CAN总线协议到EtherCAT从站协议的转换网关设计

摘要：本文通过对实时工业以太网通信协议EtherCAT的研究，设计了CAN总线主站协议转换为EtherCAT从站协议的通信协议转换网关设备，解决了工业自动化现场CAN总线通信设备与EtherCAT主站控制系统的互连问题，从而保证现场总线设备数据更加高效、快速地传递到中央监控系统。
关键词：EtherCAT从站；CAN总线；网关；协议转换

引言
    随着工业自动化的发展，大量现场设备的信息传递不再采用模拟信号电缆传送，而是替换为智能化现场设备，通过通信方式传递设备的状态和控制信息。在这个过程中，现场总线设备得到了大量的应用。而现场总线设备的多样性，导致在一个大型的自动化控制系统中设备的通信协议不同、通信速率不同、网络拓扑形式不同，给中央监控系统和这些现场设备之间的信息交互带来困扰。
    为了更好地解决控制系统内自动化数据传输及互连的问题，部分国际自动化系统厂家借助以太网现有协议框架及其100M的带宽资源，在现有的以太网协议上进行相应的修改，推出了不同的实时工业以太网技术，比较流行的有EtherCAT、Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet／IP等。其中，EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是开放的实时工业以太网通信协议，最初由德国倍福自动化有限公司研发。它基于标准的以太网技术，支持多种设备连接拓扑结构，具有配置简单、有效数据率高、全双工、数据传输容量大、传输速度快、时钟同步性高、成本低、开放性好等特点，是一种用于工业自动化的实时、高速以太网通信协议。EtherCAT协议使用全双工100 Mbps以太网，系统由一个通信主站和若干从站通信节点组成，主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。主站使用标准的以太网控制器，协议和驱动程序由软件实现，从站通信节点使用专门的EtherCAT从站控制器。
    本文设计了CAN总线主站协议转换为EtherCAT从站协议的协议转换网关设备(以下简称CAN／EtherCAT协议转换网关)，实现了工业自动化现场CAN总线通信设备与EtherCAT主站控制系统的互连通信。

1 系统总体网络架构
    CAN／EtherCAT协议转换网关存在两个方向的外部接口，对上通过以太网与EtherCAT主站进行数据交换，通信协议符合EtherCAT实时工业以太网技术规范要求；对下与CAN总线从站设备实现通信，包括实时数据通信、故障诊断恢复和冗余切换处理等。系统总体的网络架构如图1所示。

2 CAN／EtherCAT协议转换网关
2．1 CAN／EtherCAT协议转换网关核心器件选型
    CAN／EtherCAT协议转换网关硬件包括EtherCAT从站协议控制器、从站MCU、CAN总线协议控制器等。EtherCAT协议控制器实现EtherCAT的物理层与数据链路层的协议。从站MCU主要负责运行用户的应用程序，实现EtherCAT和CAN总线协议之间的协议及数据转换。CAN总线协议控制器实现CAN总线的物理层与数据链路层的协议。
    现在市场上有多种EtherCAT协议控制器可供使用，如Beckhoff公司的ASIC芯片ET1100、ET1200，德国Hilscher公司的ComX—CA—RE模块，也可以使用IP—Core将EtherCAT通信功能集成到设备控制FPGA中。ET1200是简化版，只提供1个RJ45接口，不能满足开发需求。ComX模块提供了方便易用的接口，可以简化硬件设计，但是价格较高。FPGA可提供针对Altera和Xilinx公司的IP核，但是价格高，开发难度大。
    考虑到实际应用中，开发成本及软硬件设计的实现复杂度，EtherCAT从站协议控制器选用ET1100。ET1100是一款强大的EtherCAT从站控制器ESC专用芯片，具有丰富的接口资源。它具有4个数据收发端口、8个FMMU单元、8个SM、4 KB控制寄存器、8 KB过程数据存储器、支持64位的分布时钟。
    从站MCU选用LPC2292芯片。LPC2292是一款基于16／32位ARM7TDMI—S核，支持实时仿真和跟踪的MCU。LPC2292自带2路高级CAN总线通道，可节省设计成本。
2．2 CAN／EtherCAT协议转换网关硬件设计
    CAN／EtherCAT协议转换网关主要由通信控制回路、Ethernet回路、CAN总线回路3部分电路构成。CAN／EtherCAT协议转换网关硬件框图如图2所示。

    在EtherCAT回路中，EtherCAT协议控制器ET1100可选择使用SPI或8位、16位总线与LPC2292连接。ET1100的相关信息保存在EEPROM中。数据收发端口使用PORT0和PORT1，采用MII方式连接PHY芯片，经过网络变压器隔离，通过RJ45接口与主站或其他从站连接。
    通信管理控制回路由MCU(LPC2292)、状态显示电路、外部存储器及单片机外围电路构成。CAN／EtherCAT协议转换网关的配置信息、通信数据使用256 KB外部RAM或F-RAM存储，可以显示运行状态和通信状态等信息。
    CAN总线第3方通信协议中，使用LPC2292的内置CAN总线控制器，可根据需要使用1路或2路CAN总线。为了提高CAN／EtherCAT协议转换网关的电磁兼容性EMC，使用高速光耦对CAN总线通信信号进行隔离。

3 CAN／EtherCAT协议转换网关软件设计
    CAN／EtherCAT协议转换网关软件由EtherCAT从站通信处理模块和CAN总线主站通信处理模块组成。CAN／EtherCAT协议转换网关软件在功能上实现EtherCAT从站通信协议和CAN总线主站通信协议功能。
    CAN／EtherCAT协议转换网关软件基于不带操作系统的硬件平台，采用C语言编写。应用程序各任务串行执行，可以直接操作硬件的中断和定时器，保证了任务执行的速度和系统的性能。
3．1 EtherCAT从站报文帧结构
    EtherCAT协议数据直接使用以太网数据帧传输，数据帧类型为0x88A4。数据区最大可达1 498字节。数据区由1个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文对应独立的设备或从站存储区域。EtherCAT从站子报文帧结构如图3所示。

    每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据区和相应的工作计数器(Working Counter，WKC)。发送子报文的WKC初始值为0，子报文被CAN ／EtherCAT协议转换网关正确处理后，增加一个增量，主站根据WKC是否正确，来判断该子报文是否被正确响应。
3．2 EtherCAT从站通信处理模块
    EtherCAT从站通信处理模块实现与EtherCAT主站之间的通信，EtherCAT从站通信处理模块以EtherCAT从站控制器为核心，从站协议控制器实现EtherCAT数据的接收、发送以及错误处理。从站MCU操作EtherCAT从站协议控制器，实现应用层协议。
    EtherCAT协议有2种数据交换形式：一种是周期性过程数据通信，另一种是非周期性邮箱数据通信。周期性过程数据通信用来传输数据刷新率要求较高的输入输出数据，非周期性邮箱数据通信则用来配置或读取从站的参数信息。
    自动化控制系统中，系统一般要求先采集下面设备的输入数据，对输入数据进行相应的逻辑处理，然后产生输出控制信号，发送到输出设备。EtherCAT协议的状态机通信模式很好地解决了这个问题，保证了通信的安全可靠。
    CAN／EtherCAT协议转换网关支持4种状态：初始化(Init)、预运行(Pre-Operational)、安全运行(Safe-Operational)和运行(Operation al)。各状态之间的转换关系如图4所示。状态机依次在不同的状态及状态转换期间完成不同的任务。

    CAN／EtherCAT协议转换网关处于初始化状态时，主站初始化EtherCAT从站控制器的一些配置寄存器、配置邮箱通道参数。预运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关与主站使用邮箱通信交换通信配置信息，此时，不允许过程数据通信。安全运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关应用程序读入输入数据，但不产生输出信号，设备无输出，处于“安全状态”。运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关应用程序读入输入数据，此时，主站应用程序发出的输出数据有效，CAN／EtherCAT协议转换网关产生输出信号。
3．3 CAN总线主站通信处理模块
    CAN总线主站通信处理模块主要实现与CAN总线从站设备之间的数据交换、参数配置和故障诊断等。数据的收发采用定时器和中断相配合的模式。
    上电硬件初始化，配置好CAN总线通信的参数后，CAN总线主站通信处理模块首先请求下面各CAN总线从站设备的输入数据，所有输入数据扫描完成后，置输入数据扫描完成标志，EtherCAT主站接收到该标志后，转换CAN／EtherCAT协议转换网关状态到运行状态。此时，输出数据有效，CAN总线主站通信处理模块发送输出数据到相关CAN总线从站设备。所有的从站一轮扫描结束后，判断统计是否有从站出现通信故障，并进行相应的处理。
3．4 CAN／EtherCAT协议转换网关对象字典设计
    EtherCAT协议使用对象字典实现标准的参数信息配置和输入、输出数据读写操作，每个对象字典有一个主索引和多个子索引。在CAN／Et herCAT协议转换网关采用协议转换网关和CAN总线从站设备的多级对象字典设计模式，如图5所示。

    CAN／EtherCAT协议转换网关和CAN总线从站设备1的对象字典输出数据(RxPDo)的主索引为十六进制数据0x1600～0x16FF，每个输出主索引的子索引为0x7xx0～0x7xxF，最多16个子索引；输入(TxPDo)的主索引为十六进制数据0x1A00～0x1AFF，每个输入主索引的子索引为0x6xx0～0x6xxF，也是最多16个子索引。每个CAN总线从站设备通信配置信息主索引为0x8xx0～0x8xxF。CAN总线主站通信参数对象字典主索引为0xF 800。CAN／EtherCAT协议转换网关和CAN从站设备的PDo对象字典映射关系如图6所示。

4 CAN／EtherCAT协议转换网关性能
    EtherCAT主站采用Beckhoff公司的TwinCAT软件，与4个CAN／EtherCAT协议转换网关进行通信，采用wireshark网络封包分析软件，撷取EtherCAT网络通信报文帧，共撷取10次，每次1万帧。TwinCAT软件与CAN／EtherCAT协议转换网关全部数据刷新时间如图7所示。当输入数据为128字节、输出数据为100字节时，通过对撷取的请求报文时间戳和响应报文时间戳进行差值计算得出：TwinCAT主站软件与CAN／EtherCAT协议转换网关之间报文平均响应时间为200μs左右。CAN／EtherCAT协议转换网关具有较高的可靠性、安全性和快速响应特性。CAN总线主站与CAN总线从站设备通信波特率设为1 Mbps，一般一帧报文为8个字节有效数据，数据帧刷新时间平均为2 ms。

    TwinCAT软件与CAN／EtherCAT协议转换网关全部数据刷新时间取决于TwinCAT软件报文扫描周期和CAN总线从站设备的数量、数据的多少。假设每个CAN／EtherCAT协议转换网关下面连接10个CAN总线设备，每个设备的数据为16字节，那么所有CAN总线数据扫描一周的时间为40 ms。

结语
    CAN／EtherCAT协议转换网关通过LPC2292实现了EthercAT协议控制器与CAN总线控制器之间的协议转换和数据交换，解决了EtherCAT实时工业以太网与CAN总线之间通信的互联问题，保证了CAN现场总线设备数据可以更加高效、快速地传递到EtherCAT中央监控系统中。