logo资料库

基于ARMFPGA的EtherCAT主站设计及实现.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.28M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共6页
第2页 / 共6页
第3页 / 共6页
第4页 / 共6页
第5页 / 共6页
第6页 / 共6页
资料共6页，全文预览结束
    第 6 期 2016 年 6 月 文章编号：1001 -2265(2016)06 -0084 -04 D0I：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 06. 022 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technitjue No. 6 Jun. 2016 基 于 ARM + FPGA 的 EtherCAT主站设计及实现! 徐 健 ，唐小琦，宋 宝 ( 华 中 科 技 大 学 机 械 科 学 与 工 程 学 院 ，武 汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 ：为 解 决实时工业 以 太 网 协 议 E th e rC A T 应 用 于 嵌 入式 主 站 控 制 器 所 产 生 的 实 时 性 和 稳 定 性 等 问 题，首先研究了 E th e rC A T 主 站 控 制 器 在 E th e rC A T 网络控制系统 中 的 功 能 需 求，分析并提出了实现 嵌入式 E th e rC A T 主 站 的 架 构，然 后 针 对 上 述 架 构 设 计 了 基 于 ARM + F P G A 的 E th e rC A T 主站实现的 硬 件 方 案，并 设 计 了 基 于 X e n o m a i补 丁 的 实 时 L in u x 操 作 系 统 的 软 件 实 现 方 案，最后搭建了互联互通 的 互 操 作 性 测 试 平 台，实 验 结 果 表 明，该 主 站 控 制 器 具 有 E th e rC A T 标 准 协 议 的 兼 容 性、极 高 的 实 时 性 以 及 稳 定 性。 关 键 词 ：E therC AT 主 站；FPG A # ARM 中 图 分 类 号 :T H 166 "TG 506 文 献 标 识 码 :A D esign and Im plem entation o f E th e rC A T M aster B ased on A R M + F P G A X U J i a n ，TANG X iao -q i，SONG Bao (School of M echanical Science and E ngineering ， H uaZhong U niversity of Science and T echnology， W uhan 4 3 0 0 7 4 ，C hina) A b s tr a c t: In order to solve real-tim e industrial E thernet protocol E therC A T applied to em bedded m aster con- trailer producing re a l-tim e ，stability and control system functional req u irem en ts，analyze and propose architecture o f em bedded E therC A T m a ste r， then for the above architecture design E therC A T m aster hardw are solution based on A R M + F P G A and soft­ w are solution based on real-tim e X enom ai patch the L inux operating sy ste m ， and finally build a interopera­ bility testing p la tfo rm ，the experim ental results show that the E therC A T m aster controller has standard proto­ c o l s co m p atib ility ，high real-tim e perform ance and stability. K e y w o rd s : E therC A T m a s te r ; F P G A & A R M other issu e s，first study E th e rC A T m a ste r controller in 〇 引言 实时工业以太网技术是在常规以太网技术上发展 起 来 的 ，由 于 传 统 以 太 网 采 用CSMA/ ⑶ 机 制 ，应用于 工 业 自 动 化 控 制 系 统 时 会 产 生 实 时 性 和 稳 定 性 问 题 [1_3]。因 此 ，在传统以太网的通信模型基础之上进行 修 改 来 实 现 强 实 时 性 和 稳 定 性 的 工 业 以 太 网 ，如 Eth- erC A T 'S E R C O S 等协议[4-]，不仅能够实现大数据量的 高带宽传输，而且可以方便接人以太网网段，实现以太 网直达现场级控制设备[6-]。 E th e rC A T 由 于 其 具 有 较 为 优 良 的 性 能 而 广 泛 应 用 于 各 类 自 动 化 控 制 系 统 当 中 。E th e rC A T 主站 的实 现大部分基于普通的网 卡 设备，利用 系统软 件 的实时 性 来 保 证 E th erC A T 主站的实时性，可以实现微秒级别 的实时性;其 次 ，主 站 也 可 以 利 用 专 用 硬 件 来 实 现 ，利 用 硬 件 的 实 时 特 性 可 以 达 到 纳 秒 级 别 的 实 时 性 ，同时 具有较高的稳定性[8-]。 本 文 针 对 实 时 工 业 以 太 网 E th erC A T 主站的实现 进行了深人的研究，并 设 计 和 实 现 了 基 于 嵌 人 式 ARM 处 理 器 外 挂 主 站 专 用 硬 件 F P G A 的 软 硬 件 实 现 方 案 ， 解决了 E th erC A T 主 站 控 制 器 所 要 求 的 协 议 兼 容 一 致 性 、强实时性和高的稳定性等技术问题。 1 EtherCAT 主 站 控 制 系 统 1.1 E t h e r C A T 控制系统 将 E th erC A T 协 议 应 用 于 工业自 动化控制系统当 中 ，其 控 制 系 统 结 构 如 图 1 所 示 。E th erC A T 工业以太 网的控制系统属于一主多从的控制体系架构[10]，其中 主 站 属 于 整个网 络控制 系统的核心，用来调度整个网 络的 数据通信;而 从 站 作 为 E th erC A T 控制系统的执行 收 稿 日 期 :2015 -07 -10 ! 基 金 项 目 ：国家自然科学基金(51475185);"髙档数控机床与基础制造装备"科技重大专项(2013ZX04007 -021) 作 者 简 介 :徐健（1992—），男，江西宜春人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为数控技术、现场总线及网络，（E- mail)Xujian0935@163.C〇ml
    2016年 6 月 徐 健 ，等：基 于ARM +FPGA 的 EtheCAT主站设计及实现 . 85 . 部件，分布于整个控制系统当中，其类型可以包括I/O ' 主站 备 。 从控制器(ESC) 处理 TX 从控制器(ESC) — ^► RX ^ j 处理 TX 从控制器(ESC) — ^► R X H 处理 TX ------- [RX T^ ------- [r x T^ ------- [RX j 从站1 |1/〇端子I < 1 EtherCAT控制系统 从站i I伺服=设备I 从站n I伺服设备I 完成E th erC A T 协议驱动，负责应用层部分。通过这三 部分的硬件 完成E th erC A T 主站控制功能。 从站， E th erC A T : ， 根据相应 总帧数据帧依 ，作为网络信息管理的输入迭代进行 个 非常低 的数据上传和下载操作后 的响应 另IJ 的 期的 ，E th erC A T 主站作为系统上位机 通信数据准备。 的调用 ，也为各种 种类的自动控制应用提供 了不同的A P I 函数调用 。 1.2 EterCAT主站控制器架构 根据E th erC A T 主站置于E th erC A T 控制系统中的 作用 ，一 方面E th e rC A T 主站负责E th e rC A T 网络 息的管理任务， 方面要负责与应用程序交互 数据的 A P I! A pplication Program m ing Interface)接口。 图 3 EtherCAT主站硬件总体方案 对 挂专用硬件F P G A 的 ， 框图如 图 4 所示。F P G A 中存 个 数据帧缓存区 SB uf1、SB u C 和两个 缓存区rB uf1、r B u f ，分别用来 冲 存放周期性数据帧和非周期性数据帧。利用 硬件 冲 生序列能产生硬件 ， 为基 生数据帧 冲序歹 用 了 E th e rC A T 主站的实时性。 数据帧， 生 刻 冲序列后， 数据流控制 根据ARM 的本 应的数据帧， 期的 P H Y 芯 ，数据帧 个周期 C R C 3 2 后将数据 寄存器 缓冲 片。对 P H Y 芯片数据 并行硬件 t | 过 程 数 据 | a v | 周期性数据服务| 应用程序API i |状 态 机 | a v ____ i____ FoE CoE EoE 邮箱协议 爾 服 务 丄 非周期性数据服务 | 生相应的 标志寄存器供A R M 进行读取 EtherCAT^ 据帧接口层 硬件接口层 |主要网口| |冗余网口| 图 2 EtherCAT主站控制器架构 因此，基 E th erC A T 的 控制器架构如图2 所 示，EtherC A T 主站通过网口接人E th erC A T 网络中，网口 通过硬件 够被处理的数据帧流，数据帧 络中的差分 进行处理生成能 E th erC A T 数据帧接 校 后 应用层协议处理 ，其 E therC A T 协议来处理相对于的数据服务，例如周期性过 数据、非周期性的邮箱数据等，对 应的数据 生相应的应用程序A P / 调用有效数据。 2 基 于 ARM + FPGA 的 EtherCAT主 站 硬 件 计 针对嵌入式处理器A R M 外挂专用硬件F P G A 实 现的EtherC A T 方案，其硬件 框图如图3 所 示。 采用的嵌入式A R M 处理器为T I 公司基于 Cortex-A8 的处理器 A M 335x， FPGA 为 A ltera Cy­ clone IV 系歹^的 E P 4C E 10F 17I8N 。 ， 络 和 P H Y 芯片等硬件部分主要完成 与网络 与处理数据 的交互，负责E th erC A T 通 操作相应的 缓冲数据帧。 Com_period ^ 中 断 脉 冲 产 生 序 列 | ' ~ |发 送 时 刻 脉 冲 产 生 序 列 | i sB ufl sBuf2 !___________ i _____________jsB ufl_datalen sB uf2 datalen 发 送 数 据 流 控 制 模 块 SBuf tran en SBuf_rp_times 数据帧发送及硬件 CRC32计算模块 |数据流至PHY芯片 sBufl sBuf2 Update_flag Recv time o . 接收数据流 Crc32 flag 議 控制模块 Crc32 flame o Crc vs o 数据帧接收 及硬件CRC32 验算模块 PHY芯片至数据流 图 4 FPGA设计链路层框图 发送缓冲区使能控制 发送缓冲区1发送长度设置 发送缓冲区2发送长度设置 定时发送周期设置 缓冲区1重发次数设置 硬件中断控制 接收到有效数据帧更新 一个周期内接收到的数据帧数 CRC32有效标志位 数据帧中的CRC32中的低16|立 计算所得的CRC32中的低16位 发送缓存区1周期性发送缓存区 发送缓存区2非周期性发送缓存区 接收缓存区1周期性接收缓存区 接收缓存区2非周期性接收缓存区 图 5 数据帧接口层设计 A R M 与 F P G A 交互的数据层接口设计如图5 所 的物理层部分；F P G A 主要完成数据帧的 析和 ，负责数据链路层部分；A R M 主要 示，分为三个部分，分别为 数据帧 缓存区、数 据帧 反馈缓存区和 的数据帧缓存区。 ，
    • 86 • 组合机床与自动化加工技术 第 6 期 F P G A 操作的寄存器 配置数据帧 缓 存 区 为 A R M 写 入 区 域 ，作为上位机 &数据帧 反馈缓存 作 为 F P G A 接收数据的 寄 存 器 ，作 为 A R M 获取 & 的 数 据 帧 缓 存 区 作 为 A R M 和 FPGA 的 交互有效数据帧区域。 3 基 于 ARM + FPGA 的 Ethe rCAT主站软件 计 挂 F P G A 后 ，E th erC A T 主 站 的 实 时 性 由 FPGA 和 X enom ai实时补 共 ，如 图 9 所 示 。 ， 实时任 执行三个函数， 步 函数的 为 核 ， F P G A 产 生的 。实 任 务 负 责 与 F P G A 中的缓存区进行数据帧的交互，只要 FPGA 后 该 实 的 数据帧之间的时间范 是 受 的 ，而实际的数据帧 动都 刻 是 以 F P G A 的 本 文 采 用 基 于 X e n o m a i的 补 丁 构 建 的 实 时 Linux 精 的 ，确保了硬实时的任务调度。 操 作 系 统 ， CAT : 件 构 如 图 6 所 示 。 是一个 内核空 间 的 ，E ther­ 载 在 Linux 内核中，相 比 用 间的代码有更 好的实 时 性和更 件 的 功 能 主 要 完 成 E ther­ 短的硬件操作特性。 CAT 协 动 、基 F P G A 的 备 驱 动 和 应 用 程 序 实 现 E th erC A T 主站对普通 的兼容。 ， 还包含了标 的驱 动 ，以便 EtheiCAT主站模块 可卡设备接口丨 f 本地EtheiCA工业^ I 以太网设备驱动^ Ilg l-K s ¥ 4 囊 x nl.s q rt_dev_ioctl( ^ ^ 茼步信号） W h ile ( l ) 实 时 任 务 ••-y j g S M i m g ) 用户态) E therC A T : 件的三个 间的数据流如图 7 所 示 ，用 通过应用程序 （包括实 备接 和 字 备 ） 的 数 据 ， 根 据 E th erC A T 网络 息将用户的 数 据 进 行 包 成 E th erC A T 数据帧 备 ， 备将数据帧处理后 E th erC A T 网络中实 4 系 统 集 成 测 试 及 结 果 用 类似。 备的通 &反之接收数据的过程 所搭建的互联互通的互操作性实验平台采用 发送的用户数据 发送的数据帧 的 是 基 于 ARM + F P G A 的 E th erC A T 主 站 ， 用 SANYO D E N K I公 司 生 产 的 R S 2 系列 P a n a so n ic 公 司 生 产 的 A 5 B 系列 动器和 自制 伺 采 动 器 、 接收的用户数据 接收的数据帧 图 7 EttierCAT主站的顶层数据流 动 器 ， 了一个 上 位 机 运 行 数 控 系 统 G 代码的 三轴测试平台，如 图 1 0 所 示 。 嵌入式处理器A R M 外挂 专 用 硬 件F P G A 的软件 实现的方案中，最关键的技术就是基于F P G A 的硬件实 动的调度 。 的 处 理 器 加 Xenomai 补 行 Linux 操作系 统的 软件实 时 调度为 例 ，如 图 8 实 系 统 G 代码 下长时间运 行，表明该系统 测 明 ，该三轴控制系统能 数控 的协 兼容性和 性 。 后 ，对 专 用 外 挂 硬 件 F P G A 方案的实时性进行 所示。用户的实时任务通 期调用实时控制函数来 了测试，以 F P G A 产生的 冲 为 基 实时性，但是这种方式的实时性主要由X en o m ai补 的实 性保证，当系统的负载过大或者存在多个实 时任务调度的时候就会难 实时性的稳定。 ，测 数据帧使能时刻的 动 ，测 如 图 1 1 所 示 。 由图 内 ，数据帧发送的时刻几乎维 变 ， 了纳秒级别 看 出 ， 个 期
    2016年 6 月 徐 健 ，等：基 于ARM +FPGA 的 EtheCAT主站设计及实现 . 87 . 的精度，远远高于传统网卡的方案，对于实时性要求高 主站控制器功能，实验达到了令 人 的效 果 ，并且具 的控制系统 重要的 。 的协议兼容性、稳定性和较高的实时性。 [参考文献] [ 1 ] 单春荣，刘艳强，郇极 .工 总 线 EtheCAT [J].制造业自动化,2007 (11):79 -82. 动程序 [ 2 ] 张 少 勋 .基 于 嵌 人 式 数 控 平 台 的 EtherCAT主站实现 [D ] . 广州：华南理工大学，2013. [3] d . 基 于 EtW C A T 的 通信控制器设计[D ] . 广 州:广东工业大学，2013. [4] [5] . 基 于 EtherCAT工业以太网嵌人式主站研究 [D ]. 广州：华南理工大学，2014. . 基 于 EtheCAT 工 与应用研究[D ] . 南京:南京理工大学，2014. 的现场控制系统主站 [6 ] Cereia M， Bertolotti I C， Scanzio S. Performance of a real­ time EtlierC!AT master under Linux [ J ]. Industrial Informat­ ics， IEEE Transactions on，2011，7(4) ： 679 -687. [ 7 ] 马 ，康存锋，黄 ，等 . 基 于 Linux的 EtWCAT 的研究[J] . 制造 动化，2011，33(4): 78 -82. [8] Moon Y ， Ko N Y ， Lee K， et al. Real-time EtlierC^AT master implementation on Xenomai for a robot system [ J ]. Interna­ tional Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems，2009, 9(3) ： 244 -248. [9 ] Cereia M， Scanzio S. A user space EtlierC^AT master archi­ tecture for hard real-time control systems [ C ]//Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA) ，2012 IEEE 17th Conference on. IEEE，2012： 1-8. [ 1 0 ] 徐健，宋宝，唐小琦. EtheCAT 与 Modbus协议转换网 实 现 [J ] . 组合机床与自动 工 技 术 ， ( 编 辑 赵 蓉 ） 2015(4) ： 71 -73. 关的 图 1 0 系统实验测试平台 MS0-X 3024^ Mf5136049e Wed JJ 08 223346 2015 I 2.00V/ 2 3 2.00V/ 4 762. IS ______ 120.00：/1 IO ik tf °〇 I I i)t 除 余》___________ 4 ® ____________ 金 ■ H 格充度 《 除 II- 1tH 20% I 图1 1 实时性测试结果 5 结束语 入分析和研究了 Eth e C A T 主站控制器的 体系架构之上，对比了基于通用 方 案和 专用硬件 F P G A 方案的优缺点，提 了 基 于 嵌 入 式 处 理 器 A R M 外 挂专用硬件F P G A 实现的软硬件方案，实现了 EtherCAT (上 接 第 8 3 页） [7] 学智， [1] 马伦，康建设，孟妍，等. 基 于 M ole t 小波变换的滚动轴 [ 参 文 献 ] 幅 (5) ：572 -577. ， . 奇异值分解对 动信号中调 息 的 提 取 [J ] . . 京 理 工 大 学 学 报 ，2011，31 期故障 提取研究[J ]. 仪器仪表学报，2013,34 [ 8 ] 国 ，关 ， (4 ) ：920 -926. [2 ] ， 力， ， . 基 精度 动态测量法[J]. 机床与自动化加工技术，2015(5 ) ： 73 - 7 5 ,79. 消噪的 [3 ] 莉 ，桂预风， ，等. . 阈值法在机械信号降 的 机振动 (8) ：149 -152. [9] 学智， 箱故障 ⑴ ：100 -108. .基 包变换和奇异值分解 提取研究[J ] . 振动与冲击，2011 ， 统 . 奇 异 值 差 分 谱 理 车床 的应用[J ] . 机械工程学报，2010,46 噪 研 究中 的应用[J ]. 机械 与制造，2014( 1 ) ： 222 -225. [10] 平 ，蒋 永 ，张 详 . 基 奇异值分解和经验 分解的滚动 故障 提取方法[J ] . 机械工程 [4 ] 飞飞， 奎，王 ，等. 航空滚动 动信号的 学报，2010,46(5)：37 -42,48. 降噪研究[J] . 机械研究与应用，2014(2 ) ：89-91. [11] 斌 ，朱云博， 刚，等.一种有效奇异值选择方法 [5 ] 大 ，钟 功 ，吴英. 非线性 阈值选取 对 弱 提取中的应用[J ] . 机械科学与技术， 降噪效果的影响分析[J] . 四川理工学院学报（自然科学 2012,31(9)：1449 -1453. ) ，2014,27(3) ：50 -54. [6 ] … 阈值法降噪分析与改进[J ]. 信息与电子工 ，2011，9 (2 ) ：211 -214. [12] 学智， ， 统坚. 基 一奇异值分解差分 谱的弱故障 提取方法[J ] . 机械工程学报，2012,48 ( 编 辑 赵 蓉 ） (7)：37 -48.
    免费论文查重：http://free.paperyy.com 3亿免费文献下载：http://www.ixueshu.com 超值论文自动降重：http://www.paperyy.com/reduce_repetition PPT免费模版下载：http://ppt.ixueshu.com ------------------------------------------------------------------------------- 阅读此文的还阅读了： 1. 基于FPGA的DDR3 SDRAM控制器设计及实现 2. 基于FPGA的通用可逆计数器的设计及实现 3. 基于ARM的PROFIBUS-DP智能主站设计 4. 基于INtime的EtherCAT实时采集系统主站设计 5. 基于FPGA和ARM的GPS信号处理平台 6. 基于ARM和FPGA的LXI触发机制实现 7. 基于ARM的FPGA加载配置实现 8. 基于ARM11和Linux的DS18B20温度测量系统设计及实现 9. 基于FPGA与ARM的遥测数据网络化采集 10. 基于FPGA和ARM的视频采集处理系统 11. 基于ARM9和Linux的FPGA驱动设计 12. 基于ARM/Linux的嵌入式卫星定位平台设计及实现 13. 基于Linux的EtherCAT主站的研究 14. 基于Linux-RTAI的EtherCAT主站研究 15. 基于FPGA+ARM的智能图像门控系统 16. 基于ARM-Linux的车载监控终端设计及实现
    17. 基于DSP和ARM的光电跟踪系统伺服控制器设计及实现 18. EtherCAT 主站 和 EtherCAT 配置器 19. 基于FPGA与ARM的智能合并单元设计 20. 基于ARM和FPGA的图像识别系统 21. 基于FPGA的EtherCAT从站节点开发 22. KPA EtherCAT 主站开发套件MDK简介 23. 基于VxWorks+ARM9的PROFIBUS-DP冗余主站的设计 24. 基于FPGA和ARM的GPS基带处理平台设计 25. 基于ARM9和CS8900A的网络通信电路的设计及实现 26. 基于ARM的EDB系统设计及实现 27. 基于FPGA的E~2PROM读写控制设计及实现 28. 基于FPGA的ARM SoC原型验证平台设计 29. 基于FPGA和ARM的GPS多径实验平台 30. 基于ARM和FPGA的电脑横机控制器的设计 31. 基于ARM & FPGA的CCD图像识别装置 32. 基于ARM&FPGA的USB通信软件设计 33. 基于FPGA和H16110的多通道1553BMT设计及实现 34. 基于ARM＋FPGA的PLC计数器的设计 35. 基于FPGA的可控ARM异常表设计实现 36. FPGA和ARM的Profibus-DP主站通信平台设计 37. 基于ARM+FPGA的GPS接收机设计 38. 基于ARM的远程监控系统的设计及实现 39. 基于ARM技术的EtherCAT与Modbus/TCP协议转换卡设计 40. 基于ARM-FPGA的PLC通讯与编译的设计 41. 基于ARM7TDMI的FPGA加载配置 42. 基于ARM、FPGA、多DSP的嵌入式 43. 浅谈基于WinCE环境下的ARM+FPGA系统 44. 基于ARM和FPGA的DVB-S2数据分类系统研究 45. 基于DSP和PowerPC的EtherCAT主站控制器设计 46. 一种基于ARM-Linux的FPGA程序加载方法 47. 基于FPGA和ARM的图像处理系统 48. 基于ARM点到点通讯协议的设计及实现 49. 基于FPGA的DDS设计及实现 50. 基于ARM与FPGA的LCD控制器设计
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料