摘要：在機器人控制系統(tǒng)中，以EtherCAT為代表工業(yè)以太網(wǎng)被引入以提高控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?、穩(wěn)定性、實時性。本文在EtherCAT的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于FPGA的專用以太網(wǎng)芯片，可在控制節(jié)點自動識別從站節(jié)點信息，并自動配置成機器人控制器的軟PLC的I/O數(shù)據(jù)的高速總線系統(tǒng)REEX（Real-timeEtherCAT-basedExtendExpress）。采用此系統(tǒng)，在擴展IO時，將無需修改控制軟件，IO端口信息將自動顯示在示教器界面，降低了機器人控制系統(tǒng)的使用難度，提高了用戶體驗。

1引言

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)場總線組網(wǎng)內(nèi)部的從設(shè)備的處理能力得到了巨大的提升，每個從設(shè)備節(jié)點對數(shù)據(jù)的需求也隨之高漲，同時同一子網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量要求也有較大提升，這就對現(xiàn)場總線的帶寬提出了很高的要求。而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線無法滿足這種需求。

以太網(wǎng)（Ethernet）作為一種高帶寬的設(shè)備間傳輸方式，具有①數(shù)據(jù)傳輸距離長、傳輸速率高、數(shù)據(jù)包容量大，②使用通用以太網(wǎng)元器件，性能價格比高的特點，完全滿足了上述需求。其中工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用，由于其在性能、成本等多方面的優(yōu)勢，現(xiàn)已逐漸取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線成為工業(yè)現(xiàn)場通信的主流技術(shù)。

目前工業(yè)界主流的以太網(wǎng)協(xié)議主要有EtherCAT、EthernetPowerlink、PROFINetRT/IRT、SERCOSIII、Ethernet/IP、ModbusTCP等，這幾種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也被IEC收錄進了IEC61158標準第四版中，并得到了大量的應用。

主流工業(yè)以太網(wǎng)為兼容IEEE802.3標準，主站多采用標準以太網(wǎng)硬件，同時也導致主站軟件功能復雜，開發(fā)難度大，使用不靈活，價格昂貴等問題。特別大多數(shù)的商業(yè)主站對從站的配置是靜態(tài)的，不具備動態(tài)的自配置功能，或者需要用戶支付高昂的授權(quán)費用。

機器人控制系統(tǒng)中，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線越來越多的得到應用。EtherCAT數(shù)據(jù)刷新周期短，可用于工業(yè)的現(xiàn)場的實時控制，1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30usM，分布式是種技術(shù)保證了軸與軸之間的同步時間偏差小于1us。

EtherCAT從站物理層接口有MII和EBUS兩種類型。MII是標準的以太網(wǎng)物理接口，使用外部PHY芯片；EBUS是使用LVDS標準定義的物理層，無需外部PHY芯片，作為EtherCAT擴展總線使用。EBUS的優(yōu)點在于取消了PHY芯片，消除了數(shù)據(jù)傳輸在PHY上的傳輸延時；但缺點是只適合短距離傳輸，同時EBUS只是在物理層上做了修改，在應用層上，通過EBUS擴展IO，在大多數(shù)商用EtherCAT主站上也無法做到自適應。

針對這種情況，本文設(shè)計了一種適用于機器人控制系統(tǒng)的，以EtherCAT總線為基礎(chǔ)，使用ESC芯片+FPGA芯片作為專用以太網(wǎng)硬件對EtherCAT做出擴展，具有自配置功能的高速總線系統(tǒng)，是能夠解決設(shè)備熱插拔、自配置等需要高價購買的功能，同時又能提供媲美其他工業(yè)以太網(wǎng)總線性能的系統(tǒng)，我們稱之為基于EtherCAT的高速擴展總線REEX（Real-timeEtherCAT-basedExtendExpress）總線系統(tǒng)。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)

為實現(xiàn)設(shè)備熱插拔、自配置等功能，REEX總線系統(tǒng)中的控制節(jié)點，如圖1所示，要具有一定的處理能力來處理總線的狀態(tài)，同時，控制節(jié)點又可以作為機器人控制系統(tǒng)中的某個從節(jié)點將總線上的設(shè)備信息、狀態(tài)等數(shù)據(jù)反饋給機器人主控單元。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)在同一個MCU內(nèi)部集成ESC從站協(xié)議棧以及REEX主站協(xié)議棧，由于通用操作系統(tǒng)，譬如Linux等，實時性能無法達到ESC從站協(xié)議的要求，只能采用具有高實時性的RTOS來實現(xiàn)。控制節(jié)點MCU在RTOS下直接驅(qū)動2個網(wǎng)口作為ESC從站網(wǎng)口，同時驅(qū)動SPI接口與控制節(jié)點FPGA通訊，完成REEX主站協(xié)議棧。

REEX總線從站節(jié)點，如圖2所示，存儲有自身節(jié)點的節(jié)點號、節(jié)點類型、數(shù)據(jù)長度等信息，并具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，能夠在短時間內(nèi)從以太網(wǎng)幀中取數(shù)據(jù)、存數(shù)據(jù)，并快速的將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點。同時，在需要處理能力的從節(jié)點中，譬如模擬量AI/AO模塊，編碼器Encoder模塊等，需要在該節(jié)點中增加具有處理能力的MCU。

2.1系統(tǒng)拓撲

常見的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有：星型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等，如圖3所示。

以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)跟帶寬占用率有很大關(guān)系，一個數(shù)據(jù)包能夠包含所有節(jié)點的數(shù)據(jù)并且擁有遍歷所有節(jié)點的傳輸路徑是提升帶寬利用率的有效途徑。

從常見網(wǎng)絡(luò)拓撲來講，線型以及環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)包遍歷所有節(jié)點的路徑較短，且專用以太網(wǎng)硬件避免了總線仲裁等開銷，是帶寬利用效率最高的拓撲結(jié)構(gòu)。EtherCAT和SERCOSIII等總線的常用拓撲結(jié)構(gòu)也選擇了線型結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，REEX采用了線型結(jié)構(gòu)，最大程度的利用了帶寬。

2.2專用以太網(wǎng)芯片

之前的介紹中提到了REEX總線采用了專用以太網(wǎng)硬件以規(guī)避在整個數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)包沖突。由于FPGA的靈活性以及強大的性能，可以用來作為實現(xiàn)專用以太網(wǎng)MAC芯片的功能，從而更高的利用通訊帶寬，提升了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

在某些種類的從站中，需要用到MCU來掛載外設(shè)，譬如驅(qū)動AD/DA芯片等。MCU與FPGA之間通過SPI進行通訊。

REEX控制節(jié)點和從站節(jié)點的以太網(wǎng)鏈路層均采用了FPGA來替代通用MAC的功能。整個REEX鏈路上，所有數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收都是由FPGA來實現(xiàn)的。REEX網(wǎng)絡(luò)模型如圖5左側(cè)所示，圖中右側(cè)為標準ISO/OSI參考模型分布。REEX的控制節(jié)點和從站節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型是一致，只是傳輸層的處理協(xié)議不同。

由于為了能夠更高的利用帶寬，減少數(shù)據(jù)傳遞過程中無用數(shù)據(jù)的數(shù)量，F(xiàn)PGA對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的格式進行了修改，形成了REEX所特有的幀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

FPGA接收處理流程如圖7所示。FPGA的FIFO接收上一節(jié)點所發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀中本節(jié)點的內(nèi)容取出，存入FIFO，同時將本節(jié)點上一周期從外部獲取的數(shù)字量或者模擬量等數(shù)據(jù)更新到FIFO的相應位置，稍后將FIFO的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點。同時，對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行初步解析，根據(jù)接收到的命令來執(zhí)行不同的任務(wù)。

圖8所示為FPGA發(fā)送處理流程。FPGA在接收流程中將FIFO數(shù)據(jù)更新完畢后，會置位FIFO_SOF以及FIFO_DV，觸發(fā)發(fā)送流程。FPGA還包含了任務(wù)處理、自配置、地址配置模塊等。任務(wù)處理模塊會分析數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，根據(jù)不同的命令來執(zhí)行相應的自配置、地址配置、復位、時間同步等任務(wù)模塊。

2.3控制節(jié)點

控制節(jié)點是整個REEX網(wǎng)絡(luò)的核心，管理著REEX的所有節(jié)點。控制節(jié)點的MCU通過對該節(jié)點的FPGA的控制，來驅(qū)動整個REEX正常工作。

REEX通訊過程分為通訊復位、自動檢索、板號設(shè)置、時間同步、周期通訊等幾個過程，如圖9所示。

通訊復位：MCU設(shè)置FPGA總線復位寄存器，命令FPGA向總線環(huán)路發(fā)送通訊復位幀，從而初始化整個通訊過程。

自動檢索：MCU向FPGA發(fā)起自動檢索命令，F(xiàn)PGA向總線環(huán)路發(fā)送自動檢索幀，并等待自動檢索幀的返回。返回的檢索包內(nèi)按照物理鏈路的順序存放了所有從站節(jié)點的信息。MCU將這些信息存入共享內(nèi)存中，并自動分配對應長度的數(shù)據(jù)區(qū)，使得ESC從站協(xié)議棧能夠獲取到REEX的數(shù)據(jù)。

板號設(shè)置：MCU可向FPGA發(fā)起板號設(shè)置命令，F(xiàn)PGA向總線環(huán)路發(fā)送板號設(shè)置幀，并等待該幀返回。

時間同步：MCU發(fā)起同步命令，F(xiàn)PGA向總線環(huán)路發(fā)送時間同步幀，各從節(jié)點測量傳輸延時，并進行補償。

周期通訊：MCU發(fā)起周期通訊命令，F(xiàn)PGA將周期性的向總線環(huán)路發(fā)起數(shù)據(jù)交換幀。

3系統(tǒng)集成及測試

機器人控制系統(tǒng)采用了開放式的控制架構(gòu)，使用了CODESYS軟件平臺提供了軟PLC編程環(huán)境，同時集成了EtherCAT主站功能。

在此架構(gòu)下，我們通過REEX總線的控制節(jié)點所提供的ESC從站協(xié)議棧，可以方便的將REEX總線集成到機器人控制系統(tǒng)中。

如圖10所示，REEX的數(shù)據(jù)區(qū)映射在機器人控制系統(tǒng)的EtherCAT數(shù)據(jù)區(qū)中，通過IO映射，可以將這部分數(shù)據(jù)區(qū)傳遞到機器人示教器系統(tǒng)中。這樣，從用戶角度來看，在示教器系統(tǒng)中即可觀察到REEX總線的數(shù)據(jù)了。

使用本文所述的基于以太網(wǎng)的自配置高速總線系統(tǒng)，應用在新時達機器人控制柜SRC2.6版本上，控制新時達SP120碼垛機器人。REEX總線共掛載DI/DO/AI/AO多種從站板卡，控制周期2ms，能夠提供高速、可靠的IO擴展能力。

4結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于EtherCAT，使用FPGA作為專用以太網(wǎng)芯片的自配置高速總線系統(tǒng)，REEX總線。通過使用自定義的FPGA模塊替代了通用以太網(wǎng)MAC層芯片，在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)了REEX數(shù)據(jù)傳輸模型。同時基于自定義的REEX傳輸模型，在應用層實現(xiàn)了自配置功能，并將REEX總線數(shù)據(jù)映射到機器人控制系統(tǒng)的示教器界面，實現(xiàn)了無需人工配制即可擴展物理IO的功能，簡化了機器人操作的步驟，提升了用戶體驗。