0 引言

    在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場景中，都需頻繁對(duì)各種現(xiàn)場開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集和輸出。EtherCAT作為一種性能優(yōu)越的現(xiàn)場總線，具有實(shí)時(shí)性突出、總線利用率高、傳輸速度快等特點(diǎn)，適合實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)字IO通信?；贓therCAT現(xiàn)場總線的數(shù)字IO控制具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。隨著EtherCAT總線技術(shù)的推廣，工控領(lǐng)域中EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)關(guān)于數(shù)字IO應(yīng)用的需求逐步提升，而惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境也要求從站節(jié)點(diǎn)IO采集和輸出方面具備足夠的可靠性。

    本文基于一輕量級(jí)的EtherCAT從站，設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)且高效的工業(yè)數(shù)字IO擴(kuò)展模塊，與從站構(gòu)成的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、集成度高和安全性好等特點(diǎn)，足以滿足工業(yè)數(shù)字IO的應(yīng)用需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 EtherCAT從站方案設(shè)計(jì)

    綜合考慮EtherCAT從站實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度，本系統(tǒng)采用了TI的AM3359 ICE開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)從站的基本功能。AM3359芯片內(nèi)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(shí)現(xiàn)EtherCAT從站控制器的基本功能。相比于使用ET1100等獨(dú)立式芯片實(shí)現(xiàn)從站控制器的從站方案^[1]，AM3359獨(dú)特的ARM+PRU核的架構(gòu)可以使微處理器與從站控制器一體化，進(jìn)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(shè)計(jì)方式，分為驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層，基于從站應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)IO擴(kuò)展應(yīng)用為本文研究的重點(diǎn)。

1.2 IO擴(kuò)展模塊方案設(shè)計(jì)

    為滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求，基于AM3359從站開發(fā)板設(shè)計(jì)了3個(gè)IO擴(kuò)展模塊，每個(gè)擴(kuò)展模塊可控制16路的數(shù)字量輸出和16路的數(shù)字量輸入。各擴(kuò)展模塊均由一主控CPU控制，EtherCAT從站主控芯片AM3359與多個(gè)擴(kuò)展模塊主控CPU之間通過SPI總線進(jìn)行通信，其中擴(kuò)展模塊的主控CPU作為SPI從機(jī)，而AM3359芯片作為SPI主機(jī)，利用3個(gè)GPIO腳作為片選腳，與3個(gè)擴(kuò)展模塊的處理器芯片進(jìn)行SPI多機(jī)通信。設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 IO模塊硬件設(shè)計(jì)

    IO模塊的硬件設(shè)計(jì)按照功能劃分為微處理器單元、DC/DC電源模塊、數(shù)字量輸出單元、數(shù)字量輸入單元以及JTAG接口單元等。IO模塊硬件設(shè)計(jì)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(jī)MSP430F5529，該芯片具有強(qiáng)大的處理能力和大量的IO端口，足以滿足該設(shè)計(jì)需求。

    考慮到在工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)3.3 V的DC/DC電源模塊。

    數(shù)字量輸出單元主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號(hào)的輸出，由光耦隔離模塊和IO驅(qū)動(dòng)兩部分組成。光耦模塊起到保護(hù)MCU通用IO口和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖隔離的作用。MCU輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離處理，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后，可用于驅(qū)動(dòng)工作電壓為24 V的IO設(shè)備。

    數(shù)字量輸入單元主要用于采集工業(yè)上的開關(guān)量信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓、過電流或者接觸抖動(dòng)。為了保證輸入信號(hào)安全可靠，本單元設(shè)計(jì)進(jìn)行光耦隔離處理^[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 EtherCAT從站應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)研究

    SYS/BIOS是一個(gè)輕量級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核占用資源極小。此外，SYS/BIOS可通過線程的方式實(shí)現(xiàn)硬件中斷服務(wù)程序^[4]，該類線程的優(yōu)先級(jí)特性與處理器本身的硬件中斷優(yōu)先級(jí)保持一致。SYS/BIOS還可使用圖形化或者動(dòng)態(tài)的方式配置硬件中斷與任務(wù)線程，在使用上更為靈活方便。

    從站軟件應(yīng)用層設(shè)計(jì)使用了SYS/BIOS作為軟件平臺(tái)，從站在運(yùn)行過程中各實(shí)時(shí)控制任務(wù)均在各硬件中斷線程中完成。

3.1.2 AM3359 SPI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

    AM3359作為SPI主機(jī)，協(xié)調(diào)著從站與各IO模塊之間的通信。SPI驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

    為保證SPI主從機(jī)通信順利進(jìn)行，AM3359 SPI模塊初始化應(yīng)當(dāng)根據(jù)MSP430 SPI的模塊功能配置合適的寄存器參數(shù)，主要有時(shí)鐘極性、時(shí)鐘相位以及通信波特率等^[5]。

    由于從站應(yīng)用層設(shè)計(jì)是基于SYS/BIOS實(shí)現(xiàn)的，在這里使用圖形化配置的方式實(shí)現(xiàn)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(duì)象詞典設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)中每個(gè)IO擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)16路的開關(guān)量輸出和16路的開關(guān)量輸入，在從站軟件中需合理設(shè)計(jì)COE對(duì)象詞典管理過程數(shù)據(jù)。在這里使用輸出過程數(shù)據(jù)對(duì)象0x7010、0x7020和0x7030來分別管理各擴(kuò)展模塊的開關(guān)量輸出過程數(shù)據(jù)，使用輸入過程數(shù)據(jù)對(duì)象0x6010、0x6020和0x6030來管理各擴(kuò)展模塊的開關(guān)量輸入過程數(shù)據(jù)，另外使用RxPDO映射對(duì)象0x1601、0x1602和0x1603將以上所述輸出過程數(shù)據(jù)對(duì)象分別映射到3個(gè)RxPDO，使用TxPDO映射對(duì)象0x1A01、0x1A02和0x1A03將以上所述輸入過程數(shù)據(jù)對(duì)象分別映射到3個(gè)TxPDO，最后使用0x1C12對(duì)象配置SM2，使用0x1C13配置SM3^[6]。

    針對(duì)從站的應(yīng)用層對(duì)象詞典的設(shè)計(jì)需編寫合適的從站設(shè)備描述文件，重點(diǎn)是關(guān)于RxPDO和TxPDO的描述，以便在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信中EtherCAT主站能夠根據(jù)從站描述文件生成網(wǎng)絡(luò)信息文件，從而對(duì)從站進(jìn)行正確有效的配置。

3.1.4 從站控制任務(wù)設(shè)計(jì)

    從站的控制應(yīng)用程序主要通過SPI通信實(shí)現(xiàn)與各個(gè)IO擴(kuò)展模塊進(jìn)行數(shù)字量輸入輸出的數(shù)據(jù)交互。考慮到主機(jī)與從機(jī)之間交互的有效數(shù)據(jù)長度是確定的，并且在SPI多機(jī)通信過程中，從機(jī)通信的調(diào)度方式是基于主機(jī)控制的片選信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，因此在SPI一主多從的通信上忽略從機(jī)地址以及通信數(shù)據(jù)長度的信息設(shè)置。綜上所述，根據(jù)SPI全雙工的傳輸特性，定制如下通信協(xié)議：主機(jī)和從機(jī)協(xié)議幀均由起始碼、有效數(shù)據(jù)和結(jié)束碼組成， 分別占用1 B、2 B和1 B，其中主機(jī)協(xié)議幀有效數(shù)據(jù)由2組IO輸出數(shù)據(jù)組成，從機(jī)協(xié)議幀有效數(shù)據(jù)由2組IO輸入數(shù)據(jù)組成，如表1和表2所示。

    從站軟件在APPL_Application函數(shù)中實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。主機(jī)在每個(gè)EtherCAT周期內(nèi)向從機(jī)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(jī)發(fā)送的同時(shí)從機(jī)也回發(fā)協(xié)議幀，因此主機(jī)再發(fā)送一次協(xié)議幀，便可完成主機(jī)與一個(gè)從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。

    主機(jī)在與從機(jī)通信之前先通過設(shè)置合適的GPIO電平選中相應(yīng)的從機(jī)，之后再發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)的數(shù)據(jù)接收在中斷中處理，結(jié)束數(shù)據(jù)交互后主機(jī)通過檢驗(yàn)從機(jī)協(xié)議幀起始碼和結(jié)束碼來決定是否刷新IO輸入數(shù)據(jù)。主機(jī)與任一個(gè)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的流程圖如圖4所示。

3.2 IO擴(kuò)展模塊軟件設(shè)計(jì)

    MSP430作為SPI從機(jī)，使用SPI中斷接收主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，主機(jī)協(xié)議幀的解析在從機(jī)的接收中斷中處理。從機(jī)在解析協(xié)議過程中，使用一輔助狀態(tài)變量確定當(dāng)前接收字節(jié)數(shù)據(jù)位于數(shù)據(jù)幀的哪個(gè)部位。在程序主循環(huán)中，從機(jī)通過檢驗(yàn)主機(jī)協(xié)議幀起始碼和結(jié)束碼來決定是否刷新IO輸出數(shù)據(jù)。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(shí)現(xiàn)EtherCAT主站，對(duì)IO擴(kuò)展模塊的功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

    將編寫好的從站設(shè)備描述文件放至TwinCAT軟件相關(guān)子文件夾中，以便TwinCAT主站能對(duì)從站進(jìn)行正確有效的配置。將PC主站與從站搭建成一簡單EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)行系統(tǒng)測試。

    進(jìn)行IO輸出測試時(shí)，使用大功率LED作為IO輸出控制對(duì)象接于IO模塊的IO輸出點(diǎn)，通過TwinCAT軟件控制相應(yīng)IO點(diǎn)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(duì)象和控制IO輸出的界面如圖7所示。

    進(jìn)行IO輸入測試時(shí)，使用24 V信號(hào)源將信號(hào)輸入給IO輸入點(diǎn)，在TwinCAT軟件通過監(jiān)測輸入IO信號(hào)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(duì)象和監(jiān)控IO輸入信號(hào)的界面如圖8所示。

    經(jīng)測試與分析，此次設(shè)計(jì)的IO模塊可有效實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。本設(shè)計(jì)中從站若需增加IO擴(kuò)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(yīng)用層對(duì)象詞典添加相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)象，在控制任務(wù)添加與新模塊的通信代碼即可有效地添加IO擴(kuò)展模塊。

5 結(jié)束語

    本文基于一嵌入式EtherCAT從站提出近距離數(shù)字IO擴(kuò)展方案。詳細(xì)闡述了該方案軟硬件的實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)分析了SYS/BIOS系統(tǒng)在從站軟件應(yīng)用層上的使用、從站對(duì)象詞典實(shí)現(xiàn)以及從站與IO擴(kuò)展模塊之間通信軟件設(shè)計(jì)。最后，結(jié)合TwinCAT軟件搭建EtherCAT測試網(wǎng)絡(luò)對(duì)從站IO擴(kuò)展應(yīng)用進(jìn)行測試。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，EtherCAT從站與IO擴(kuò)展模塊結(jié)合的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可選地工作。

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作者信息:

林志航，高軍禮，徐超藍(lán)，蔣  杰

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006）