基于嵌入式平台的EtherCAT主站实现研究

摘要

智能制造业的快速发展，对节点间通信的实时性、可靠性以及通信带宽提出了更高的要求。作为智能制造业最基础的核心技术之一，工业现场通信技术始终处于高速发展中，近些年涌现出一大批优秀的工业现场总线标准。其中，倍福公司的工业以太网技术标准，凭借组网简单、成本低廉、实时可靠等众多优点脱颖而出。工业以太网主站可以在多种平台上运行，只要求硬件提供一个标准的网口即可，因此，成本低廉、简单灵活、高速实时的嵌入式平台在硬件上完全可以作为工业以太网主站使用，从而提供了一种新的网络化、信息化、智能化的解决方案。
　　本文对EtherCAT协议进行了研究，分析了EtherCAT在各个平台的应用。针对PC机Windows平台上EtherCAT主站帧周期较长且不稳定性问题，提出使用基于ARM Cortex-M7内核的STM32F767作为硬件平台的EtherCAT主站的实现方法。
　　首先，分析了RT-LAB的开源EtherCAT主站SOEM1.3.1(Simple Open EtherCAT Master)软件架构;其次，对STM32F767以太网设备驱动进行优化，并抛弃了对操作系统的依赖，将SOEM1.3.1移植到STM32F767平台下;最后，采用500us插补周期，使用2台三洋公司R系列伺服驱动器和伺服电机作为从站设备，测试CSP模式下对2个伺服轴的位置控制，验证嵌入式平台的EtherCAT主站的实现的有效性。
　　实验结果表明，与PC机Windows非实时平台帧周期150-2000us不等相比，与实时Linux平台下最短帧周期70us，偏差10us相比，嵌入式平台上过程数据的帧周期稳定在68us±1us。证明216MHz下的ARM平台经过适当的软件优化，完全有能力作为EtherCAT主站使用，并提供100us以下级别的实时性，为工业自动化、物联网及其它领域提供了一种更加简单轻便的EtherCAT工业现场总线主站平台。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的组织安排

2 EtherCAT协议介绍

2．1 EtherCAT帧结构

2．2 寻址模式

2．2．1 广播寻址

2．2．2 增量寻址

2．2．3 配置地址寻址

2．2．4 逻辑寻址

2．3 EtherCAT的通信模式

2．3．1 非周期性数据通信

2．3．2 周期性过程数据通信

2．4 分布时钟

2．4．1 时钟同步

2．4．2 分布式时钟同步机制原理

2．4．3 ESC时间控制环以及漂移补偿

2．5 本章小结

3 SOEM库架构分析

3．1 抽象层

3．1．1 操作系统抽象层

3．1．2 硬件抽象层

3．2 中间层

3．3 应用层

3．4 本章小结

4 移植SOEM到嵌入式平台STM32F767

4．1 以太网口电路

4．2 主站时钟优化

4．3 网络驱动移植

4．3．1 DMA和MAC介绍

4．3．2 STM32 HAL eth驱动及使用

4．3．3 lw_emac模块

4．4 硬件初始化

4．4．1 RMII外设初始化

4．4．2 混杂模式

4．4．3 DMA描述符和数据缓冲区初始化

4．4．4 Ether MAC的初始化

4．5 MAC帧发送

4．6 MAC帧接收

4．7 nicdrv模块对驱动模块的调用

4．8 本章小结

5 主站软件系统测试

5．1 配置主站逻辑地址空间

5．2 从站过程数据

5．3 从站过程数据到主站逻辑空间的映射

5．4 过程数据的发送和接收

5．5 应用逻辑的状态机

5．5．1 对EtherCAT从站网络的配置

5．5．2 控制驱动器上电

5．5．3 控制电机运行

5．6 EtherCAT帧周期测试

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文

致谢