"Academic Paper" FPGA tabanlı EtherCAT Slave İletişim Bağlantısı Analizi ve Doğrulaması
Özet:
EtherCAT, endüstriyel kontrol alanında yaygın olarak kullanılan alan veri yollarından biridir.İlave istasyon kontrolörü ESC (EtherCAT Slave Controller), EtherCAT protokolü veri iletişimini gerçekleştirmek için bağımlı istasyon modülünün anahtarıdır.İlave istasyon kontrol çipinin otonom kontrolünün gerçekleştirilmesi, endüstriyel kontrol sisteminin yerelleştirilmesidir. Araştırma ve geliştirme için önemli bir temel. EtherCAT iletişim protokolü ve temel iletişim işlevi mantığına dayalı olarak, EBUS kodlama / kod çözme, Otomatik iletme ve Geri döngü işlevinin temel iletişim düğümlerinin FPGA durum makinesi tasarlanır ve her düğümün iletişim verilerinin doğruluğu, her aşamadaki veri durumu değişikliklerini analiz ederek doğrulanır. Seks. Deneysel sonuçlar, yukarıdaki durum makinesinin FPGA'sına dayalı olarak EtherCAT bağımlı istasyonunun temel iletişim bağlantısını gerçekleştirmenin tamamen mümkün olduğunu göstermektedir.
Çince alıntı biçimi: Ma Baoquan, Yao Wangjun, Liu Yunlong, ve diğerleri.FPGA'ya dayalı EtherCAT bağımlı iletişim bağlantısının analizi ve doğrulanması.
İngilizce alıntı biçimi: Ma Baoquan, Yao Wangjun, Liu Yunlong ve diğerleri.FPGA'ya dayalı EtherCAT bağımlı denetleyici iletişim bağlantısının analizi ve doğrulanması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (8): 95-99.
0 Önsöz
EtherCAT, BECKHOFF tarafından önerilen endüstriyel kontrol alanında yaygın olarak kullanılan fieldbus'lardan biridir Veri yolu, tam çift yönlü çalışma moduna sahiptir ve ana (Ana) ve bağımlı (Bağımlı) bağlantı moduna bağlı olarak veri iletimini gerçekleştirebilir. Düşük gecikme süresi ve yüksek güvenlik özellikleri. EtherCAT bağımlı denetleyici ESC (EtherCAT Bağımlı Denetleyici), ikincil modülden EtherCAT iletişim protokolünü gerçekleştirmenin anahtarıdır.Şu anda, EtherCAT protokolüne dayalı ev içi iletişim işlevleri temelde ET1100 / ET1200 gibi bağımlı yongalar tarafından uygulanmaktadır. Bununla birlikte, temel iletişim işlevlerine ek olarak, bu tür yongalar aynı zamanda çok sayıda başka işleve sahiptir ve bu tür ek iletişim mekanizmaları Çinli teknik personele açıklanmamaktadır, bu da bu tür iletişim yongalarının tamamen özerk ve kontrol edilebilir olmaması ve etkili güvenlik mekanizmalarının benimsenmesi ile sonuçlanmaktadır. Sistem güvenliğini iyileştirmek imkansızdır. Endüstriyel kontrol alanında gittikçe öne çıkan bilgi güvenliği sorunları ile birlikte, bu tür özerk olarak kontrol edilemeyen iletişim yongalarının uygulanması, Çin'in çekirdek kontrol sistemlerinin çalışmasına belirli güvenlik riskleri getirir. Kontrol sisteminde kullanılan iletişim çipinin tam kontrol edilebilirliğini gerçekleştirmek için, FPGA'ya dayalı EtherCAT iletişim protokolünün bağımsız gelişimini gerçekleştirmek çok gereklidir ve ayrıca iletişim sisteminin güvenlik kapasitesini iyileştirmek için bağımsız bir güvenlik mekanizmasının benimsenmesi için önemli bir ön koşuldur.
Temel iletişim bağlantısı, EtherCAT protokol verilerinin iletimini ve alımını gerçekleştirmek için temeldir.Bu nedenle, EtherCAT protokolünün ve veri aktarım mekanizmasının özelliklerine dayanarak, bu araştırma, FPGA'nın EtherCAT bağımlı denetleyicisinin temel iletişim bağlantı işlevini gerçekleştirmek için uygulanabilirliğini doğrulamak için anahtar iletişim düğümünün FPGA durum makinesini tasarlar. EtherCAT'in diğer iletişim işlevlerini ve güvenlik mekanizmalarını geliştirmek için önemli bir temel sağlar.
1 EtherCAT bağımlı denetleyici çerçevesi
EtherCAT ana istasyonu ile her bir bağımlı istasyon arasındaki iletişim bağlantısı Şekil 1'de gösterilmektedir. İletişim sürecinde, veri çerçevesi tüm bağımlı cihazların üzerinden geçer.Veri çerçevesi belirli bir bağımlı istasyondan geçtiğinde, bağımlı cihaz yerel mesajı mesaj komutuna göre analiz eder ve adresler ve verileri belirtilen konuma okur / yazar.Veri çerçevesi sona ulaşır. Bir bağımlı istasyondan sonra, bağımlı istasyon, işlenmiş veri çerçevesini ana istasyona gönderir. Bu yer-uydu hattı telgrafını aldıktan sonra, ana istasyon geri dönen verileri işler ve bir iletişim sona erer.
EtherCAT bağımlı denetleyici temel olarak veri çerçevesi işleme birimi, EBUS arabirim kodlama / kod çözme modülü, Otomatik iletme modülü, Geri döngü işlev modülü vb. İçerir. Örnek olarak ET1100 / ET1200 bağımlı denetleyiciyi alın.Dahili çerçevesi Şekil 2'de gösterilmiştir. Temelde MII, EBUS arabirimi, EtherCAT veri çerçevesi işleme birimi, fieldbus bellek yönetim birimi (FMMU, Fleedbus Bellek Yönetim Birimi), depolama senkronizasyon yönetimini içerir Kanal (SM, SyncManager), dağıtılmış saat, PDI arayüzü, ESC adres alanı (kayıtlar ve kullanıcı veri belleği dahil), EEPROM kontrolü ve durum kontrolü, kesinti, bekçi köpeği ve fiziksel katman yönetimi.
Bunların arasında çerçeve işleme birimi (EtherCAT İşleme Birimi), EtherCAT veri akışını analiz eder ve işler. Fieldbus Bellek Yönetim Birimi (FMMU, Fleedbus Bellek Yönetim Birimi), ana istasyonun ikincil istasyona mantıksal adreslemesini gerçekleştirmek için kullanılan EtherCAT bağımlı kontrol IP çekirdeğindeki temel modüllerden biridir. Depolama senkronizasyon yönetim kanalı (SM, SyncManager), ana istasyon ve yerel uygulama arasında veri alışverişini gerçekleştirir. Hem Ethercat çerçevesi hem de PDI arayüzü, diğer ucun erişimi tamamlayıp tamamlamadığını belirlemek için işlemciyi yoklamalıdır. PDI arayüz modülü, ESC çipinin uygulama veri arayüzüdür.
EtherCAT bağımlı denetleyicinin FPGA uygulaması sürecinde, veri bağlantısı gerçekleştirilebilirse, veri çerçevesi FPGA'ya EBUS ve MII arabirimi üzerinden iletilebilir, FPGA veri çerçevesini tanımlayacak ve CRC kontrolü gerçekleştirecek ve EtherCAT paketini açacaktır. Çerçeve biçimi ve protokol komutları ve bağlantı noktası bağlantı durumu üzerinden veri çerçeveleri gönderin. Daha sonra, EtherCAT slave kontrolörünün bağımsız olarak FPGA'da geliştirilip gerçekleştirilebileceği açıklanabilir. Yukarıdaki veri bağlantısında, EBUS arayüzü EBUS modülünü içerir.EBUS modülü esas olarak EBUS protokolünü analiz eder ve Manchester kodlama / kod çözme yoluyla verileri alır veya gönderir; FPGA, veri çerçevesini tanır ve CRC kontrolü gerçekleştirir Otomatik İletici modülüdür ; Veri çerçevesini Geri döngü fonksiyon modülü üzerinden gönderin. Aşağıda, yukarıdaki modüllerin uygulama süreci açıklanmaktadır.
Her modülün 2 uygulama mantığı
2.1 EBUS kodlama / kod çözme modülü
EBUS uygulaması için, EBUS arayüzünün LVDS sinyal veri hızı 100 Mb / s'dir ve EBUS arayüzü, Manchester kodlu kullanılarak LVDS yöntemi ile uygulanır.
EBUS bölümünü uygularken, EBUS protokolünün gereksinimlerine göre, Manchester kod çözme ve Manchester dalga kodlamasının uygulanması gerekir. Bunlar arasında, "0", "01" ile temsil edilir ve "1", "10" ile temsil edilir. EBUS protokolü boşta tanımlayıcı, başlangıç çerçeve tanımlayıcı (SOF) ve bitiş çerçeve tanımlayıcı (EOF) olarak ikiye ayrılır. Boşta tanımlayıcı "0" dır, başlangıç çerçeve tanımlayıcısı 3 ardışık saat (200 MHz) için sürekli 1'dir ve son çerçeve tanımlayıcı 3 ardışık saat (200 MHz) için sürekli bir O'dur. EBUS protokolü Şekil 3'te gösterilmektedir.
Manchester kodlama durumu makinesi Şekil 4'te gösterilmektedir. Manchester kodlama durumu makinesi 8 duruma bölünmüştür, yani ilk 1 durumu (IDLE_1C), ilk 2 durumu (IDLE_2C), çerçeve başlangıç 1 durumu (SOFR_1C) ve çerçeve başlangıç 2 durumu. (SOFR_2C), kod 1 durumu (ENCO_1C), kod 2 durumu (ENCO_2C), son çerçeve 1 durumu (EOFR_1C), son çerçeve 2 durumu (EOFR_2C), işlem saati 200 MHz'dir.
Her bir durumun açıklaması aşağıdaki gibidir:
IDLE_1C, gönderilen EBUS protokolünün boşta tanımlayıcısına karşılık gelen 1'in ilk durumudur ve gönderilen veri "0" dır. Sonraki saat IDLE_2C durumuna girecek.
IDLE_2C, EBUS protokolünün boşta tanımlayıcısının gönderilmesine karşılık gelen ilk 2 durumdur ve gönderilen veri '1'dir. Veri gönderme geçerliyken SOFR_1C durumunu girin, aksi takdirde IDLE_1C durumunu girin.
SOFR_1C, çerçeve başlangıç 1 durumudur ve EBUS protokolünün karşılık gelen başlangıç çerçeve tanımlayıcısı gönderilir ve sonraki saat SOFR_1C durumuna girer.
SOFR_2C, çerçeve başlangıç 2 durumudur, EBUS protokolünün karşılık gelen başlangıç çerçeve tanımlayıcısı gönderilir ve sonraki saat ENCO_1C durumuna girer.
ENCO_1C, çerçeve verisinin gönderilmesine karşılık gelen kod 1 durumudur, sonraki saat ENCO_2C'ye girer.
ENCO_2C, çerçeve verisinin gönderilmesine karşılık gelen kod 2 durumudur, veri gönderme geçersiz olduğunda EOFR_1C durumunu girin, aksi takdirde ENCO_1C durumuna girin.
EOFR_1C, gönderilen çerçeve tanımlayıcısının sonuna karşılık gelen son çerçeve 1 durumudur, sonraki saat ENCO_2C durumuna girer.
EOFR_2C, gönderen çerçeve tanımlayıcısının sonuna karşılık gelen son çerçeve 2 durumudur. Şu anda, bir çerçevenin verileri gönderilir ve sonraki saat IDLE_1C durumuna geri döner.
Manchester kod çözme durumu makinesi Şekil 5'te gösterilmektedir. Manchester kod çözme durumu makinesi 5 duruma bölünmüştür, yani başlangıç durumu (IDLE), çerçeve başlangıç durumu (SOFR), kodlama 1 durumu (ENCO_1C) ve kodlama 2 durumu (ENCO_2C) , Son çerçeve durumu (EOFR), işlem saati 200 MHz'dir.
Her bir durumun açıklaması aşağıdaki gibidir:
IDLE, EBUS protokolünün boşta tanımlayıcısını almaya karşılık gelen ilk durumdur, sonraki saat SODR durumuna girecektir.
SOFR çerçeve başlangıç durumudur ve EBUS protokolünün karşılık gelen başlangıç çerçeve tanımlayıcısı alınır 3 ardışık '1 alındığında, yani rx_sof_dv 1 olduğunda, sonraki saat ENCO_1C durumuna girer, aksi takdirde IDLE durumuna girer.
ENCO_1C, alınan çerçeve verilerine karşılık gelen kod 1 durumudur, sonraki saat ENCO_2C'ye girer.
ENCO_2C, alınan çerçeve verilerine karşılık gelen kod 2 durumudur. Art arda 3 '0 alındığında, EOFR durumuna girer, aksi takdirde ENCO_1C durumuna girer.
EOFR_1C, son çerçeve durumudur. Şu anda, tam EtherCAT çerçevesi alındı ve sonraki saat IDLE durumuna girer.
2.2 Otomatik iletici modülü
Otomatik iletici modülü, MII ve EBUS modüllerinin IPCORE'a girmesi için ilk işleme modülüdür. Esas olarak MII / EBUS veri tamponlama, çerçeve başlangıç eki algılama, hata algılama ve geri döngü işlevine ve çerçeve işleme birimine veri iletimini uygular. (EtherCAT İşleme Birimi). Otomatik iletici modülü, çerçeve verilerinin ve IPCORE saatinin senkronizasyonunu gerçekleştirmek için EtherCAT çerçeve verilerini FIFO'da depolayarak ve verileri IPCORE işleme saatinden (25 MHz) okuyarak MII / EBUS veri arabellek işlevini gerçekleştirir ve ardından işleme için bir sonraki modüle girer. Çerçeve başlangıcını saptamak, veri çerçevesi verisi geçerli olduktan sonra çerçeve başlangıcını (0x55555555555555555D) saptayarak çerçeveyi bir Ethernet çerçevesi olarak belirlemektir. Veri algılama esas olarak üç tür hatayı algılar: fiziksel katman hatası (RX hatası), veri çerçevesi hatası ve CRC hatası. Veriler FIFO aracılığıyla senkronize edildikten sonra, CRC kontrolü Ethernet çerçevesinin koşulu altında gerçekleştirilir.CRC kontrolü doğruysa çerçeve verileri otomatik geri döngü veya çerçeve işleme birimine gönderilir; CRC kontrolü yanlışsa çerçeve atılır. Verilerin otomatik geri döngü ve çerçeve işleme birimine gönderilmesi, çerçeve verisinin otomatik geri döngü ve çerçeve işleme birimine doğru CRC kontrolü ve başka hata olmaması koşuluyla gönderilmesidir. Otomatik iletici modülünün durum makinesi Şekil 6'da gösterilmektedir.
Otomatik iletici modülünün durum makinesi 5 duruma bölünmüştür: başlangıç durumu (IDLE), algılama başlangıç durumu (DETECT_PREAM), algılama başlangıç eki başlangıç durumu (DETECT_START), çerçeve başlangıç durumu (FRAME_START) ve çerçeve işleme durumu ( FRAME_PROC). İşlem saati 25 MHz'dir. Her bir durumun açıklaması aşağıdaki gibidir:
IDLE başlangıç durumudur. Çerçeve verisi olmadığında, durum IDLE durumundadır. Çerçeve verisinin 5 olduğunu algıladığında DETECT_PREAM durumuna girer.
DETECT_PREAM, başlangıç ek durumunu saptamak içindir, çerçeve çerçeve başlangıç ekini 5 alır ve D saptandığında DETECT_START durumuna girer.
DETECT_START, çerçeve önsözünün başlangıç durumunu tespit etmek ve sonraki saatte FRAME_START durumuna girmek içindir.
FRAME_START çerçeve başlangıç durumudur, çerçeve verilerini almaya başlar ve sonraki saatte FRAME_PROC durumuna girer.
FRAME_PROC, çerçeve verilerini resmi olarak işleyen ve çerçeve verisi olmadığında IDLE durumuna giren çerçeve işleme durumudur.
2.3 Geri döngü işlev modülü
Otomatik geri döngü işlevi, bağlantı noktasının açık durumuna göre veri çerçevesi iletme durumunu belirler.IP'de 4 bağlantı noktası vardır. Geçerli bağlantı noktası kapatılırsa veya bağlantı kurulmazsa, geri döngü işlevi EtherCAT çerçevesini bir sonraki mantıksal uca iletir. 0'ın (PORT0) geridöngü işlevi çerçeve verilerini veri çerçevesi işleme birimine iletecektir. Liman durumları şunlardır: otomatik kapanma ve elle açma. Farklı bağlantı noktalarındaki veri çerçevelerinin işleme sırası aşağıdaki gibidir:
(1) 0 EtherCAT İşleme Birimi 0
(2) 0 EtherCAT İşleme Birimi 1/1 0
(3) 0 EtherCAT İşleme Birimi 1/1 2/2 0 (günlük bağlantı noktaları 0,1 ve 2) veya 0 EtherCAT İşleme Birimi 3/3 1/1 0 (günlük bağlantı noktaları 0,1 ve 3)
(4) 0 EtherCAT İşleme Birimi 3/3 1/1 2/2 0
Doğrulamayı ve sınamayı kolaylaştırmak için bu makale, veri iletme işlevi ve çift bağlantı noktalarında test etme konularına odaklanmaktadır.
3 Fonksiyon testi
FPGA tabanlı iletişim bağlantılarında sistem testi gerçekleştirmek için Şekil 7'de gösterildiği gibi bir test ortamı oluşturulmuştur.
Bunların arasında, EtherCAT ana istasyonu, belirtilen EtherCAT çerçevesini bağımlı istasyona gönderebilen Beckhoff EtherCAT ana istasyonunu ifade eder; EtherCAT bağımlı istasyonu (ASIC), çekirdek olarak ET1100 yongası bulunan Beckhoff EtherCAT bağımlı istasyonunu ifade eder ve ETherCAT ana istasyonu MII'yi geçer Sinyal, EtherCAT çerçevesini EtherCAT slave'e (ASIC) gönderir. EtherCAT slave (ASIC), EtherCAT çerçevesini bir EBUS sinyaline dönüştürür ve verileri EtherCAT test kartına iletir; EtherCAT test kartı, çekirdek olarak FPGA içeren bir test kartıdır.
Testte, test panosu veri çerçevesini EBUS arayüzü üzerinden FPGA'ya iletir ve FPGA veri çerçevesinin kodunu EBUS aracılığıyla çözer.Veri çerçevesi tanımlanacak ve CRC FPGA tarafından kontrol edilecek ve EtherCAT çerçeve formatı ve protokol komutları paketten çıkarılacaktır. PC'ye MII aracılığıyla iletilir ve PC, veri çerçevesinin doğruluğunu onaylamak için paketleri yakalamak için wireshark kullanır.
3.1 Kod çözme durum testi
Kod çözme durumu testinin sonucu, Şekil 8'de gösterilmektedir, burada rx_data_interal, EBUS'un tek uçlu sinyale diferansiyel, current_state durum makine sinyalidir, rx_dv veri geçerli sinyaldir ve rx_data alınan verilerdir. EBUS protokolünün LVDS sinyalinin diferansiyel tarafından tek uçluya dönüştürülmesinden sonra, çerçeve verilerini elde etmek için durum makinesi tarafından işlendiği görülebilir.
3.2 Kodlama durumu testi
Kodlama durumunun test sonucu Şekil 9'da gösterilmektedir. Tx_data_interal, bir EBUS diferansiyel sinyale dönüştürülen tek uçlu bir sinyaldir, current_state bir durum makinesi sinyalidir, tx_dv bir veri geçerli sinyaldir ve tx_data, alınan bir veridir. Gönderilen verilerin geçerli olmasından sonra verilerin, durum makinesi aracılığıyla tek uçludan farklılığa gönderildiği görülebilir.
3.3 Otomatik iletici veri durumu
Otomatik iletici durumundan sonraki veriler Şekil 10'da gösterilmektedir, burada çerçeve çerçeve verisidir, fifo çerçeve verisi verilerle senkronize edildikten sonraki verilerdir, durum durum makine sinyalidir, çerçeve_ bitti veri çerçevesi bitiş sinyalidir, çerçeve başlangıç sinyali çerçeve başlangıç sinyalidir, çerçeve_verisi_geçerlidir Bu, veri çerçevesinin geçerli bir sinyalidir ve frame_crc_err, bir çerçeve hatası sinyalidir. Sonuçlar, veri çerçevesinin doğru bir şekilde tanımlanabileceğini ve ayrıştırılabileceğini gösterir.Çerçeve bittikten sonra, frame_crc_err'in bir vuruş düşük olduğu görülebilir.
3.4 Veri çerçevesi doğrulama
Wireshark tarafından yakalanan verilerin sonuçları, veri çerçevesinin FPGA tarafından doğru şekilde işlenebileceğini ve EtherCAT tipi yönlendirme mesajının, veri bağlantısının açıldığını gösteren wireshark yakalanan mesaj tarafından doğru şekilde alındığını gösterir.
4. Sonuç
Bu makale, EBUS kodlama / kod çözme, Otomatik iletici ve Geri Döngü işlev modüllerinin FPGA durum makinesinin doğruluğunu, her aşamanın veri sonuçlarını analiz ederek temel iletişim bağlantısında doğrular ve FPGA'nın EtherCAT slave'in temel iletişim bağlantısını gerçekleştirmesinin tamamen mümkün olduğunu gösterir. , Tam bir ESC bağımlı denetleyicinin geliştirilmesi için koşullar yaratma.
Referanslar
Wang Lei, Li Muguo, Wang Jing ve diğerleri EtherCAT protokolüne dayalı alan düzeyinde gerçek zamanlı Ethernet kontrol sistemi üzerine araştırma. Bilgisayar Mühendisliği ve Tasarımı, 2011, 32 (7): 2294-2297.
Li Muguo, Wang Lei, Wang Jing, vb. EtherCAT'e Dayalı Endüstriyel Ethernet Veri Toplama Sistemi Bilgisayar Mühendisliği, 2010, 36 (3): 237-239.
Shan Chunrong, Liu Yanqiang, Xun Ji. Endüstriyel Ethernet Fieldbus EtherCAT ve Sürücü Tasarımı. Üretim Otomasyonu, 2007, 29 (11): 79-82.
Shi Dafa, Liu Jianlin, Wang Hui, ve diğerleri.Yüksek performanslı bir EtherCAT gerçek zamanlı Ethernet köle istasyonunun tasarımı. Natural Science Journal of Hunan Normal University, 2011, 34 (3): 37-40.
Ma Junxian, Zhou Dong, Yang Zhijia, vb. EtherCAT Bağımlı İstasyonunun Tasarımı ve Uygulanması Bus and Network, 2011 (8): 37-40.
Hu Shijiang. EtherCAT gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet bağımlı istasyon tasarımı ETll00. PLCFA, 2009 (11): 67-70.
yazar bilgileri:
Ma Baoquan 1, 2, Yao Wangjun 1, 2, Liu Yunlong 1, 2, Zhang Xiaoli 1, 2, Huang Bing 1, 2, Zhao Dezheng 1, 2
(1. Endüstriyel Kontrol Sistemleri için Bilgi Güvenliği Teknolojisi Ulusal Mühendislik Laboratuvarı, Pekin 100083; 2. Kuzey Çin Bilgisayar Sistem Mühendisliği Enstitüsü, Pekin 100083)
