｉ－ｘｉｎ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４ １ １ １ ０５，Ｃｈｉｎａ： ２．ＸＥＭＣ Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１ １ １０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｅｖｅｒａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎ ＡＳＩＣ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｎ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｓｌａｖｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥｔｈｅｒＣＡＴ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｆｉｅｌｄｂｕｓ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＡＳＩＣ