基于FPGA狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站基本通信鏈路并驗(yàn)證

摘 要： EtherCAT是工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，對(duì)從站控制芯片實(shí)現(xiàn)自主可控是工業(yè)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化研發(fā)的重要基礎(chǔ)?；贓therCAT通信協(xié)議及基本通信功能邏輯，設(shè)計(jì)了EBUS編碼/解碼、Auto-forwarder、Loop-back function關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)的FPGA狀態(tài)機(jī)，并通過(guò)解析各階段數(shù)據(jù)狀態(tài)變化，驗(yàn)證了各節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于上述狀態(tài)機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站基本通信鏈路是完全可行的。

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，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)。

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。

2.1 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)。