0 引言

    EtherCAT是由BECKHOFF公司提出的一種高性能工業以太網技術^[1]，它采用標準以太網數據幀和符合以太網標準IEEE 802.3的物理層，具有數據傳輸速度高、實時性好、拓撲靈活和實施費用低的優點，逐步成為工業以太網技術研究的熱點^[2]。

    目前，EtherCAT技術已成為國際標準IEC61158的一部分，被廣泛的應用于同步控制、運動控制和材料加工控制等行業^[3，4]。本文研究了常用的EtherCAT網絡配置方案，分析了其不足，提出了一種基于從站信息接口(Slave Information Interface，SII)的EtherCAT網絡配置方案，并對方案進行實現，最后通過實驗驗證了其可行性。

    目前常用的EtherCAT網絡配置方案大多基于可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）在這種方案中EtherCAT配置工具根據從站提供的EtherCAT從站信息(EtherCAT Slave Information，ESI)文件和網絡拓撲結構，生成一個XML格式的EtherCAT網絡信息（EtherCAT Network Information，ENI）文件。ENI文件描述了網絡的拓撲結構以及從站設備的初始化命令和配置命令。主站獲取ENI文件，并根據其網絡配置信息進行EtherCAT網絡配置。

    這種方案具有良好的通用性和擴展性，但也有著諸多不足。一方面，該配置方案需要額外的配置軟件進行協助，增加了研發的工作量。同時，ENI文件依據ESI文件生成，所以一個新的模塊出現就要向EtherCAT配置軟件的庫文件中添加一個新的ESI文件，使得整個配置操作較為復雜。文獻[5]中設計了一種簡單EtherCAT主站，可以簡化配置過程，但是仍然需要上位機進行協助。

    另一方面，XML格式的文件解析比較復雜。XML格式文本是W3C組織為Web數據儲存和交換制定的一種文本格式，其解析復雜度較高，尤其是在系統資源并不豐富的嵌入式主站系統中，XML的解析壓力將面臨更為嚴峻的挑戰。文獻[6]提出了一種快速XML解析方案，但是其對內存要求較大，并不能完全解決上述問題。

1 基于SII的配置方案

    為了解決傳統方案中存在的問題，本文提出并設計了一種基于SII的EtherCAT配置方案。SII是從站信息接口，它規定了從站信息在EEPROM中的存儲格式，主站可以根據SII中的信息完成對從站的配置。該配置方案如圖1所示，在配置開始時，主站掃描從站，獲取從站的拓撲，并順序讀取所有從站的設備信息，然后生成配置命令，從而完成對EtherCAT網絡及所有從站的配置操作。與傳統方案相比，本方案中由主站獲取從站的拓撲結構并生成配置信息，全程無需專門的配置工具軟件參與，降低了配置方案的開發成本；主站直接從SII中獲取從站的信息，不需要XML參與配置，省卻了解析XML的時間，極大地提高了配置效率。

    該配置方案包括3個操作步驟：(1)掃描從站，根據獲取的響應信息計算從站連接的拓撲結構；(2)根據從站的拓撲結構，依次讀取從站信息；(3)生成配置信息，并對從站進行配置。

1.1 計算從站拓撲結構

    在目前常用的EtherCAT網絡配置方案中，從站的拓撲結構是由配置工具軟件生成并下發到從站。而在基于SII的配置方案中，由于沒有配置工具軟件的參與，主站采用一種遞歸的算法計算從站的拓撲結構。

    為了讀者更好地理解從站拓撲結構的計算方法，先簡單介紹EtherCAT數據幀如何在從站中傳輸。EtherCAT從站結構如圖2所示，從站最多支持4個端口，從站會根據端口是否存在連接自動打開或關閉端口。若連接存在，則打開端口，否則關閉端口。若端口打開，流入該端口的數據幀被發送給其他從站，在其他從站處理完成后返回該端口；若端口閉合，數據幀會直接流向從站的下一個端口。0端口是從站數據的輸入端口，從站一旦接入網絡，端口0一定處于打開的狀態，其他3個端口都有可能關閉。因此數據幀在從站中傳輸順序是0端口、數據幀處理單元、3端口、1端口、2端口、0端口，最后由0端口離開從站。圖3介紹了數據幀在網絡中的傳輸過程。

    根據上面的描述，可以將EtherCAT從站抽象成三叉樹上的一個結點。如圖4(a)所示，Port0作為從站結點的輸入端口，而Port3、Port1和Port2作為輸出端口，且樹遍歷順序是Port3、Port1和Port2。圖3中的網絡拓撲結構可抽象圖4(b)所示的三叉樹。因此，計算EtherCAT網絡的拓撲結構可以抽象成對三叉樹的深度優先遍歷^[7]。因為工控網絡中節點數量較少，可以采用遞歸算法實現，因此本文采用遞歸算法實現EtherCAT網絡拓撲結構的計算^[8]。

    在使用遞歸算法計算從站拓撲結構前，仍需要進行3個步驟獲取必要條件：

    (1)獲取網絡中從站的個數

    從站的數據幀處理單元在成功處理完數據幀之后，會把數據幀計數位的值加1，表示處理成功。利用此特性，主站發送廣播數據幀，所有從站都會把數據幀的計數位的值加1，因此數據幀計數位的值就代表了從站個數，主站讀取返回數據幀的計數位就可以獲取從站的個數。

    (2)獲取從站各個端口連接狀態

    從站使用專用的寄存器記錄從站端口的連接狀態，主站使用順序讀取命令，讀取各個從站記錄端口連接狀態的寄存器，獲取從站端口的連接狀態。

    (3)排列從站順序

    按照從站的順序尋址即數據幀在從站的處理順序給從站進行排序。圖3中的從站按照此方法排列后的順序是A、B、C、D。

    圖5所示為數據結構存儲從站信息，name表示從站的名字，port0、port1、port2和port3采用相同的結構表示從站端口的情況，linkstatus表示端口是否存在連接，之后的name代表與該端口連接的從站的名字。port0比較特殊，因為其作為從站輸入端口，即連接樹的父結點，所以一直處于連接狀態。

    在計算從站拓撲結構時，按照順序將各個從站的連接信息存在結構體數組中，然后從數組中第一個從站開始進行計算。對每一個從站首先在port0中記錄其上層從站的名字，然后按照port3、port1和port2的順序掃描從站的各個端口的連接情況，若某端口處于連接狀態，且未記錄其子結點，則數組中其后port0為空的從站是其子結點，此時進入下一層，遞歸計算子結點的連接情況。當計算完成時，所有從站的連接情況都已經明確，也就完成了從站拓撲結構的計算。

1.2 讀取從站信息

    要完成EtherCAT網絡的配置，除了需要獲取從站的拓撲結構外，還需要各個從站的設備信息。在傳統方案中，從站信息是由ESI文件提供的，而在本方案中主站通過訪問從站的EEPROM獲取配置信息。本節將介紹基于SII的配置方案主站如何讀取從站的設備信息。

    EEPROM中的信息結構如圖6所示，0～64地址存儲的是從站結構信息，從地址64處開始存儲的是分類信息^[9]。所有分類信息使用相同的數據結構，但長度不定。分類信息的數據結構如圖7所示，包括2個字節的信息類型、2個字節的數據長度和指定長度的數據內容。

    在基于SII的配置方案中，主站按照圖8中所示的流程讀取從站信息。主站讀取從站分類信息時，從第一條分類信息開始，根據類型名查找要讀的信息，直到找到要讀取的信息，并將信息存儲到對應結構體。

1.3 生成網絡信息

    EtherCAT直接使用標準以太網數據幀，以太網幀的數據區由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文中包含從站的地址和數據。EtherCAT網絡中主站與從站通過數據幀進行數據交互，EtherCAT數據幀采取串行轉發方式，每個EtherCAT數據幀經過所有的從站。數據幀到達某個從站時，從站根據EtherCAT數據幀中的地址和命令，將數據從EtherCAT數據幀中取出或將數據寫入EtherCAT數據幀中。由上文可知，EtherCAT網絡中主站訪問從站就必須知道從站的地址，主站與從站進行數據交互就要設置從站的數據區映射。

    EtherCAT從站地址的分配主要是配置設備地址和邏輯地址。設備地址是一個兩字節的地址，主站用它來識別各個從站。在本方案中設備地址是從0X1000開始，按照連接順序依次遞增進行，給每個從站分配設備地址。邏輯地址并不是單獨定義的，而是使用從站數據在主站數據區中的地址。使用邏輯地址時，從站中現場總線內存管理單元(Fieldbus Memory Management Unit，FMMU)將從站本地物理存儲映射到主站的邏輯地址。在本方案配置過程中，主站根據從站EEPROM中過程數據對象(Process Data Object，PDO)分類信息計算出從站的數據長度和從站物理地址，然后按照順序在數據區中為每個從站分配對應的長度的存儲區，最后根據計算結果配置FMMU寄存器。

    EtherCAT從站數據區的配置內容主要為配置存儲同步管理器(SyncManager，SM)。SM通過硬件對數據區的所有訪問進行控制，使得數據區不會被雙方同時訪問，保證了主站與從站應用數據交換的一致性和安全性。在本方案配置過程中，主站讀取從站EEPROM中的SM類型信息，計算出SM控制數據區的地址、大小和控制模式，并配置相應寄存器。

2 方案測試

    為驗證方案的可行性，在Ubuntu平臺上實現了一個采用SII配置方案的精簡EtherCAT主站。該精簡EtherCAT主站能夠完成從站配置，以及主從站之間的數據交換。測試系統結構如圖9所示。

    在測試系統中包含有6個BECKHOOF公司生產的EtherCAT從站，分別是EK1100、EL1008、EL2008、EL3054、EL4024和EK1110。其中EL1008和EL3054分別是數字輸入和模擬輸入，EL2008和EL4024分別是數字輸出和模擬輸出。

    在測試中，通過檢查所有從站的狀態和周期數據交換功能來判斷EtherCAT網絡配置是否成功。為了方便分析從站狀態，使用Wireshark抓取EtherCAT數據幀分析從站狀態，抓取到數據幀如圖10所示。圖10框中的數據是獲取到從站的狀態，它顯示所有從站都處于OP狀態，說明從站狀態轉換成功，本方案成功配置了EtherCAT網絡。

3 結論

    目前常見的EtherCAT網絡配置方案使用XML文件作為配置信息，存在研發復雜和效率較低的問題。為了解決上述不足，本文研究了EtherCAT網絡的配置過程，提出了一種基于SII接口的EtherCAT網絡配置方案。該方案使用從站SII接口中提供的信息，計算生成EtherCAT網絡配置方案。通過與其他常見方案的比較發現，基于SII接口的EtherCAT網絡配置方案實現簡便，能夠提高配置效率且實現較容易，因此具有較高的應用價值。

參考文獻

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作者信息：

南  揚1，2，豐大軍2，趙德政2，王  皓2

（1.西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安710071；2.華北計算機系統工程研究所，北京100083）