机器人力控关节EtherCAT通信系统设计

('机器人力控关节EtherCAT通信系统设计张子建;尚恺;杜云鹏;韩少杰;左堃罡;董洋洋【期刊名称】《《机械与电子》》【年(卷),期】2019(037)010【总页数】5页(P76-80)【关键词】EtherCAT;通信系统;ET1100;主从软硬件【作者】张子建;尚恺;杜云鹏;韩少杰;左堃罡;董洋洋【作者单位】南京航空航天大学航天学院江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN4950引言近年来，嵌入式技术快速发展。作为一种新型的总线技术，工业以太网技术在扩展性、实时性和可靠性方面有着巨大优势。如今，工业以太网技术已经逐渐成为现场总线的发展重点，并有逐步替代传统现场总线的趋势[1-2]。相对于其他总线而言，EtherCAT能够使用普通的网线和网卡，具有普及的优势。同时，该总线使用Ox88A4的数据帧类型来接收和发送标准以太网数据帧，可以与其他以太网设备共存。由于其特殊数据结构，对于有效数据的利用率较高，效率也较高。EtherCAT使用主从结构，支持各种各样的拓扑方式[3]。EtherCAT在自动控制领域的发展非常迅速。为了推广EtherCAT技术的发展，ETG(EtherCATTechnologyGroup)工业以太网协会得以成立[4]。该协会拥有众多国家和地区的大量会员，着力于开发与交流EtherCAT通信。从2003年德国倍福公司推出了一种开放式的实时工业以太网技术EtherCAT开始[5]，由于EtherCAT具有可实现几乎所有的拓扑结构、实时性能良好、支持分布时钟功能和可靠性高的优点，因而得到了快速发展和广泛利用[6]。美国国家仪器(NI)将EtherCAT总线应用到其PAC生产线[1]；经过充分的研究，欧姆龙公司推出了NJ系列的运动控制器[7]。近年来，国内很多高校和研究单位开展了对EtherCAT的研究，北京航天航空大学刘艳强等人，基于EtherCAT技术，对DCS控制系统进行了设计[1，8]；使用EtherCAT总线技术，李木国等人开发了数据采集系统[9]。在此，针对力控关节高速通信的需要，设计了通信速率可达100MHz的工业以太网通信总线(EtherCAT)的软硬件系统。系统采用ET1100和FPGA为核心搭建从站，以TwinCAT软件为主站，并对电路板电源、通信和控制等各个功能模块进行检测，证明了该设计在数据帧收发上无丢帧和报错，同时成功实现主从站数据通信。1系统方案设计及工作原理1.1EtherCAT通信原理EtherCAT报文数据帧类型为Ox88A4，满足IEEE802.3标准的以太网的报文结构如图1所示[10]。EtherCAT数据帧分为3个部分，分别是以太网帧头、EtherCAT数据区和FCS帧校验序列。其中，帧头定义了帧类型(Ox88A4)。EtherCAT数据区则由各个从站的子报文组成。图1EtherCAT帧结构子报文则存放了从站的地址、数据以及对数据的操作记录，如图2所示。图2子报文数据结构EtherCAT通信采用主从站方案如图3所示。主站下发数据帧，数据帧从第一个从站流向最后一个从站。从站操作数据，同时改变WKC。数据帧从最后一个从站流回[11]。主站判断WKC来发现通信状况。这种通信方式使得信号通路流畅，可实现网络的实时性和正确性[12]。在EtherCAT通信中，主从站的开发有多种方式[12-14]。主站在PC上通过网卡实现，从站使用硬件电路搭建能有效地降低成本[15]。图3EtherCAT主从站原理EtherCAT网络寻址方式包括对网段和段内的寻址，分别用来找到网段和网段内设备，如图4所示[10]。图4EtherCAT寻址方式1.2EtherCAT系统方案设计对于主站来说，可以使用硬件搭建，也可以在PC端软件平台来实现。由于PC端的实现成本较低，功能丰富，满足本设计的需要。在此，选择TwinCAT作为主站软件。EtherCAT通信系统的从站设计采用硬件来实现。对EtherCAT从站按照各部分的功能进行区分，可以分为物理层、数据链路层和应用层。ET1100最多可以支持4个MII接口，并且功能稳定、通信速度快、性价比高。为了通信系统的可拓展性，选择ET1100来开发从站。确定数据链路层的核心芯片后，应用层选择FPGA芯片，其具有使用灵活、触发器数量大、I/O引脚丰富、开发周期短、开发费用低、风险小和便于引出测试点的优势。通信系统应用层的软件设计可以使用Altera公司的Quartus平台，该平台包含了CycloneIII系列的设备库。可以从中调用EP3C25F256芯片进行设计。对于物理层芯片来讲，使用Maicrel公司的KS8721BL。2系统从站设计2.1EtherCAT从站硬件设计在本设计中，将物理层和数据链路层归为以ET1100为核心的数据通信部分，将应用层部分单独划分为以FPGA为核心的控制处理部分，同时将板间电源部分独立出来作为一个模块。这样的分析有助于后面硬件电路的搭建。2.1.1数据通信模块以ET1100为核心的数据通信部分由5个模块组成，分别是从站芯片、时钟单元、EEPROM、以太网芯片PHY和磁铁芯片，如图5所示。图5EtherCAT从站结构对于ET1000和KS8721BL，主要通过MII接口传递数据。MII接口包括4个管脚的接收数据RX、4个管脚的发送数据TX、接口时钟管理MI_CLK、接口数据管理MI_DATA以及使能发送、地址便宜配置和连接状态指示等管脚。MII接口如图6所示。图6MII接口信号传输通过磁铁芯片H1102，保证以太网芯片满足IEEE802.3和ANSIX3.263标准的需求。然后连接RJ45插座与外界进行通信。该部分硬件主要是传输2组TX和RX差分信号。在这部分原理图的连接中，注意到RJ45的外壳连接到了外壳地上，这有利于屏蔽外界干扰。物理芯片与H1102的连接与H1102和RJ45的连接如图7所示。图7PHY与H1102连接2.1.2控制处理模块从站控制器采用Altera公司的CycloneIII系列的EP3C25F256芯片。Flash则使用低成本小型化的EPCS16，使用JTAG接口进行代码的下载传输，同时扩展了一个Endat2.2接口，用来连接编码器，其核心芯片为2片RS485，其具体型号为SN65HVD78。16位同步微处理器接口如图8所示。图8ET1100和FPGA的PDI连接2.1.3电源模块在此，使用5V直流供电，通过芯片的电压转换，获得需要的板间5V，3.3V，2.5V以及1.2V电压。其中，5V转3.3V使用REG104-3.3芯片，5V转2.5V使用NCP511-2.5芯片，5V转1.2V使用LTC3406-1.2芯片。与此同时为了达到减少数字地、外壳地与模拟地的干扰问题，使用磁珠来进行连接，如图9所示。图95V转3.3V电源2.2从站软件实现由于使用了从站专用芯片ET1100，只须对应用层通信进行软件设计。本设计应用层主要使用FPGA来实现。应用层软件主要执行2个步骤[16]：一个是初始化，包括微处理器的初始化和从站相关变量的初始化；另一个是数据模块，包括周期性和非周期数据的处理、状态机的处理以及具体程序的执行。数据模块在循环程序实现，循环期间等待中断信号，对到来的中断进行响应，如图10所示。图10应用层任务周期性数据传送有3个缓冲区，其中2个缓冲区用于收发数据，另外1个缓冲区作为备用。非周期通信采用邮箱握手机制，邮箱空时发送，邮箱满时接收。周期和非周期通信如图11所示。图11周期和非周期数据收发3系统主站设计EtherCAT的主站在通讯中主要负责对通信系统的监控和管理以及控制命令的下达。在此使用PC端的TwinCAT软件来实现主站功能。主站部分软件的架构分为控制应用、主站模块以及网卡驱动模块3个部分[17]，如图12所示。上层控制应用用来配置总线和实现周期任务，同时可以共享Windows的一些进程信息[1，17]。主站模块根据EtherCAT协议收发数据。网卡驱动模块用来完成与从站的通信。图12主站软件架构3.1核心通信模块主站的核心通信模块可以分为3个部分，分别是寄存器的管理、邮箱数据和过程数据通信[10，17]。寄存器管理针对从站控制器的各个使用接口进行设定[18]。在本设计中，主要包括PDI模块、MII接口模块、SM模块和EEPROM模块等。寄存器使用ET1100默认寄存器模块。邮箱数据的传输只有在邮箱清空状态才能进行写入，在邮箱满状态进行读出。邮箱数据清空流程如图13所示。图13邮箱清空流程3.2XML配置文件XML配置文件主要存储从站硬件的基本信息[19]。严格来说，存储的XML配置文件EEPROM属于从站部分。不过由于XML文件的配置主要依靠TwinCAT主站来实现，因此在主站模块对其进行介绍。具体而言，XML配置文件包括从站设备名、FMMU配置、PDO配置、SM配置和从站硬件设备接口等部分[19]，如表1所示。表1SM配置序号传输方向通信方式大小/bit使能位SM0主站→从站邮箱输出1281SM1从站→主站邮箱输入1281SM2主站→从站过程数据输出41SM3从站→主站过程数据输入414系统实验验证系统首先安装网卡和相关协议，使用TwinCAT3.1搭建EtherCAT主站并配置EEPROM。然后使用QuartusII和Nios软件烧写FPGA。值得注意的是，PDI接口采用16位异步通讯。同时，使用6个LED灯，通过观察是否按照预期亮和灭来检测主站向从站写数据。主站向下发出的指令被从站正常执行，证明了从站读数据以及数据下发工作正常，如图14所示。图14FF状态下通信结果数据帧能否正常收发以及报错可以通过主站网络状态检测来观察。通过主站向下发送数据帧并检测收回情况，可以判断从站出错的位置，如图15所示。图15网络状态示意由图15可知，主从站都工作在Operational状态，CRC为0，丢帧为0，Tx/Rx错误也为0。与此同时，发现板子通信速度分别为周期数据(Cyclic)499帧/s，非周期数据(Queued)19帧/s。5结束语分析设计了工业以太网EtherCAT通信系统用于机器人力控关节通信，系统数据精度高，可靠性好。实验表明，所设计系统周期数据通信速度499帧/s，非周期数据19帧/s，实现机器人关节通信16位异步通信。参考文献：【相关文献】[1]赵巍.基于EtherCAT总线的运动控制器通信系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.[2]陈灏.EtherCAT通信协议研究及实现[D].武汉：华中科技大学，2015.[3]李木国，王延国，孙慧涛.基于EtherCAT总线的串联型分布式数据采集系统设计[J].计算机测量与控制，2016，24(6):195-198.[4]张勇.EtherCAT总线接口在数控系统中的实现[D].武汉：华中科技大学，2011.[5]黄梁松，姜如康，姜雪梅.基于EtherCAT的开放式机器人控制系统研究[J].工业控制计算机，2013，26(3):45-46.[6]汪雅楠，谭南林.基于ARM9的工业以太网EtherCAT从站设计[J].机械工程与自动化，2011(5):139-141.[7]康存锋，林志磊，马春敏，等.基于TwinCAT主站的EtherCAT实时以太网分析与研究[J].现代制造工程，2010(11):16-18.[8]刘艳强，黄帅，马秋霞.基于工业以太网EtherCAT的DCS控制系统设计[J].制造业自动化，2010，32(12):21-23.[9]李木国，王磊，王静，等.基于EtherCAT的工业以太网数据采集系统[J].计算机工程，2010，36(3):237-239.[10]郇极.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.[11]李昆，杨建武.基于FPGA的EtherCAT从站节点开发[J].微处理机，2011，32(6):33-35.[12]邹靖波，熊皑.EtherCAT从站硬件设计方法[J].微型机与应用，2015，34(7):27-29.[13]马军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