文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.016
中文引用格式： 林志航，高軍禮，徐超藍，等. 基于EtherCAT從站的IO擴展模塊設計[J].電子技術應用，2017，43(3)：66-69.
英文引用格式： Lin Zhihang，Gao Junli，Xu Chaolan，et al. Design of IO expansion module based on EtherCAT slave station[J].Application of Electronic Technique，2017，43(3)：66-69.
0 引言
在多數工業(yè)應用場景中，都需頻繁對各種現場開關量信號進行采集和輸出。EtherCAT作為一種性能優(yōu)越的現場總線，具有實時性突出、總線利用率高、傳輸速度快等特點，適合實現可靠的數字IO通信。基于EtherCAT現場總線的數字IO控制具有廣泛的應用價值。隨著EtherCAT總線技術的推廣，工控領域中EtherCAT從站節(jié)點關于數字IO應用的需求逐步提升，而惡劣的工業(yè)現場環(huán)境也要求從站節(jié)點IO采集和輸出方面具備足夠的可靠性。
本文基于一輕量級的EtherCAT從站，設計了經濟且高效的工業(yè)數字IO擴展模塊，與從站構成的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強、集成度高和安全性好等特點，足以滿足工業(yè)數字IO的應用需求。
1 總體方案設計
1.1 EtherCAT從站方案設計
綜合考慮EtherCAT從站實現的技術難度，本系統(tǒng)采用了TI的AM3359 ICE開發(fā)板來實現從站的基本功能。AM3359芯片內部帶有PRU-ICSS可編程工業(yè)通信子系統(tǒng)，可通過TI提供的EtherCAT固件代碼使PRU-ICSS實現EtherCAT從站控制器的基本功能。相比于使用ET1100等獨立式芯片實現從站控制器的從站方案[1]，AM3359獨特的ARM+PRU核的架構可以使微處理器與從站控制器一體化，進而使從站硬件集成度更高，開發(fā)周期更短[2]。
從站軟件采用分層設計方式，分為驅動層、協(xié)議層和應用層，基于從站應用層軟件實現IO擴展應用為本文研究的重點。
1.2 IO擴展模塊方案設計
為滿足系統(tǒng)應用需求，基于AM3359從站開發(fā)板設計了3個IO擴展模塊，每個擴展模塊可控制16路的數字量輸出和16路的數字量輸入。各擴展模塊均由一主控CPU控制，EtherCAT從站主控芯片AM3359與多個擴展模塊主控CPU之間通過SPI總線進行通信，其中擴展模塊的主控CPU作為SPI從機，而AM3359芯片作為SPI主機，利用3個GPIO腳作為片選腳，與3個擴展模塊的處理器芯片進行SPI多機通信。設計框架如圖1所示。
2 IO模塊硬件設計
IO模塊的硬件設計按照功能劃分為微處理器單元、DC/DC電源模塊、數字量輸出單元、數字量輸入單元以及JTAG接口單元等。IO模塊硬件設計總體框圖如圖2所示。
IO模塊主控芯片采用德州儀器公司的16位單片機MSP430F5529，該芯片具有強大的處理能力和大量的IO端口，足以滿足該設計需求。
考慮到在工業(yè)應用上24 V電源的通用性，而且本系統(tǒng)中MSP430F5529需要3.3 V供電，所以采用了24 V轉3.3 V的DC/DC電源模塊。
數字量輸出單元主要用于實現數字量信號的輸出，由光耦隔離模塊和IO驅動兩部分組成。光耦模塊起到保護MCU通用IO口和實現數據緩沖隔離的作用。MCU輸出信號經光耦隔離處理，再經驅動芯片放大后，可用于驅動工作電壓為24 V的IO設備。
數字量輸入單元主要用于采集工業(yè)上的開關量信號，這些信號經常會產生瞬時高壓、過電流或者接觸抖動。為了保證輸入信號安全可靠，本單元設計進行光耦隔離處理[3]。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 EtherCAT從站應用軟件設計
3.1.1 SYS/BIOS實時操作系統(tǒng)研究
SYS/BIOS是一個輕量級的實時操作系統(tǒng)，其內核占用資源極小。此外，SYS/BIOS可通過線程的方式實現硬件中斷服務程序[4]，該類線程的優(yōu)先級特性與處理器本身的硬件中斷優(yōu)先級保持一致。SYS/BIOS還可使用圖形化或者動態(tài)的方式配置硬件中斷與任務線程，在使用上更為靈活方便。
從站軟件應用層設計使用了SYS/BIOS作為軟件平臺，從站在運行過程中各實時控制任務均在各硬件中斷線程中完成。
3.1.2 AM3359 SPI驅動程序設計
AM3359作為SPI主機，協(xié)調著從站與各IO模塊之間的通信。SPI驅動程序主要包括SPI模塊初始化、SPI發(fā)送處理和SPI接收處理，其中SPI接收處理采用中斷的方式實現。
為保證SPI主從機通信順利進行，AM3359 SPI模塊初始化應當根據MSP430 SPI的模塊功能配置合適的寄存器參數，主要有時鐘極性、時鐘相位以及通信波特率等[5]。
由于從站應用層設計是基于SYS/BIOS實現的，在這里使用圖形化配置的方式實現SYS/BIOS下的SPI接收中斷。配置界面如圖3所示。
3.1.3 從站COE對象詞典設計
本設計中每個IO擴展板實現16路的開關量輸出和16路的開關量輸入，在從站軟件中需合理設計COE對象詞典管理過程數據。在這里使用輸出過程數據對象0x7010、0x7020和0x7030來分別管理各擴展模塊的開關量輸出過程數據，使用輸入過程數據對象0x6010、0x6020和0x6030來管理各擴展模塊的開關量輸入過程數據，另外使用RxPDO映射對象0x1601、0x1602和0x1603將以上所述輸出過程數據對象分別映射到3個RxPDO，使用TxPDO映射對象0x1A01、0x1A02和0x1A03將以上所述輸入過程數據對象分別映射到3個TxPDO，最后使用0x1C12對象配置SM2，使用0x1C13配置SM3[6]。
針對從站的應用層對象詞典的設計需編寫合適的從站設備描述文件，重點是關于RxPDO和TxPDO的描述，以便在EtherCAT網絡通信中EtherCAT主站能夠根據從站描述文件生成網絡信息文件，從而對從站進行正確有效的配置。
3.1.4 從站控制任務設計
從站的控制應用程序主要通過SPI通信實現與各個IO擴展模塊進行數字量輸入輸出的數據交互。考慮到主機與從機之間交互的有效數據長度是確定的，并且在SPI多機通信過程中，從機通信的調度方式是基于主機控制的片選信號實現的，因此在SPI一主多從的通信上忽略從機地址以及通信數據長度的信息設置。綜上所述，根據SPI全雙工的傳輸特性，定制如下通信協(xié)議：主機和從機協(xié)議幀均由起始碼、有效數據和結束碼組成， 分別占用1 B、2 B和1 B，其中主機協(xié)議幀有效數據由2組IO輸出數據組成，從機協(xié)議幀有效數據由2組IO輸入數據組成，如表1和表2所示。
從站軟件在APPL_Application函數中實現控制任務。主機在每個EtherCAT周期內向從機發(fā)送協(xié)議幀，利用SPI全雙工通信與雙方協(xié)議幀長度相同的特性，主機發(fā)送的同時從機也回發(fā)協(xié)議幀，因此主機再發(fā)送一次協(xié)議幀，便可完成主機與一個從機之間的數據交互。
主機在與從機通信之前先通過設置合適的GPIO電平選中相應的從機，之后再發(fā)起數據傳輸，主機的數據接收在中斷中處理，結束數據交互后主機通過檢驗從機協(xié)議幀起始碼和結束碼來決定是否刷新IO輸入數據。主機與任一個從機進行數據交互的流程圖如圖4所示。
3.2 IO擴展模塊軟件設計
MSP430作為SPI從機，使用SPI中斷接收主機發(fā)來的數據，主機協(xié)議幀的解析在從機的接收中斷中處理。從機在解析協(xié)議過程中，使用一輔助狀態(tài)變量確定當前接收字節(jié)數據位于數據幀的哪個部位。在程序主循環(huán)中，從機通過檢驗主機協(xié)議幀起始碼和結束碼來決定是否刷新IO輸出數據。主循環(huán)流程和中斷處理流程如圖5、圖6所示。
4 系統(tǒng)測試
利用裝有TwinCAT軟件的PC實現EtherCAT主站，對IO擴展模塊的功能進行測試和驗證。
將編寫好的從站設備描述文件放至TwinCAT軟件相關子文件夾中，以便TwinCAT主站能對從站進行正確有效的配置。將PC主站與從站搭建成一簡單EtherCAT網絡，再進行系統(tǒng)測試。
進行IO輸出測試時，使用大功率LED作為IO輸出控制對象接于IO模塊的IO輸出點，通過TwinCAT軟件控制相應IO點的輸出，監(jiān)測LED是否亮滅來判斷IO輸出功能是否正常。TwinCAT軟件掃描所得IO輸出對象和控制IO輸出的界面如圖7所示。
進行IO輸入測試時，使用24 V信號源將信號輸入給IO輸入點，在TwinCAT軟件通過監(jiān)測輸入IO信號是否正常跳變來判斷IO輸入的功能是否正常，TwinCAT軟件掃描所得IO輸入對象和監(jiān)控IO輸入信號的界面如圖8所示。
經測試與分析，此次設計的IO模塊可有效實現預定的功能。本設計中從站若需增加IO擴展模塊，硬件上從站僅需使用額外的IO引腳作為SPI片選腳與IO模塊相連，然后在從站軟件應用層對象詞典添加相關數據對象，在控制任務添加與新模塊的通信代碼即可有效地添加IO擴展模塊。
5 結束語
本文基于一嵌入式EtherCAT從站提出近距離數字IO擴展方案。詳細闡述了該方案軟硬件的實現過程，重點分析了SYS/BIOS系統(tǒng)在從站軟件應用層上的使用、從站對象詞典實現以及從站與IO擴展模塊之間通信軟件設計。最后，結合TwinCAT軟件搭建EtherCAT測試網絡對從站IO擴展應用進行測試。經實驗驗證，EtherCAT從站與IO擴展模塊結合的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可選地工作。
參考文獻
[1] 施大發(fā)，劉建林，王輝，等.一種高性能EtherCAT實時以太網從站的設計[J].湖南師范大學自然科學學報，2011，34（3）：37-40.
[2] 任計羽，范永坤，熊皚.EtherCAT高性能從站的設計與實現[J].計算機應用，2014，34（S1）：18-20.
[3] 王續(xù)利，王全勝，張梅.基于FPGA的開關量輸入模塊設計[J].計算機測量與控制，2012，20（9）：2494-2496.
[4] 湯敏，范永坤，熊皚.基于SYS/BIOS的伺服控制實時操作系統(tǒng)的設計[J].機床與液壓，2013，41（11）：118-121.
[5]這孫斌，胡越黎，王昆.SPI總線用于雙處理器通信的數據鏈路層設計及其實現[J].上海大學學報，2012，18（5）：513-518.
[6] 金超，夏繼強，滿慶豐. CANopen對象字典的分析與具體實現[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012(8)：12-14.
作者信息:
林志航，高軍禮，徐超藍，蔣 杰
（廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州510006）