摘要：在機器人控制系統中，以EtherCAT為代表工業以太網被引入以提高控制數據傳輸的快速性、穩定性、實時性。本文在EtherCAT的基礎上，設計了基于FPGA的專用以太網芯片，可在控制節點自動識別從站節點信息，并自動配置成機器人控制器的軟PLC的I/O數據的高速總線系統REEX（Real-timeEtherCAT-basedExtendExpress）。采用此系統，在擴展IO時，將無需修改控制軟件，IO端口信息將自動顯示在示教器界面，降低了機器人控制系統的使用難度，提高了用戶體驗。

1引言

隨著計算機技術的高速發展，現場總線組網內部的從設備的處理能力得到了巨大的提升，每個從設備節點對數據的需求也隨之高漲，同時同一子網內組網設備的數量要求也有較大提升，這就對現場總線的帶寬提出了很高的要求。而傳統現場總線無法滿足這種需求。

以太網（Ethernet）作為一種高帶寬的設備間傳輸方式，具有①數據傳輸距離長、傳輸速率高、數據包容量大，②使用通用以太網元器件，性能價格比高的特點，完全滿足了上述需求。其中工業以太網是以太網技術在工業領域的應用，由于其在性能、成本等多方面的優勢，現已逐漸取代傳統的現場總線成為工業現場通信的主流技術。

目前工業界主流的以太網協議主要有EtherCAT、EthernetPowerlink、PROFINetRT/IRT、SERCOSIII、Ethernet/IP、ModbusTCP等，這幾種工業以太網協議也被IEC收錄進了IEC61158標準第四版中，并得到了大量的應用。

主流工業以太網為兼容IEEE802.3標準，主站多采用標準以太網硬件，同時也導致主站軟件功能復雜，開發難度大，使用不靈活，價格昂貴等問題。特別大多數的商業主站對從站的配置是靜態的，不具備動態的自配置功能，或者需要用戶支付高昂的授權費用。

機器人控制系統中，EtherCAT工業以太網總線越來越多的得到應用。EtherCAT數據刷新周期短，可用于工業的現場的實時控制，1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30usM，分布式是種技術保證了軸與軸之間的同步時間偏差小于1us。

EtherCAT從站物理層接口有MII和EBUS兩種類型。MII是標準的以太網物理接口，使用外部PHY芯片；EBUS是使用LVDS標準定義的物理層，無需外部PHY芯片，作為EtherCAT擴展總線使用。EBUS的優點在于取消了PHY芯片，消除了數據傳輸在PHY上的傳輸延時；但缺點是只適合短距離傳輸，同時EBUS只是在物理層上做了修改，在應用層上，通過EBUS擴展IO，在大多數商用EtherCAT主站上也無法做到自適應。

針對這種情況，本文設計了一種適用于機器人控制系統的，以EtherCAT總線為基礎，使用ESC芯片+FPGA芯片作為專用以太網硬件對EtherCAT做出擴展，具有自配置功能的高速總線系統，是能夠解決設備熱插拔、自配置等需要高價購買的功能，同時又能提供媲美其他工業以太網總線性能的系統，我們稱之為基于EtherCAT的高速擴展總線REEX（Real-timeEtherCAT-basedExtendExpress）總線系統。

2系統整體架構

為實現設備熱插拔、自配置等功能，REEX總線系統中的控制節點，如圖1所示，要具有一定的處理能力來處理總線的狀態，同時，控制節點又可以作為機器人控制系統中的某個從節點將總線上的設備信息、狀態等數據反饋給機器人主控單元。

為了能夠實現在同一個MCU內部集成ESC從站協議棧以及REEX主站協議棧，由于通用操作系統，譬如Linux等，實時性能無法達到ESC從站協議的要求，只能采用具有高實時性的RTOS來實現。控制節點MCU在RTOS下直接驅動2個網口作為ESC從站網口，同時驅動SPI接口與控制節點FPGA通訊，完成REEX主站協議棧。

REEX總線從站節點，如圖2所示，存儲有自身節點的節點號、節點類型、數據長度等信息，并具有數據轉發功能，能夠在短時間內從以太網幀中取數據、存數據，并快速的將以太網數據幀轉發給下一節點。同時，在需要處理能力的從節點中，譬如模擬量AI/AO模塊，編碼器Encoder模塊等，需要在該節點中增加具有處理能力的MCU。

2.1系統拓撲

常見的網絡拓撲結構有：星型結構、環型結構、總線結構、分布式結構、樹型結構、網狀結構、蜂窩狀結構等，如圖3所示。

以太網拓撲結構跟帶寬占用率有很大關系，一個數據包能夠包含所有節點的數據并且擁有遍歷所有節點的傳輸路徑是提升帶寬利用率的有效途徑。

從常見網絡拓撲來講，線型以及環型拓撲結構中，數據包遍歷所有節點的路徑較短，且專用以太網硬件避免了總線仲裁等開銷，是帶寬利用效率最高的拓撲結構。EtherCAT和SERCOSIII等總線的常用拓撲結構也選擇了線型結構。

如圖4所示，REEX采用了線型結構，最大程度的利用了帶寬。

2.2專用以太網芯片

之前的介紹中提到了REEX總線采用了專用以太網硬件以規避在整個數據鏈路上的數據包沖突。由于FPGA的靈活性以及強大的性能，可以用來作為實現專用以太網MAC芯片的功能，從而更高的利用通訊帶寬，提升了數據的傳輸效率。

在某些種類的從站中，需要用到MCU來掛載外設，譬如驅動AD/DA芯片等。MCU與FPGA之間通過SPI進行通訊。

REEX控制節點和從站節點的以太網鏈路層均采用了FPGA來替代通用MAC的功能。整個REEX鏈路上，所有數據幀的發送與接收都是由FPGA來實現的。REEX網絡模型如圖5左側所示，圖中右側為標準ISO/OSI參考模型分布。REEX的控制節點和從站節點的網絡模型是一致，只是傳輸層的處理協議不同。

由于為了能夠更高的利用帶寬，減少數據傳遞過程中無用數據的數量，FPGA對以太網數據幀的格式進行了修改，形成了REEX所特有的幀結構，如圖6所示。

FPGA接收處理流程如圖7所示。FPGA的FIFO接收上一節點所發送或者轉發的數據幀后，將數據幀中本節點的內容取出，存入FIFO，同時將本節點上一周期從外部獲取的數字量或者模擬量等數據更新到FIFO的相應位置，稍后將FIFO的內容轉發給下一節點。同時，對接收緩沖區的數據進行初步解析，根據接收到的命令來執行不同的任務。

圖8所示為FPGA發送處理流程。FPGA在接收流程中將FIFO數據更新完畢后，會置位FIFO_SOF以及FIFO_DV，觸發發送流程。FPGA還包含了任務處理、自配置、地址配置模塊等。任務處理模塊會分析數據幀的內容，根據不同的命令來執行相應的自配置、地址配置、復位、時間同步等任務模塊。

2.3控制節點

控制節點是整個REEX網絡的核心，管理著REEX的所有節點。控制節點的MCU通過對該節點的FPGA的控制，來驅動整個REEX正常工作。

REEX通訊過程分為通訊復位、自動檢索、板號設置、時間同步、周期通訊等幾個過程，如圖9所示。

通訊復位：MCU設置FPGA總線復位寄存器，命令FPGA向總線環路發送通訊復位幀，從而初始化整個通訊過程。

自動檢索：MCU向FPGA發起自動檢索命令，FPGA向總線環路發送自動檢索幀，并等待自動檢索幀的返回。返回的檢索包內按照物理鏈路的順序存放了所有從站節點的信息。MCU將這些信息存入共享內存中，并自動分配對應長度的數據區，使得ESC從站協議棧能夠獲取到REEX的數據。

板號設置：MCU可向FPGA發起板號設置命令，FPGA向總線環路發送板號設置幀，并等待該幀返回。

時間同步：MCU發起同步命令，FPGA向總線環路發送時間同步幀，各從節點測量傳輸延時，并進行補償。

周期通訊：MCU發起周期通訊命令，FPGA將周期性的向總線環路發起數據交換幀。

3系統集成及測試

機器人控制系統采用了開放式的控制架構，使用了CODESYS軟件平臺提供了軟PLC編程環境，同時集成了EtherCAT主站功能。

在此架構下，我們通過REEX總線的控制節點所提供的ESC從站協議棧，可以方便的將REEX總線集成到機器人控制系統中。

如圖10所示，REEX的數據區映射在機器人控制系統的EtherCAT數據區中，通過IO映射，可以將這部分數據區傳遞到機器人示教器系統中。這樣，從用戶角度來看，在示教器系統中即可觀察到REEX總線的數據了。

使用本文所述的基于以太網的自配置高速總線系統，應用在新時達機器人控制柜SRC2.6版本上，控制新時達SP120碼垛機器人。REEX總線共掛載DI/DO/AI/AO多種從站板卡，控制周期2ms，能夠提供高速、可靠的IO擴展能力。

4結論

本文設計了一種基于EtherCAT，使用FPGA作為專用以太網芯片的自配置高速總線系統，REEX總線。通過使用自定義的FPGA模塊替代了通用以太網MAC層芯片，在數據鏈路層上實現了REEX數據傳輸模型。同時基于自定義的REEX傳輸模型，在應用層實現了自配置功能，并將REEX總線數據映射到機器人控制系統的示教器界面，實現了無需人工配制即可擴展物理IO的功能，簡化了機器人操作的步驟，提升了用戶體驗。