CAN總線協議到EtherCAT從站協議的轉換網關設計

摘要：本文通過對實時工業以太網通信協議EtherCAT的研究，設計了CAN總線主站協議轉換為EtherCAT從站協議的通信協議轉換網關設備，解決了工業自動化現場CAN總線通信設備與EtherCAT主站控制系統的互連問題，從而保證現場總線設備數據更加高效、快速地傳遞到中央監控系統。
關鍵詞：EtherCAT從站；CAN總線；網關；協議轉換

引言
隨著工業自動化的發展，大量現場設備的信息傳遞不再采用模擬信號電纜傳送，而是替換為智能化現場設備，通過通信方式傳遞設備的狀態和控制信息。在這個過程中，現場總線設備得到了大量的應用。而現場總線設備的多樣性，導致在一個大型的自動化控制系統中設備的通信協議不同、通信速率不同、網絡拓撲形式不同，給中央監控系統和這些現場設備之間的信息交互帶來困擾。
為了更好地解決控制系統內自動化數據傳輸及互連的問題，部分國際自動化系統廠家借助以太網現有協議框架及其100M的帶寬資源，在現有的以太網協議上進行相應的修改，推出了不同的實時工業以太網技術，比較流行的有EtherCAT、Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet／IP等。其中，EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是開放的實時工業以太網通信協議，最初由德國倍福自動化有限公司研發。它基于標準的以太網技術，支持多種設備連接拓撲結構，具有配置簡單、有效數據率高、全雙工、數據傳輸容量大、傳輸速度快、時鐘同步性高、成本低、開放性好等特點，是一種用于工業自動化的實時、高速以太網通信協議。EtherCAT協議使用全雙工100 Mbps以太網，系統由一個通信主站和若干從站通信節點組成，主站發送以太網幀給各從站，從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀。主站使用標準的以太網控制器，協議和驅動程序由軟件實現，從站通信節點使用專門的EtherCAT從站控制器。
本文設計了CAN總線主站協議轉換為EtherCAT從站協議的協議轉換網關設備(以下簡稱CAN／EtherCAT協議轉換網關)，實現了工業自動化現場CAN總線通信設備與EtherCAT主站控制系統的互連通信。

1 系統總體網絡架構
CAN／EtherCAT協議轉換網關存在兩個方向的外部接口，對上通過以太網與EtherCAT主站進行數據交換，通信協議符合EtherCAT實時工業以太網技術規范要求；對下與CAN總線從站設備實現通信，包括實時數據通信、故障診斷恢復和冗余切換處理等。系統總體的網絡架構如圖1所示。

2 CAN／EtherCAT協議轉換網關
2．1 CAN／EtherCAT協議轉換網關核心器件選型
CAN／EtherCAT協議轉換網關硬件包括EtherCAT從站協議控制器、從站MCU、CAN總線協議控制器等。EtherCAT協議控制器實現EtherCAT的物理層與數據鏈路層的協議。從站MCU主要負責運行用戶的應用程序，實現EtherCAT和CAN總線協議之間的協議及數據轉換。CAN總線協議控制器實現CAN總線的物理層與數據鏈路層的協議。
現在市場上有多種EtherCAT協議控制器可供使用，如Beckhoff公司的ASIC芯片ET1100、ET1200，德國Hilscher公司的ComX—CA—RE模塊，也可以使用IP—Core將EtherCAT通信功能集成到設備控制FPGA中。ET1200是簡化版，只提供1個RJ45接口，不能滿足開發需求。ComX模塊提供了方便易用的接口，可以簡化硬件設計，但是價格較高。FPGA可提供針對Altera和Xilinx公司的IP核，但是價格高，開發難度大。
考慮到實際應用中，開發成本及軟硬件設計的實現復雜度，EtherCAT從站協議控制器選用ET1100。ET1100是一款強大的EtherCAT從站控制器ESC專用芯片，具有豐富的接口資源。它具有4個數據收發端口、8個FMMU單元、8個SM、4 KB控制寄存器、8 KB過程數據存儲器、支持64位的分布時鐘。
從站MCU選用LPC2292芯片。LPC2292是一款基于16／32位ARM7TDMI—S核，支持實時仿真和跟蹤的MCU。LPC2292自帶2路高級CAN總線通道，可節省設計成本。
2．2 CAN／EtherCAT協議轉換網關硬件設計
CAN／EtherCAT協議轉換網關主要由通信控制回路、Ethernet回路、CAN總線回路3部分電路構成。CAN／EtherCAT協議轉換網關硬件框圖如圖2所示。

在EtherCAT回路中，EtherCAT協議控制器ET1100可選擇使用SPI或8位、16位總線與LPC2292連接。ET1100的相關信息保存在EEPROM中。數據收發端口使用PORT0和PORT1，采用MII方式連接PHY芯片，經過網絡變壓器隔離，通過RJ45接口與主站或其他從站連接。
通信管理控制回路由MCU(LPC2292)、狀態顯示電路、外部存儲器及單片機外圍電路構成。CAN／EtherCAT協議轉換網關的配置信息、通信數據使用256 KB外部RAM或F-RAM存儲，可以顯示運行狀態和通信狀態等信息。
CAN總線第3方通信協議中，使用LPC2292的內置CAN總線控制器，可根據需要使用1路或2路CAN總線。為了提高CAN／EtherCAT協議轉換網關的電磁兼容性EMC，使用高速光耦對CAN總線通信信號進行隔離。