关于基于SII接口的EtherCAT网络配置方案的设计

0 引言

EtherCAT是由BECKHOFF公司提出的一种高性能工业以太网技术[1]，它采用标准以太网数据帧和符合以太网标准IEEE 802.3的物理层，具有数据传输速度高、实时性好、拓扑灵活和实施费用低的优点，逐步成为工业以太网技术研究的热点[2]。

目前，EtherCAT技术已成为国际标准IEC61158的一部分，被广泛的应用于同步控制、运动控制和材料加工控制等行业[3，4]。本文研究了常用的EtherCAT网络配置方案，分析了其不足，提出了一种基于从站信息接口(Slave Information Interface，SII)的EtherCAT网络配置方案，并对方案进行实现，最后通过实验验证了其可行性。

目前常用的EtherCAT网络配置方案大多基于可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）在这种方案中EtherCAT配置工具根据从站提供的EtherCAT从站信息(EtherCAT Slave Information，ESI)文件和网络拓扑结构，生成一个XML格式的EtherCAT网络信息（EtherCAT Network Information，ENI）文件。ENI文件描述了网络的拓扑结构以及从站设备的初始化命令和配置命令。主站获取ENI文件，并根据其网络配置信息进行EtherCAT网络配置。

这种方案具有良好的通用性和扩展性，但也有着诸多不足。一方面，该配置方案需要额外的配置软件进行协助，增加了研发的工作量。同时，ENI文件依据ESI文件生成，所以一个新的模块出现就要向EtherCAT配置软件的库文件中添加一个新的ESI文件，使得整个配置操作较为复杂。文献[5]中设计了一种简单EtherCAT主站，可以简化配置过程，但是仍然需要上位机进行协助。

另一方面，XML格式的文件解析比较复杂。XML格式文本是W3C组织为Web数据储存和交换制定的一种文本格式，其解析复杂度较高，尤其是在系统资源并不丰富的嵌入式主站系统中，XML的解析压力将面临更为严峻的挑战。文献[6]提出了一种快速XML解析方案，但是其对内存要求较大，并不能完全解决上述问题。

1 基于SII的配置方案

为了解决传统方案中存在的问题，本文提出并设计了一种基于SII的EtherCAT配置方案。SII是从站信息接口，它规定了从站信息在EEPROM中的存储格式，主站可以根据SII中的信息完成对从站的配置。该配置方案如图1所示，在配置开始时，主站扫描从站，获取从站的拓扑，并顺序读取所有从站的设备信息，然后生成配置命令，从而完成对EtherCAT网络及所有从站的配置操作。与传统方案相比，本方案中由主站获取从站的拓扑结构并生成配置信息，全程无需专门的配置工具软件参与，降低了配置方案的开发成本；主站直接从SII中获取从站的信息，不需要XML参与配置，省却了解析XML的时间，极大地提高了配置效率。

该配置方案包括3个操作步骤：(1)扫描从站，根据获取的响应信息计算从站连接的拓扑结构；(2)根据从站的拓扑结构，依次读取从站信息；(3)生成配置信息，并对从站进行配置。

1.1 计算从站拓扑结构

在目前常用的EtherCAT网络配置方案中，从站的拓扑结构是由配置工具软件生成并下发到从站。而在基于SII的配置方案中，由于没有配置工具软件的参与，主站采用一种递归的算法计算从站的拓扑结构。

为了读者更好地理解从站拓扑结构的计算方法，先简单介绍EtherCAT数据帧如何在从站中传输。EtherCAT从站结构如图2所示，从站最多支持4个端口，从站会根据端口是否存在连接自动打开或关闭端口。若连接存在，则打开端口，否则关闭端口。若端口打开，流入该端口的数据帧被发送给其他从站，在其他从站处理完成后返回该端口；若端口闭合，数据帧会直接流向从站的下一个端口。0端口是从站数据的输入端口，从站一旦接入网络，端口0一定处于打开的状态，其他3个端口都有可能关闭。因此数据帧在从站中传输顺序是0端口、数据帧处理单元、3端口、1端口、2端口、0端口，最后由0端口离开从站。图3介绍了数据帧在网络中的传输过程。

根据上面的描述，可以将EtherCAT从站抽象成三叉树上的一个结点。如图4(a)所示，Port0作为从站结点的输入端口，而Port3、Port1和Port2作为输出端口，且树遍历顺序是Port3、Port1和Port2。图3中的网络拓扑结构可抽象图4(b)所示的三叉树。因此，计算EtherCAT网络的拓扑结构可以抽象成对三叉树的深度优先遍历[7]。因为工控网络中节点数量较少，可以采用递归算法实现，因此本文采用递归算法实现EtherCAT网络拓扑结构的计算[8]。

在使用递归算法计算从站拓扑结构前，仍需要进行3个步骤获取必要条件：

(1)获取网络中从站的个数

从站的数据帧处理单元在成功处理完数据帧之后，会把数据帧计数位的值加1，表示处理成功。利用此特性，主站发送广播数据帧，所有从站都会把数据帧的计数位的值加1，因此数据帧计数位的值就代表了从站个数，主站读取返回数据帧的计数位就可以获取从站的个数。

(2)获取从站各个端口连接状态

从站使用专用的寄存器记录从站端口的连接状态，主站使用顺序读取命令，读取各个从站记录端口连接状态的寄存器，获取从站端口的连接状态。

(3)排列从站顺序

按照从站的顺序寻址即数据帧在从站的处理顺序给从站进行排序。图3中的从站按照此方法排列后的顺序是A、B、C、D。

图5所示为数据结构存储从站信息，name表示从站的名字，port0、port1、port2和port3采用相同的结构表示从站端口的情况，linkstatus表示端口是否存在连接，之后的name代表与该端口连接的从站的名字。port0比较特殊，因为其作为从站输入端口，即连接树的父结点，所以一直处于连接状态。

在计算从站拓扑结构时，按照顺序将各个从站的连接信息存在结构体数组中，然后从数组中第一个从站开始进行计算。对每一个从站首先在port0中记录其上层从站的名字，然后按照port3、port1和port2的顺序扫描从站的各个端口的连接情况，若某端口处于连接状态，且未记录其子结点，则数组中其后port0为空的从站是其子结点，此时进入下一层，递归计算子结点的连接情况。当计算完成时，所有从站的连接情况都已经明确，也就完成了从站拓扑结构的计算。

1.2 读取从站信息

要完成EtherCAT网络的配置，除了需要获取从站的拓扑结构外，还需要各个从站的设备信息。在传统方案中，从站信息是由ESI文件提供的，而在本方案中主站通过访问从站的EEPROM获取配置信息。本节将介绍基于SII的配置方案主站如何读取从站的设备信息。

EEPROM中的信息结构如图6所示，0～64地址存储的是从站结构信息，从地址64处开始存储的是分类信息[9]。所有分类信息使用相同的数据结构，但长度不定。分类信息的数据结构如图7所示，包括2个字节的信息类型、2个字节的数据长度和指定长度的数据内容。

在基于SII的配置方案中，主站按照图8中所示的流程读取从站信息。主站读取从站分类信息时，从第一条分类信息开始，根据类型名查找要读的信息，直到找到要读取的信息，并将信息存储到对应结构体。

1.3 生成网络信息

EtherCAT直接使用标准以太网数据帧，以太网帧的数据区由一个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文中包含从站的地址和数据。EtherCAT网络中主站与从站通过数据帧进行数据交互，EtherCAT数据帧采取串行转发方式，每个EtherCAT数据帧经过所有的从站。数据帧到达某个从站时，从站根据EtherCAT数据帧中的地址和命令，将数据从EtherCAT数据帧中取出或将数据写入EtherCAT数据帧中。由上文可知，EtherCAT网络中主站访问从站就必须知道从站的地址，主站与从站进行数据交互就要设置从站的数据区映射。

EtherCAT从站地址的分配主要是配置设备地址和逻辑地址。设备地址是一个两字节的地址，主站用它来识别各个从站。在本方案中设备地址是从0X1000开始，按照连接顺序依次递增进行，给每个从站分配设备地址。逻辑地址并不是单独定义的，而是使用从站数据在主站数据区中的地址。使用逻辑地址时，从站中现场总线内存管理单元(Fieldbus Memory Management Unit，FMMU)将从站本地物理存储映射到主站的逻辑地址。在本方案配置过程中，主站根据从站EEPROM中过程数据对象(Process Data Object，PDO)分类信息计算出从站的数据长度和从站物理地址，然后按照顺序在数据区中为每个从站分配对应的长度的存储区，最后根据计算结果配置FMMU寄存器。

EtherCAT从站数据区的配置内容主要为配置存储同步管理器(SyncManager，SM)。SM通过硬件对数据区的所有访问进行控制，使得数据区不会被双方同时访问，保证了主站与从站应用数据交换的一致性和安全性。在本方案配置过程中，主站读取从站EEPROM中的SM类型信息，计算出SM控制数据区的地址、大小和控制模式，并配置相应寄存器。

2 方案测试

为验证方案的可行性，在Ubuntu平台上实现了一个采用SII配置方案的精简EtherCAT主站。该精简EtherCAT主站能够完成从站配置，以及主从站之间的数据交换。测试系统结构如图9所示。

在测试系统中包含有6个BECKHOOF公司生产的EtherCAT从站，分别是EK1100、EL1008、EL2008、EL3054、EL4024和EK1110。其中EL1008和EL3054分别是数字输入和模拟输入，EL2008和EL4024分别是数字输出和模拟输出。

在测试中，通过检查所有从站的状态和周期数据交换功能来判断EtherCAT网络配置是否成功。为了方便分析从站状态，使用Wireshark抓取EtherCAT数据帧分析从站状态，抓取到数据帧如图10所示。图10框中的数据是获取到从站的状态，它显示所有从站都处于OP状态，说明从站状态转换成功，本方案成功配置了EtherCAT网络。

3 结论

目前常见的EtherCAT网络配置方案使用XML文件作为配置信息，存在研发复杂和效率较低的问题。为了解决上述不足，本文研究了EtherCAT网络的配置过程，提出了一种基于SII接口的EtherCAT网络配置方案。该方案使用从站SII接口中提供的信息，计算生成EtherCAT网络配置方案。通过与其他常见方案的比较发现，基于SII接口的EtherCAT网络配置方案实现简便，能够提高配置效率且实现较容易，因此具有较高的应用价值。