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Ether CAT 主站與（yǔ）主站通信（xìn）協議的研究與實現

2019-8-14 來源：桂林電（diàn）子科技大學電（diàn）子工（gōng）程與自動化學院作者：黨選舉，李帥（shuài）帥，伍（wǔ）錫如，薑輝

摘（zhāi）要: Ether CAT 是目前最高速的工（gōng）業現場總（zǒng）線網絡。由於其高帶寬利用率，低堆（duī）棧延遲、低交換機（jī）延遲等優點，近些年（nián）被廣泛（fàn）應用於數控機床係統。為滿足 Ether CAT 主站間的通信，進一步擴展 Ether CAT 組網功能，為構（gòu）建 Ether CAT 工業複雜網絡提供技術支（zhī）持，在不（bú）影響原有主站與從站通信（xìn）功能（néng）情況下，設計了支持主站與主（zhǔ）站之間通信的新協議（yì），擴充 IGH 開源驅動功能，在 AM3358 處理器硬件平台上實（shí）現了Ether CAT 主（zhǔ）站與主（zhǔ）站的通信。

分別在實時ＲT-Patch linux 係統和原生（shēng） linux 係統（tǒng）中對設計方案進行測試，結果表明該方案運行穩定且可（kě）以滿足主（zhǔ）從、主主之間相互通信，滿足了工業組網需求。為實現 Eth-er CAT 數控係統複雜網絡（luò）的建立和大數據的快速采集，解（jiě）決了主站與（yǔ）主站之（zhī）間通信的關鍵問題。

關鍵詞: Ether CAT; 主站; 現（xiàn）場總線; 大數據采（cǎi）集

0 引言

實時以太網是常規以（yǐ）太網技術的（de）延伸，為滿足控製領（lǐng）域的實時通信要求，德國倍福自動（dòng）化公司提出了（le） Ether CAT 實時工業以太（tài）網技術（shù）。在數控係（xì）統領域（yù），沈陽機床 i5 智能數控機床使（shǐ）用 Ether CAT 總線係統顯著提高（gāo）了工業效益。

現有的大（dà）量研究都集中在主從的構建或者主從間通信中，如在 AＲM 構架上構建支持主從通信的 Ether CAT 主站，高性（xìng）能從站的設計，從站同步（bù）時鍾的優化及其 Ether CAT 時（shí）序特性分析等。其所研究的 Ether CAT 總線（xiàn）結構主要是單（dān）個主站獨立控製多個從站，主站各（gè）有屬於自身的從（cóng）站（zhàn）單元，主站與主站間無法交換共享數據。

為構建工業數控係統（tǒng）複雜（zá）網絡，實現數控係統多軸（zhóu）信息的快速傳（chuán）輸（shū），進行工業大數據的采集，獨立的主站（zhàn）與從站通信並不（bú）能完全滿需求，難（nán）以真正的實現分布式架構，不利於對於數控係統中大數據的傳輸。因（yīn）此該文深入研究Ether CAT 總線通信（xìn）協議，采用 Ether CAT 協議中（zhōng）的保留數據類型，進行主站與主站之間的通信。

如今（jīn）為（wéi）解決大數（shù）據難以傳輸處理問題一般係統采用（yòng）分布式（shì）架構。主站（zhàn）與從站通信，是分布式架構一個局部基本單元，隻有局部基本單元之間相互通（tōng）信，才可以為構建Ether CAT 工業數控係統複雜網絡提供基礎保障（zhàng）。主站與主站通信正是為搭建複雜（zá）網絡提供了可行方案。

為了提高普（pǔ）適性，選用 linux 係統作為開發平台。德國 IGH 公司提供的 Ether CAT Master for Linux 主站驅動，其遵循 GPLv2 開源協議（yì），但此代碼僅支持主站與從站之間的通信，因此該文在 IGH 發布的主站開源代（dài）碼的基礎（chǔ）上，通過協議（yì）補充，擴充驅（qū）動功能，構建了支持主站（zhàn）與主站之間（jiān）通信的係統。

1 、程（chéng）序運行（háng）環境的實現

1． 1 實（shí）現 Ether CAT 主站的軟件結構

IGH 公司提供的主站驅動支持原生非實（shí）時 linux 操作係統和實時擴展如ＲTAI、XENOMAI、ＲT-Patch 等實（shí）時linux 係。如圖 1 所示主站（zhàn）基（jī）本通信結（jié）構圖，其主要由包含各種連接硬件接口的硬件層，負責 linux 調度、算法處理的內核層，供應戶調（diào）用（yòng）的應用層三部分組成（chéng）。

圖（tú） 1 主站基本通信結構（gòu）圖

1． 2 實現主站的（de）硬件平（píng）台

AM3358 是基於 AＲM Cortex-A8 內核（hé）帶有 NEON協處理器高性能處理（lǐ）器。其最（zuì）高主頻可達 1GHz; 集成2 個可編程實時單元 pＲU，PＲU 可配置成為 Ether CAT從站功能模塊; 具有單錯檢測( 奇偶校（xiào）驗) 的 32KB /32KB L1 指令 / 數據高速緩存（cún）; 集（jí）成 2 個工業用千兆以太網 MAC( 10 /100 /1000MHZ)。文（wén）中把其中一個網口作為從站（zhàn）連接（jiē）口，另外一個作為主站與主站之間通信連接口，主站連接示意圖如圖 2 所示。

圖 2 主站連接（jiē）示意圖

2 、主站驅動擴展與實現方法

2． 1 Ether CAT 數據幀分析

Ether CAT 數據基於以太網（wǎng）數據幀進行傳（chuán）輸，數據幀類型為 0x88A4，其部分幀結構示意圖如圖 3 所示。

圖 3 Ether CAT 部分幀結構示意圖

圖 3 中，對於 Ether CAT 頭部分，其中的 Ether CAT數據長度為整個（gè） Ether CAT 報文部分的數據長度，對於類型，其值為 1 表示主站與（yǔ）從站通信（xìn）的數據幀，其（qí）餘值保留。但為了主站之間進行通信，文中（zhōng）規定在 Ether-CAT 頭（tóu）中的類型為 2 表示該（gāi）數據幀為主站與主站通信（xìn）數據幀，因此隻需補充並（bìng）完善驅動代碼，使之在（zài）接收數據時識別（bié）該以太網幀（zhēn）的類型（xíng）位就可以識別是發往從站的數據幀還（hái）是主站間（jiān）通信（xìn）的數據（jù）幀。

2． 2 主站運行階段

Ether CAT Master for Linux 主站驅動按照功能不（bú）同的劃分，可劃分（fèn）為孤（gū）兒階段、空閑階段和可操作階段三個階段，其（qí）示意圖如圖 4所示。

圖（tú） 4 主站驅（qū）動運行階段（duàn）

圖 4 中，在孤兒階（jiē）段，主站等待以太網設備連接;在空閑狀態，主（zhǔ）站已經連接了以太網設備，但是應用空間並沒（méi）有對主站請求。此時主站會自動掃描從站總線並等待應用空（kōng）間的操作。同時，命令行工具可以訪問（wèn）總線，但是由於缺（quē）少總線（xiàn）配置，不能進行過程數據的交換。

文中修改驅動代碼後，在此階段，主站除掃描總線上的（de）從站外，主站另一端口還需要掃描對應（yīng）總線上的其它主站設備; 在（zài）操作狀態，主站被應用層請求，此時可對總線上從站進（jìn）行配置也可進行過程（chéng）數據的交換。

2． 3 主（zhǔ）站對數據幀的訪問

在空閑階段，每個主（zhǔ）站將通過不同（tóng）的（de）端口自動（dòng）掃描識（shí）別總線（xiàn）上從站和其它主站，根據 Ether CAT 協議，當主站對從站的掃描時，由於（yú） Ether CAT 幀在從站之間（jiān）傳輸是順序的，因（yīn）此一個子報文可以完成對多個從站的訪問，在數據幀的長度允許範圍內，一個數據幀可完成多個從（cóng）站的掃描。但是在（zài）主站識別其它主站時，主站之間並行，所以每個數據幀隻能完成對一個主（zhǔ）站的訪問。

3 、主站的實現技術

3． 1 主站對總線的掃描流程

在主站代碼中，主站對總線的掃描是在空閑線程中進行的，在沒有應（yīng）用請求的狀態下，主站驅動隻會運行在空閑線程，在該階段執行的具體函（hán）數由狀態（tài）機根據不同的（de）判斷條件執行不同的回調函數，進而有序的循環執行。其運行基本流程如圖（tú） 5 所示。

圖 5 空（kōng）閑線程運行流程圖

3． 2 主站數據結構的擴充

原生的（de）驅動代碼中，描述主（zhǔ）站的結構體中沒有針對其它主站的描（miáo）述，文中對於描述主站結構體 structec_master 進行擴充，需在該結（jié）構體內添加如下代碼:

文中對 struct ec_master 額外增加了兩數據報（bào），其中數（shù）據（jù）報 to_master_datagram 為主站與（yǔ）主站間通信的數據報。exchange_master_datagra 為主站接收到通信數據報後處（chù）理信息（xī）的緩存數據報。

3． 3 主站發送數據幀

IGH 發布原生的代（dài）碼中，有冗餘支持，但（dàn）是（shì）冗餘通信端口也是主站與從站通信端口，為使代碼支持主站與主站（zhàn）間（jiān）通信，文中（zhōng）將冗（rǒng）餘端口的（de）功能修改為主站與主站通信端口（kǒu），因此在主站空（kōng）閑階段中，文中主站間通信（xìn）數（shù）據報 to_master_datagram 的發送（sòng）設備應指定為冗餘端口，具體發送函數可為（wéi）:

3． 4 主站接收數據幀（zhēn）發（fā）送數據幀

接收數據幀的底層（céng）驅動（dòng）函數無需任（rèn）何的改變，處理函數進行修改，修改後的接收處理函數流程圖如圖6 所示。

圖 6 接收處理函數流程圖

對於（yú）接收到的主站間通信數據，隻需要把接收到的數據幀的數據存儲（chǔ）在指定內存（cún）中，然後加入到鏈表，使用時遍曆該（gāi）鏈表即（jí）可。文中定義函數 ec_master_queue_master ( ) 用（yòng）來將其它主站信息放入鏈（liàn）表，主要（yào）代碼如（rú）下:

4 、主站驅動安裝配置

由於在主站之間通信與主從之間通信分（fèn）別使用不同的網卡端口，因此文中使用了冗餘端口的功能，因此在安裝驅動時要設定使能冗餘端口。安裝（zhuāng）配置時執行如下命令:

其中，參數－－ enable － generic = yes 指明使用通用網卡，參數－－ with － devices = 2 指明（míng）本驅動安裝（zhuāng） 2 個以太網設備。參數為－－ enable － wildcards 表明目的地址為 0xffffffff 將會匹配所有的廠商 ID 或者產品碼。

5 、主站驅（qū）動通信實（shí）驗驗證

5． 1 測試硬件平（píng）台（tái）

中分別選用（yòng）三個主站模塊，一個（gè）從站測試模塊進試驗。其（qí）中主站模塊 IAC-335X-Kit 評估板集成 2 個工（gōng）業用（yòng）千兆以太網 MAC。另外兩個為開源可擴展（zhǎn）硬件（jiàn）平台 Beagle Bone Black，因其僅有一個以太網 MAC，僅配置為主（zhǔ）站（zhàn）通信，不再連接其它的從站設備。實驗平台實物圖如（rú）圖 7 所示。

圖 7 實驗平（píng）台實物圖

5． 2 Ether CAT 多主站間通信測試

文中分別將主（zhǔ）站（zhàn）驅動配置到不（bú）同（tóng）的 linux 版本進行（háng）測試（shì）。文中測試過程（chéng）中，主（zhǔ）站模塊在 IAC-335X-Kit評（píng）估板安裝的嵌入式係統為 linux-3． 2． 21 並修補了（le）實時補丁ＲT-Preempt，為（wéi）主站驅動提供一個硬實時運（yùn）行環境。Beagle Bone Black 平台安（ān）裝的（de）嵌入式係統為linux-3． 14，為非實時（shí）操作（zuò）係統。對於驅動（dòng）的測試，在 linux 應用（yòng）層（céng），編寫代碼以（yǐ） 1秒為周期向從發送數據。

文中是使用修（xiū）改過（guò）的 IGHEther CAT 提供的命令行工具，執行後會顯示相應端口（kǒu）掃描到的總線上的其它主站或者從站的信息，以雙網口的主站（zhàn）為例，則主站統計信息如圖 8

所示。

圖 8 主站統計（jì）信息

上麵信（xìn）息（xī）顯（xiǎn）示，Phase: Operation 表明主站（zhàn）運行在（zài）可操作階段; Active: yes 表明驅動有應用層調用;Slaves: 1 表明總線上有 1 個從站模塊; 後續信息表明，除本主（zhǔ）站外總（zǒng）線仍有（yǒu） 2 個主站模塊，對應主站的（de） MAC分別為（wéi） 54: 4a: 16: b9: b3: 63 和 54: 4a: 16: be: db: 4f; 圖中的統計信息，Main 指定的網卡接口連接（jiē）的是從站，Tx frames 的（de）Ｒx frames 差值為 1 表明無數（shù）據這丟失，在從站通信中（zhōng），發送的幀（zhēn）率平均為 100 幀/s，發送速率為5． 9Kbyte / s; 由於主站之間是平行的，每個主站都可以（yǐ）獨立的廣播發送報文，因此在上圖標注的 Backup 主（zhǔ）站通信端口，實（shí）際接收到的數據要比實際（jì）發送的幀數要多，以（yǐ）致統計工具（jù）中接收數據出現負值，實（shí）際（jì）則滿足主站通信要（yào）求。

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