CAN總線(xiàn)協(xié)議到EtherCAT從站協(xié)議的轉換網(wǎng)關(guān)設計

摘要：本文通過(guò)對實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議EtherCAT的研究，設計了CAN總線(xiàn)主站協(xié)議轉換為EtherCAT從站協(xié)議的通信協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)設備，解決了工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)CAN總線(xiàn)通信設備與EtherCAT主站控制系統的互連問(wèn)題，從而保證現場(chǎng)總線(xiàn)設備數據更加高效、快速地傳遞到中央監控系統。
關(guān)鍵詞：EtherCAT從站；CAN總線(xiàn)；網(wǎng)關(guān)；協(xié)議轉換

引言
隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，大量現場(chǎng)設備的信息傳遞不再采用模擬信號電纜傳送，而是替換為智能化現場(chǎng)設備，通過(guò)通信方式傳遞設備的狀態(tài)和控制信息。在這個(gè)過(guò)程中，現場(chǎng)總線(xiàn)設備得到了大量的應用。而現場(chǎng)總線(xiàn)設備的多樣性，導致在一個(gè)大型的自動(dòng)化控制系統中設備的通信協(xié)議不同、通信速率不同、網(wǎng)絡(luò )拓撲形式不同，給中央監控系統和這些現場(chǎng)設備之間的信息交互帶來(lái)困擾。
為了更好地解決控制系統內自動(dòng)化數據傳輸及互連的問(wèn)題，部分國際自動(dòng)化系統廠(chǎng)家借助以太網(wǎng)現有協(xié)議框架及其100M的帶寬資源，在現有的以太網(wǎng)協(xié)議上進(jìn)行相應的修改，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(kāi)放的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，最初由德國倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。它基于標準的以太網(wǎng)技術(shù)，支持多種設備連接拓撲結構，具有配置簡(jiǎn)單、有效數據率高、全雙工、數據傳輸容量大、傳輸速度快、時(shí)鐘同步性高、成本低、開(kāi)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)，系統由一個(gè)通信主站和若干從站通信節點(diǎn)組成，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀。主站使用標準的以太網(wǎng)控制器，協(xié)議和驅動(dòng)程序由軟件實(shí)現，從站通信節點(diǎn)使用專(zhuān)門(mén)的EtherCAT從站控制器。
本文設計了CAN總線(xiàn)主站協(xié)議轉換為EtherCAT從站協(xié)議的協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)設備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān))，實(shí)現了工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)CAN總線(xiàn)通信設備與EtherCAT主站控制系統的互連通信。

1 系統總體網(wǎng)絡(luò )架構
CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)存在兩個(gè)方向的外部接口，對上通過(guò)以太網(wǎng)與EtherCAT主站進(jìn)行數據交換，通信協(xié)議符合EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)規范要求；對下與CAN總線(xiàn)從站設備實(shí)現通信，包括實(shí)時(shí)數據通信、故障診斷恢復和冗余切換處理等。系統總體的網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)
2．1 CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)核心器件選型
CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)硬件包括EtherCAT從站協(xié)議控制器、從站MCU、CAN總線(xiàn)協(xié)議控制器等。EtherCAT協(xié)議控制器實(shí)現EtherCAT的物理層與數據鏈路層的協(xié)議。從站MCU主要負責運行用戶(hù)的應用程序，實(shí)現EtherCAT和CAN總線(xiàn)協(xié)議之間的協(xié)議及數據轉換。CAN總線(xiàn)協(xié)議控制器實(shí)現CAN總線(xiàn)的物理層與數據鏈路層的協(xié)議。
現在市場(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通信功能集成到設備控制FPGA中。ET1200是簡(jiǎn)化版，只提供1個(gè)RJ45接口，不能滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)需求。ComX模塊提供了方便易用的接口，可以簡(jiǎn)化硬件設計，但是價(jià)格較高。FPGA可提供針對Altera和Xilinx公司的IP核，但是價(jià)格高，開(kāi)發(fā)難度大。
考慮到實(shí)際應用中，開(kāi)發(fā)成本及軟硬件設計的實(shí)現復雜度，EtherCAT從站協(xié)議控制器選用ET1100。ET1100是一款強大的EtherCAT從站控制器ESC專(zhuān)用芯片，具有豐富的接口資源。它具有4個(gè)數據收發(fā)端口、8個(gè)FMMU單元、8個(gè)SM、4 KB控制寄存器、8 KB過(guò)程數據存儲器、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CAN總線(xiàn)通道，可節省設計成本。
2．2 CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)硬件設計
CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)主要由通信控制回路、Ethernet回路、CAN總線(xiàn)回路3部分電路構成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(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(xiàn)與LPC2292連接。ET1100的相關(guān)信息保存在EEPROM中。數據收發(fā)端口使用PORT0和PORT1，采用MII方式連接PHY芯片，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )變壓器隔離，通過(guò)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、外部存儲器及單片機外圍電路構成。CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)的配置信息、通信數據使用256 KB外部RAM或F-RAM存儲，可以顯示運行狀態(tài)和通信狀態(tài)等信息。
CAN總線(xiàn)第3方通信協(xié)議中，使用LPC2292的內置CAN總線(xiàn)控制器，可根據需要使用1路或2路CAN總線(xiàn)。為了提高CAN／EtherCAT協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)的電磁兼容性EMC，使用高速光耦對CAN總線(xiàn)通信信號進(jìn)行隔離。