基于FPGA的EtherCAT從站控制器FMMU模塊設計

摘要：EtherCAT是一類比較成熟的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，專用于運動控制領域。系統(tǒng)通信采用主從結構，其中從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實現(xiàn)EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)通信的關鍵芯片，對從站控制芯片進行自主研究設計有助于深入了解EtherCAT總線技術，并實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場總線自主化設計。依據(jù)從站控制器ESC的功能，基于FPGA設計了ESC的子功能模塊FMMU(Field Memory Management Units)，通過主站對從站進行邏輯寫操作驗證了FMMU功能模塊的正確性。仿真結果表明，基于FPGA的FMMU功能模塊的實現(xiàn)方案可行。

關鍵詞：

Abstract: 

Key words:  EtherCAT; ESC; FMMU; FPGA

0  引言

EtherCAT是由BECKHOFF提出和設計的一種工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術，廣泛應用于運動控制領域^［1-2］。 

EtherCAT主要優(yōu)勢在于高速、高實時性以及精確時鐘同步。這些優(yōu)勢的實現(xiàn)基于EtherCAT設計的幾個關鍵技術：飛讀飛寫（processing on the fly）、FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)、DC(Distribute Clock)。以上幾個關鍵技術都是在EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）中實現(xiàn)，ESC是實現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的關鍵^［3-4］。

目前，EtherCAT從站控制技術由國外掌握，IP核和芯片全部是由國外公司提供。我國正在執(zhí)行智能制造2025國家戰(zhàn)略，沒有自主化的先進的工業(yè)現(xiàn)場總線，工業(yè)系統(tǒng)升級就只能是亦步亦趨，跟隨國外公司的步伐，無法開發(fā)出具有自主創(chuàng)新技術的專用產(chǎn)品。在工業(yè)控制系統(tǒng)領域，國外工業(yè)控制系統(tǒng)企業(yè)占據(jù)競爭優(yōu)勢，然而，工業(yè)現(xiàn)場總線是工業(yè)控制系統(tǒng)運行的樞紐，無論什么數(shù)據(jù)都要經(jīng)過這個樞紐進行傳輸，出于系統(tǒng)安全的考慮，有必要對工業(yè)現(xiàn)場總線進行研究，以實現(xiàn)自主化設計。目前國內(nèi)已經(jīng)有針對EtherCAT總線技術的研究的：文獻［5］設計并驗證了ESC實現(xiàn)的通信鏈路可行性，文獻［6］提出了一種使用FPGA實現(xiàn)FMMU的算法，但是上述研究都是進行理論推導與算法設計，沒有工程實踐應用。針對該問題，本文基于FPGA依據(jù)EtherCAT工作原理，設計一種能滿足工程實踐的EtherCAT功能單元FMMU，實現(xiàn)了FMMU的地址映射以及數(shù)據(jù)字節(jié)和位提取的功能。

1  EtherCAT系統(tǒng)及功能組成

EtherCAT主站與從站組成結構如圖1所示。主從站的單次通信過程是：主站遍歷所有從站設備，數(shù)據(jù)幀通過某一從站時，從站設備根據(jù)報文命令分析尋址到本機報文并定位到指定位置進行數(shù)據(jù)讀/寫，數(shù)據(jù)幀到達最后一個從站后，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后處理并返回數(shù)據(jù)，一次完整的通信過程結束^［5-7］。EtherCAT系統(tǒng)整個通信過程由主從站內(nèi)部狀態(tài)機控制，主站采用廣播尋址、自增量尋址、配置地址尋址、邏輯尋址等尋址方式和命令，這個階段，主站獲取了所連從站的基本信息，從站也根據(jù)主站數(shù)據(jù)幀要求對自身進行配置，有過程數(shù)據(jù)要求的對相關從站的FMMU進行配置，這些工作完成后，主從站轉入OP（Operation）態(tài)^［7-8］。

EtherCAT從站控制器IP主要包括端口控制（Ports）處理單元、Auto-forwarder模塊、Loopback模塊、FMMU、SyncManager、PDI(Process Data Interface)單元、復位處理單元、分布時鐘、EEPROM接口單元、REGS及RAM區(qū)，每個功能模塊之間的關聯(lián)如圖2所示。根據(jù)不同的通信階段及從站配置類型，EtherCAT可通過FMMU直接訪問從站控制器的地址控制，讀寫RAM或寄存器區(qū)；有的從站過程數(shù)據(jù)交互時必須先通過SyncManager，才能對RAM或寄存器區(qū)進行讀寫訪問，其中SyncManager是為了數(shù)據(jù)一致性以及數(shù)據(jù)安全性而設計的，既用作訪問RAM或寄存器區(qū)的管理單元，又可以作為PDI和ECAT數(shù)據(jù)同步的調(diào)度接口。

2  FMMU原理及實現(xiàn)

2.1 FMMU運行原理

FMMU作為EtherCAT從站控制器的核心功能之一，采用地址映射技術將主站的邏輯地址轉換為從站的物理地址，映射地址空間達4 GB。FMMU用于主站對于從站的邏輯尋址命令幀中，而且能在一個數(shù)據(jù)子幀中對多個分布式從站進行尋址，既能節(jié)約數(shù)據(jù)幀資源，提高數(shù)據(jù)幀利用率，又能方便主站本地的地址空間管理和分配。 

EtherCAT系統(tǒng)運行時，每個EtherCAT從站都有一個配置文件，即ESI（EtherCAT Slave Information）文件，規(guī)定了每個從站的軟件版本、類型、資源配置包括FMMU個數(shù)等情況。主站利用配置工具，將每個從站的ESI文件作為輸入生成ENI（EtherCAT Network Information）文件，主站軟件根據(jù)各個ENI文件了解自身所在EtherCAT網(wǎng)絡的從站信息。主站運行起來后會根據(jù)ENI文件要求對各個從站進行配置，F(xiàn)MMU就是由主站在PREOP到SAFEOP狀態(tài)轉換過程中進行配置的，主站根據(jù)每個從站的ENI信息對相關從站的FMMU配置以下信息：主站邏輯起始地址、字節(jié)長度、邏輯起始位、邏輯結束位、從站物理起始地址、從站物理起始位、訪問方式（讀、寫、讀寫）、使能。映射實例如表1和圖3所示。

本實例是將32位的主站邏輯地址0x00014708映射到本地從站物理地址0x0F05，從實例配置表中可以看出，邏輯映射起始位為bit 5，結束位為bit 3，映射長度為7 bit，操作類型是寫。 

從站FMMU是由主站在PREOP狀態(tài)利用FPWR(Configured Address Physical Write)命令進行配置的。從站配置成功，并且系統(tǒng)轉入OP狀態(tài)之后，在進行過程數(shù)據(jù)的交互時，從站會收到主站發(fā)出的邏輯尋址的EtherCAT子報文，根據(jù)各個從站的FMMU邏輯配置情況，查詢是否有與子報文中邏輯地址區(qū)相匹配的區(qū)域，如果有，且為輸入類型數(shù)據(jù)（主站讀訪問操作），則從站FMMU會將映射的物理地址區(qū)數(shù)據(jù)插入到EtherCAT子報文數(shù)據(jù)區(qū)的對應位置；如果配置邏輯地址在子報文邏輯地址區(qū)域內(nèi)且為輸出類型數(shù)據(jù)（主站寫訪問操作），則從站FMMU根據(jù)配置要求將邏輯地址區(qū)數(shù)據(jù)抽取到被映射的相應物理地址區(qū)。

2.2 FMMU實現(xiàn)原理

根據(jù)以上FMMU運行原理及配置實例分析，可將FMMU的實現(xiàn)原理分為兩部分：FMMU配置設計與實現(xiàn)、FMMU數(shù)據(jù)處理設計與實現(xiàn)。

2.2.1 FMMU配置設計與實現(xiàn)

根據(jù)EtherCAT協(xié)議和規(guī)范，從站的FMMU只能由主站進行配置，配置寄存器的基地址為0x0600開始的256B（FMMU個數(shù)為8，每個FMMU配置寄存器個數(shù)為16）的區(qū)域，表2～9所示為FMMU的所有配置寄存器描述說明（其中y表示FMMU索引，值為0～15）。

FMMU的配置實現(xiàn)過程（即在PREOP狀態(tài)，主站發(fā)FPWR命令幀進行配置）如圖4所示。從站FPGA根據(jù)EEPROM配置的FMMU個數(shù)（0x0004寄存器的值，即圖中變量n）依照圖4所示邏輯對從站的FMMU進行配置，配置的邏輯地址起始位要大于等于配置的物理地址起始位。

2.2.2 FMMU數(shù)據(jù)處理-主站讀

主站發(fā)LRD(邏輯讀)或者LRW（邏輯讀寫）命令幀，通過FMMU對從站進行讀操作，讀操作分為按位讀（bit-wise reading）和按字節(jié)讀 (byte-wise reading)兩種方式，按位讀支持對從站任何允許的地址區(qū)域操作。邏輯讀操作處理邏輯為： FPGA代碼判斷訪問類型是否為讀配置、幀命令是否為LRD和LRW、地址是否在邏輯映射地址區(qū)間內(nèi)，滿足這三個條件后，置一個標志位，在此標志位為1的情況下，將被映射的物理地址中的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)幀的邏輯地址空間。

2.2.3FMMU數(shù)據(jù)處理-主站寫

主站發(fā)LWR或者LRW命令幀，通過FMMU對從站進行寫操作，寫操作分為按位寫和按字節(jié)寫兩種方式。對于按位操作來說，對同一個從站內(nèi)的兩個FMMU都進行按位寫操作的情況下,兩個FMMU的邏輯起始地址之差值設置為大于等于3。對于按字節(jié)操作來說，沒有這個限制。按位寫只支持對從站地址區(qū)域為0x0F00:0x0F03的數(shù)字量輸出寄存器的按位寫操作，對于除此區(qū)域之外的其他地址區(qū)域的按位寫操作，未映射的區(qū)域?qū)粚懭敕嵌x的值，按字節(jié)寫沒有這種區(qū)域限制。圖5所示為寫操作的實現(xiàn)邏輯。

在寫操作的實現(xiàn)邏輯中，通過設置掩碼，將需要寫入的bit置1，不需要寫入的bit置0，然后將掩碼與原先物理地址區(qū)域或寄存器中的原值進行邏輯運算，既將要寫入的bit寫入了物理寄存器中，又保留了不需要更新的物理寄存器中的原值保留。

3  功能測試

功能測試選取LWR命令進行驗證，對兩個從站采用按位寫的映射方式。通過在testbench（測試臺）中編寫EtherCAT邏輯寫測試包激勵，使用Modelsim對設計的FMMU模塊設計進行仿真測試，驗證從站0xF00:0xF03中最終被寫入數(shù)據(jù)的正確性。

3.1 測試例說明

測試例采用兩個從站，從站的0xF00:0xF03寄存器值默認復位都為0；主站采用LWR命令，邏輯起始地址0x01000011,寫入5B數(shù)據(jù)0xaa556789ab，網(wǎng)絡協(xié)議采用高字節(jié)順序，即高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低字節(jié)地址，而且在傳輸中最先傳輸最低位，數(shù)據(jù)格式見表10所示。

第一個從站的配置如表11所示，假設此從站物理寄存0x0F00:0F03初始值為0xabcdef78，按FMMU實現(xiàn)原理分析，F(xiàn)MMU模塊截取邏輯寫幀的值應該為6 bit: 010100，寫入到物理寄存器0x0F00:0x0F03（leastbit：10101001即為0x95）的值為0x95cdef78。

第二個從站的配置如表12所示，假設此從站物理寄存0x0F00:0F03初始值為0x12345678；按FMMU 實現(xiàn)原理分析，F(xiàn)MMU模塊截取邏輯寫幀的值應該為6 bit: 001101，寫入到物理寄存器0x0F00:0x0F03（leastbit：00011010即為0x58）的值為0x12585678。

3.2 仿真測試驗證

仿真采用Modelsim軟件進行，根據(jù)表11和表12的配置要求，對從站1和從站2分別進行邏輯按位寫仿真驗證。

根據(jù)表11中第一個從站的測試例，取主站邏輯地址0x01000011中的數(shù)據(jù)0x55，得到的mask為0x3E00，處理后的數(shù)據(jù)為0x1540；取主站邏輯地址0x01000012中的數(shù)據(jù)0xaa，得到的mask為0x0040，處理后的數(shù)據(jù)為0x2a95，如圖6所示。

對數(shù)據(jù)進行掩碼操作處理，將物理地址0x0F00 中bit1~bit6對應的6 bit數(shù)據(jù)用邏輯地址0x01000011對應的bit3開始的6 bit數(shù)據(jù)替換，得到從站1的物理地址0x0F00的數(shù)據(jù)為0x95，數(shù)據(jù)處理仿真結果如圖7所示。

根據(jù)表12中第二個從站的測試例，取主站邏輯地址0x01000013中的數(shù)據(jù)0x89，得到的mask為0x3E00，處理后的數(shù)據(jù)為0x19C0；取主站邏輯地址0x01000014中的數(shù)據(jù)0x67，得到的mask為0x0040，處理后的數(shù)據(jù)為0x2295，如圖8所示。

對數(shù)據(jù)進行掩碼操作處理，將物理地址0x0F01 中bit1~bit6對應的6 bit數(shù)據(jù)用邏輯地址0x01000013對應的bit3開始的6 bit數(shù)據(jù)替換，得到從站2的物理地址0x0F01的數(shù)據(jù)為0x58，數(shù)據(jù)處理仿真結果如圖9所示。

4  結論

通過對FMMU實現(xiàn)邏輯代碼的Modelsim仿真數(shù)據(jù)結果，驗證了FMMU原理及其邏輯實現(xiàn)的正確性，說明用FPGA實現(xiàn)EtherCAT從站控制器FMMU模塊是完全可行的，為開發(fā)完善的ESC從站控制器創(chuàng)造了條件。

參考文獻

［1］ 謝香林.EtherCAT網(wǎng)絡及其伺服運動控制系統(tǒng)研究［D］.大連:大連理工大學,2008.

［2］ 胡世江. 基于ET1100的EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)從站設計［J］. 可編程控制器與工廠自動化, 2009 (11):67-70.

［3］ GB/T 31230.3-2014,工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT 第3部分:數(shù)據(jù)鏈路層服務定義［S］.北京:中國標準出版社出版,2014. 

［4］ 馬軍賢,周侗,楊志家,等. EtherCAT從站的設計與實現(xiàn)［J］. 自動化與儀表, 2011(8):37-40. 

［5］ 馬保全, 姚旺君, 劉云龍,等. 基于FPGA的EtherCAT從站通信鏈路分析與驗證［J］.電子技術應用, 2017, 43(8):95-99. 

［6］ 楊建武,胡濤濤. EtherCAT從站控制IP核中FMMU的一種算法［J］. 制造業(yè)自動化, 2013, 35(10): 83-86. 

［7］ 郇極,劉艷強.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社,2010.

［8］ 汪雅楠.工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT通信系統(tǒng)的研究與仿真［D］.北京：北京交通大學,2011.（收稿日期：2018-05-22）

作者簡介：

姚旺君（1983-），通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)、電路與系統(tǒng)、信號處理。E-mail：yaowan19432003@163.com。 

林浩（1988-），男，博士，工程師，主要研究方向：工業(yè)控制與自動化、機器人。 

王永利（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：信息安全、信號處理。