0 引言

    EtherCAT是由BECKHOFF提出的在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，該總線具備全雙工工作模式，可基于主站（Master）和從站（Slave）連接的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，且具有低延時(shí)、高安全性的特點(diǎn)。EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)基于EtherCAT協(xié)議的通信功能基本都采用ET1100/ET1200等從站芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)^[1-4]。然而，由于這類芯片除基本通信功能外，還具備大量其他功能，而此類額外通信機(jī)制并不對(duì)我國(guó)技術(shù)人員公開(kāi)，造成對(duì)此類通信芯片還無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自主可控，采用有效的安全機(jī)制提升系統(tǒng)安全性更是無(wú)從談起。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題日益突出，此類不可自主可控通信芯片的應(yīng)用給我國(guó)核心控制系統(tǒng)的運(yùn)行引入一定安全風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)用通信芯片的完全自主可控，基于FPGA實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的自主化開(kāi)發(fā)顯得非常必要，同時(shí)也是采用自主安全機(jī)制提升通信系統(tǒng)安全能力的重要前提。

    基本通信鏈路是實(shí)現(xiàn)收發(fā)EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)的核心，因此，本研究基于EtherCAT協(xié)議特征及數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，設(shè)計(jì)關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)的FPGA狀態(tài)機(jī)，驗(yàn)證FPGA實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站控制器基本通信鏈路功能的可行性，為完善EtherCAT其他通信功能及安全機(jī)制奠定重要基礎(chǔ)。

1 EtherCAT從站控制器框架

    EtherCAT主站與各從站之間的通信鏈路如圖1所示。通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設(shè)備，數(shù)據(jù)幀通過(guò)某一從站時(shí)，從站設(shè)備根據(jù)報(bào)文命令分析尋址到本機(jī)報(bào)文并進(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)到指定位置，數(shù)據(jù)幀到達(dá)最后一個(gè)從站后，該從站把處理后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站。主站收到此上行電報(bào)后處理返回?cái)?shù)據(jù)，一次通信結(jié)束^[5-6]。

    EtherCAT從站控制器主要包括數(shù)據(jù)幀處理單元、EBUS接口編碼/解碼模塊、Auto-forwarder模塊、Loop-back function模塊等。以ET1100/ET1200從站控制器為例，其內(nèi)部框架如圖2所示，主要包括MII、EBUS接口，EtherCAT數(shù)據(jù)幀處理單元，現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU，F(xiàn)liedbus Memory Management Unit），存儲(chǔ)同步管理通道（SM，SyncManager），分布時(shí)鐘，PDI接口，ESC地址空間（包括寄存器和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），EEPROM控制，以及狀態(tài)控制、中斷、看門狗和物理層管理等部分。

    其中，幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）分析并處理EtherCAT數(shù)據(jù)流?，F(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU，F(xiàn)liedbus Memory Management Unit）是EtherCAT從站控制IP核中的核心模塊之一，用于實(shí)現(xiàn)主站對(duì)從站的邏輯尋址。存儲(chǔ)同步管理通道（SM，SyncManager）實(shí)現(xiàn)主站和本地應(yīng)用數(shù)據(jù)交換。Ethercat幀和PDI接口都必須輪詢處理器來(lái)判斷另一端是否完成訪問(wèn)。PDI接口模塊是ESC芯片的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口。

    在FPGA實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站控制器的過(guò)程中，如果能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的通路，數(shù)據(jù)幀能夠通過(guò)EBUS、MII接口傳輸?shù)紽PGA中，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，解包出EtherCAT的幀格式和協(xié)議命令，并通過(guò)端口連接狀態(tài)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送。那么，可以說(shuō)明EtherCAT從站控制器是可以在FPGA中進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。在以上的數(shù)據(jù)鏈路中，EBUS接口涉及到EBUS模塊，EBUS模塊主要對(duì)EBUS協(xié)議進(jìn)行解析，通過(guò)曼徹斯特編碼/解碼接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；FPGA將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行CRC校驗(yàn)是Auto-Forwarder模塊；通過(guò)Loop-back function模塊將數(shù)據(jù)幀發(fā)送。以下分別介紹上述各模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 各模塊實(shí)現(xiàn)邏輯

2.1 EBUS編碼/解碼模塊

    對(duì)于EBUS實(shí)現(xiàn)方式，EBUS接口的LVDS信號(hào)數(shù)據(jù)率是100 Mb/s，EBUS接口是利用曼徹斯特編碼/解碼（Manchester encoded）通過(guò)LVDS方式實(shí)現(xiàn)。

    在實(shí)現(xiàn)EBUS部分時(shí)，根據(jù)EBUS協(xié)議要求，需要實(shí)現(xiàn)曼徹斯特解碼和曼徹斯特波編碼。其中“0”用“01”表示，“1”用“10”表示。EBUS協(xié)議中分為idle標(biāo)識(shí)符、開(kāi)始幀標(biāo)識(shí)符（SOF）、結(jié)束幀標(biāo)識(shí)符（EOF）。Idle標(biāo)識(shí)符為“0”，開(kāi)始幀標(biāo)識(shí)符為連續(xù)3個(gè)時(shí)鐘（200 MHz）連續(xù)的1，結(jié)束幀標(biāo)識(shí)符為連續(xù)3個(gè)時(shí)鐘（200 MHz）連續(xù)的0。EBUS協(xié)議如圖3所示。

    曼徹斯特編碼狀態(tài)機(jī)如圖4所示，曼徹斯特編碼的狀態(tài)機(jī)共分為8個(gè)狀態(tài)，分別為初始1狀態(tài)（IDLE_1C）、初始2狀態(tài)（IDLE_2C）、幀開(kāi)始1狀態(tài)（SOFR_1C）、幀開(kāi)始2狀態(tài)（SOFR_2C）、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）、結(jié)束幀1狀態(tài)（EOFR_1C）、結(jié)束幀2狀態(tài)（EOFR_2C），處理時(shí)鐘為200 MHz。

    各狀態(tài)說(shuō)明如下：

    IDLE_1C為初始1狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識(shí)符，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘0’。下一時(shí)鐘即進(jìn)入IDLE_2C狀態(tài)。

    IDLE_2C為初始2狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識(shí)符，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘1’。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)有效時(shí)進(jìn)入SOFR_1C狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE_1C狀態(tài)。

    SOFR_1C為幀開(kāi)始1狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開(kāi)始幀標(biāo)識(shí)符，下一時(shí)鐘進(jìn)入SOFR_1C狀態(tài)。

    SOFR_2C為幀開(kāi)始2狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開(kāi)始幀標(biāo)識(shí)符，下一時(shí)鐘進(jìn)入ENCO_1C狀態(tài)。

    ENCO_1C為編碼1狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，下一時(shí)鐘進(jìn)入ENCO_2C。

    ENCO_2C為編碼2狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)進(jìn)入EOFR_1C狀態(tài)，否則進(jìn)入ENCO_1C狀態(tài)。

    EOFR_1C為結(jié)束幀1狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標(biāo)識(shí)符，下一時(shí)鐘進(jìn)入ENCO_2C狀態(tài)。

    EOFR_2C為結(jié)束幀2狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標(biāo)識(shí)符，此時(shí)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，下一時(shí)鐘回到IDLE_1C狀態(tài)。

    曼徹斯特解碼狀態(tài)機(jī)如圖5所示，曼徹斯特解碼的狀態(tài)機(jī)共分為5個(gè)狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)（IDLE）、幀開(kāi)始狀態(tài)（SOFR）、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）、結(jié)束幀狀態(tài)（EOFR），處理時(shí)鐘為200 MHz。

    各狀態(tài)說(shuō)明如下：

    IDLE為初始狀態(tài)，對(duì)應(yīng)接收EBUS協(xié)議的idle標(biāo)識(shí)符，下一時(shí)鐘即進(jìn)入SODR狀態(tài)。

    SOFR為幀開(kāi)始狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的接收EBUS協(xié)議的開(kāi)始幀標(biāo)識(shí)符，當(dāng)接收到連續(xù)3個(gè)‘1’即rx_sof_dv為1時(shí)，下一時(shí)鐘進(jìn)入ENCO_1C狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

    ENCO_1C為編碼1狀態(tài)，對(duì)應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，下一時(shí)鐘進(jìn)入ENCO_2C。

    ENCO_2C為編碼2狀態(tài)，對(duì)應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到連續(xù)3個(gè)‘0’時(shí)，進(jìn)入EOFR狀態(tài)，否則進(jìn)入ENCO_1C狀態(tài)。

    EOFR_1C為結(jié)束幀狀態(tài)，此時(shí)已經(jīng)接收到完整的EtherCAT幀，下一時(shí)鐘進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

2.2 Auto-forwarder模塊

    Auto-forwarder模塊是MII和EBUS模塊進(jìn)入IPCORE的第一個(gè)處理模塊，主要實(shí)現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存、檢測(cè)幀導(dǎo)碼、錯(cuò)誤檢測(cè)、將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動(dòng)回環(huán)（Loop-back function）和幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）。Auto-forwarder模塊實(shí)現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存功能是將EtherCAT幀數(shù)據(jù)存到FIFO中，并經(jīng)過(guò)IPCORE處理時(shí)鐘（25 MHz）數(shù)據(jù)讀出，實(shí)現(xiàn)幀數(shù)據(jù)與IPCORE時(shí)鐘同步，再進(jìn)入到下一模塊處理。檢測(cè)幀導(dǎo)碼是在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)有效后，通過(guò)檢測(cè)幀導(dǎo)碼（0x55555555555555555D）,從而確定此幀為以太網(wǎng)幀。數(shù)據(jù)檢測(cè)主要檢測(cè)3種錯(cuò)誤：物理層錯(cuò)誤（RX錯(cuò)誤）、數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤。在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FIFO同步后，在以太網(wǎng)幀的條件下，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果CRC校驗(yàn)正確，把幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動(dòng)回環(huán)或幀處理單元中；如果CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，將此幀丟棄。將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動(dòng)回環(huán)和幀處理單元是在CRC校驗(yàn)正確和無(wú)其他錯(cuò)誤的條件下，將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動(dòng)回環(huán)和幀處理單元中。Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

    Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機(jī)共分為5個(gè)狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)(IDLE)、檢測(cè)前導(dǎo)碼狀態(tài)(DETECT_PREAM)、檢測(cè)前導(dǎo)碼開(kāi)始狀態(tài)(DETECT_START)、幀開(kāi)始狀態(tài)(FRAME_START)、幀處理狀態(tài)(FRAME_PROC)。處理時(shí)鐘為25 MHz。各狀態(tài)說(shuō)明如下：

    IDLE為初始狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有幀數(shù)據(jù)時(shí)，狀態(tài)處于IDLE狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到幀數(shù)據(jù)為5時(shí)，進(jìn)入到DETECT_PREAM狀態(tài)。

    DETECT_PREAM 為檢測(cè)前導(dǎo)碼狀態(tài)，幀接收幀導(dǎo)碼5，當(dāng)檢測(cè)到D時(shí)，進(jìn)入到DETECT_START狀態(tài)。

    DETECT_START為檢測(cè)幀導(dǎo)碼開(kāi)始狀態(tài)，在下一時(shí)鐘進(jìn)入到FRAME_START狀態(tài)。

    FRAME_START為幀開(kāi)始狀態(tài)，開(kāi)始接收幀數(shù)據(jù)，在下一時(shí)鐘進(jìn)入到FRAME_PROC狀態(tài)。

    FRAME_PROC為幀處理狀態(tài)，正式處理幀數(shù)據(jù)，當(dāng)沒(méi)有幀數(shù)據(jù)時(shí)就進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

2.3 Loop-back function模塊

    自動(dòng)回環(huán)（Loop-back function）是根據(jù)端口打開(kāi)狀態(tài)確定數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，IP共有4個(gè)端口，如果當(dāng)前端口處于閉合或未建立連接狀態(tài)，則回環(huán)功能轉(zhuǎn)發(fā)EtherCAT幀到下一個(gè)邏輯端后，端口0（PORT0）的回環(huán)功能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)幀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)幀處理單元。端口狀態(tài)分別為：自動(dòng)閉合、手動(dòng)打開(kāi)。不同端口數(shù)據(jù)幀的處理順序如下：

    (1)0→EtherCAT Processing Unit→0

    (2)0→EtherCAT Processing Unit→1 / 1→0

    (3)0→EtherCAT Processing Unit→1 / 1→2 / 2→0 (log. ports 0,1, and 2)or0→EtherCATProcessing Unit→3 / 3→1 / 1→0 (log. ports 0,1, and 3)

    (4)0→EtherCAT Processing Unit→3 / 3→1 / 1→2 / 2→0

    為便于驗(yàn)證及測(cè)試，本文重點(diǎn)探討雙端口情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能及測(cè)試。

3 功能測(cè)試

    為了對(duì)基于FPGA的通信鏈路進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，搭建如圖7所示的測(cè)試環(huán)境。

    其中，EtherCAT主站是指倍福EtherCAT主站，可以將指定EtherCAT幀發(fā)送到從站中；EtherCAT從站（ASIC）是指倍福的以ET1100芯片為核心的EtherCAT從站，ETherCAT主站通過(guò)MII信號(hào)將EtherCAT幀發(fā)送到EtherCAT從站（ASIC）中，EtherCAT從站（ASIC）將EtherCAT幀轉(zhuǎn)換成EBUS信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼therCAT測(cè)試板中；EtherCAT測(cè)試板是以FPGA為核心的測(cè)試板。

    在測(cè)試中，測(cè)試板通過(guò)EBUS接口，將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)紽PGA中，F(xiàn)PGA通過(guò)EBUS解碼得到數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀到FPGA將進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，解包出EtherCAT幀格式和協(xié)議命令。通過(guò)MII轉(zhuǎn)發(fā)到PC上，PC通過(guò)wireshark進(jìn)行抓包驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀的正確性。

3.1 解碼狀態(tài)測(cè)試

    解碼狀態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖8所示，其中rx_data_interal為EBUS差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)，current_state為狀態(tài)機(jī)信號(hào)，rx_dv為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，rx_data為接收數(shù)據(jù)。可以看出，EBUS協(xié)議的LVDS信號(hào)通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端后，通過(guò)狀態(tài)機(jī)處理，得到幀數(shù)據(jù)。

3.2 編碼狀態(tài)測(cè)試

    編碼狀態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖9所示，tx_data_interal為單端信號(hào)轉(zhuǎn)EBUS差分信號(hào)，current_state為狀態(tài)機(jī)信號(hào)，tx_dv為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，tx_data為接收數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯l(fā)送數(shù)據(jù)有效后，通過(guò)狀態(tài)機(jī)將數(shù)據(jù)單端轉(zhuǎn)差分發(fā)送出去。

3.3 Auto-forwarder數(shù)據(jù)狀態(tài)

    經(jīng)過(guò)Auto-forwarder狀態(tài)的數(shù)據(jù)如圖10所示，其中frame為幀數(shù)據(jù)，fifo為幀數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)同步后的數(shù)據(jù)，state為狀態(tài)機(jī)信號(hào)，frame_done為數(shù)據(jù)幀結(jié)束信號(hào)，frame_start為幀開(kāi)始信號(hào)，frame_data_valid為數(shù)據(jù)幀有效信號(hào)，frame_crc_err為幀錯(cuò)誤信號(hào)。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)幀可以正確識(shí)別并進(jìn)行解析，在幀結(jié)束后，可以看到frame_crc_err有一拍為低。

3.4 數(shù)據(jù)幀驗(yàn)證

    用wireshark抓取的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)幀可以由FPGA正確處理，wireshark抓取報(bào)文正確接收到EtherCAT類型的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，說(shuō)明數(shù)據(jù)鏈路已打通。

4 結(jié)論

    本文通過(guò)解析各階段數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證了關(guān)鍵通信鏈路上EBUS編碼/解碼、Auto-forwarder、Loop-back function模塊的FPGA狀態(tài)機(jī)的正確性，說(shuō)明FPGA實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站基本通信鏈路是完全可行的，為開(kāi)發(fā)完善的ESC從站控制器創(chuàng)造了條件。

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作者信息：

馬保全1，2，姚旺君1，2，劉云龍1，2，張曉莉1，2，黃  兵1，2，趙德政1，2

（1.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）