EtherCAT無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

EtherCAT無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)錢(qián)秋陽(yáng);曹廣忠;彭業(yè)萍;鐘祥永【摘要】與傳統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)包容量大、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì).EtherCAT總線作為工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)的一種，在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.基于EtherCAT總線，提出了一種工業(yè)無(wú)線監(jiān)控方法.通過(guò)研究EtherCAT工作原理、通信協(xié)議以及主站與從站之間的關(guān)系，建立了EtherCAT協(xié)議與無(wú)線WiFi協(xié)議的轉(zhuǎn)換模型，并從硬件與軟件的兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了無(wú)線網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法.此外，給出了基于EtherCAT總線的無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案及其接入EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)的方法，在基于EtherCAT總線的分布式多傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與監(jiān)控功能.通信試驗(yàn)結(jié)果表明，基于EtherCAT總線的無(wú)線網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸完整且可靠，無(wú)線網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法可行，為工業(yè)無(wú)線監(jiān)控提供了一種新思路.【期刊名稱】《自動(dòng)化儀表》【年(卷)，期】2018(039)012【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P48-51,59)【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng);EtherCAT;WiFi;總線;無(wú)線網(wǎng)關(guān);無(wú)線監(jiān)控;通信協(xié)議【作者】錢(qián)秋陽(yáng)漕廣忠;彭業(yè)萍;鐘祥永【作者單位】深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院廣東深圳518060;深圳電磁控制重點(diǎn)試驗(yàn)室廣東深圳518060;深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院廣東深圳518060;深圳電磁控制重點(diǎn)試驗(yàn)室廣東深圳518060;深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院廣東深圳518060;深圳電磁控制重點(diǎn)試驗(yàn)室廣東深圳518060;深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院廣東深圳518060;深圳電磁控制重點(diǎn)試驗(yàn)室廣東深圳518060【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TH86;TP270引言EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)，它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性，采用主從通信模式。這種模式提高了總線通信的高效性以及實(shí)時(shí)性。因此，EtherCAT總線在工業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。然而，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)性高、環(huán)境惡劣且工況復(fù)雜，一旦機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本。為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，無(wú)線監(jiān)控技術(shù)得到引入并快速發(fā)展，但現(xiàn)有的無(wú)線監(jiān)控方式大多針對(duì)小數(shù)據(jù)量的采集展開(kāi)研究，無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)背景下的工程應(yīng)用需求［2-8］。本文在EtherCAT總線的分布式多傳感器數(shù)據(jù)采集解決方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT總線的無(wú)線網(wǎng)關(guān)（下文簡(jiǎn)稱為無(wú)線網(wǎng)關(guān)），實(shí)現(xiàn)了將總線數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至服務(wù)器，為EtherCAT總線的延伸和擴(kuò)展提供了一種有效、快捷的技術(shù)。1無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入EtherCAT總線方案EtherCAT支持總線形、樹(shù)形和星形等諸多類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EtherCAT無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。本文選用線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)的連接方式，將無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入EtherCAT總線的末端。其目的在于：在危險(xiǎn)性高、環(huán)境惡劣的一些工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)，減少大量的線纜布置［9-12］。無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)質(zhì)上是具有WiFi無(wú)線通信功能的EtherCAT復(fù)雜從站，在物理結(jié)構(gòu)上由EtherCAT從站以及WiFi模塊組成。WiFi模塊與EtherCAT從站之間使用RS-485通信接口進(jìn)行串行通信?；谶@種實(shí)現(xiàn)方式，無(wú)線網(wǎng)關(guān)既具有EtherCAT從站總線通信功能，又具有接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線通信功能。圖1EtherCAT無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1EtherCATwirelesscommunicationnetwork通信過(guò)程由EtherCAT主站控制，即主站為通信的發(fā)起者［13-14］。通信開(kāi)始，主站獲取從站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)；無(wú)線網(wǎng)關(guān)完成由EtherCAT協(xié)議報(bào)文向WiFi所支持的協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)換。報(bào)文通過(guò)WiFi無(wú)線傳輸至無(wú)線路由，經(jīng)無(wú)線路由轉(zhuǎn)發(fā)至Web服務(wù)器。上述通信過(guò)程可實(shí)現(xiàn)EtherCAT總線數(shù)據(jù)的無(wú)線通信和無(wú)線監(jiān)控。2EtherCAT與WiFi協(xié)議轉(zhuǎn)換模型參考開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(opensysteminterconnection,OSI)理想模型，EtherCAT協(xié)議分為物理層(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通信物理傳輸接口及傳輸介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈路層包含EtherCAT媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制(EtherCATMAC)、郵箱通信(Mailbox)以及過(guò)程數(shù)據(jù)通信(ProcessData)三種通信過(guò)程。郵箱通信用于EtherCAT主站同步從站信息配置；過(guò)程數(shù)據(jù)通信用于主站與從站之間的數(shù)據(jù)高速交互。應(yīng)用層定義EtherCAT通信協(xié)議邏輯控制與數(shù)據(jù)交互的接口。該層協(xié)議包括EoE、FoE、SoE以及CoE等［15-16］。本文使用CoE(CANOpen)協(xié)議作為EtherCAT從站的應(yīng)用層協(xié)議。WiFi通信協(xié)議遵循IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層由媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)和邏輯鏈路控制(LLC)實(shí)現(xiàn)尋址、組幀等功能［17］。應(yīng)用層定義通信數(shù)據(jù)的接口。本文使用超文本傳輸協(xié)議(HTTP)作為WiFi協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議。圖2協(xié)議轉(zhuǎn)換參考模型Fig.2Referencemodelofprotocolconversion無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流整體過(guò)程是主站(EtherCATmaster)發(fā)送EtherCAT報(bào)文，無(wú)線網(wǎng)關(guān)(wirelessgateway)接收?qǐng)?bào)文，無(wú)線網(wǎng)關(guān)執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換流程，完成數(shù)據(jù)報(bào)文由EtherCAT協(xié)議應(yīng)用層到WiFi協(xié)議應(yīng)用層轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換具體流程是將EtherCAT報(bào)文從EtherCAT協(xié)議物理層開(kāi)始，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層，在應(yīng)用層完成EtherCAT協(xié)議的報(bào)文解析后，將主站發(fā)送的數(shù)據(jù)以14B為一幀的格式封裝。以WiFi協(xié)議應(yīng)用層為起始點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)由LLC層及MAC層，打包封裝成WiFi報(bào)文，通過(guò)物理層介質(zhì)經(jīng)無(wú)線路由傳輸至Web服務(wù)器中。3無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)3.1無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件主要包括EtherCAT從站和WiFi模塊。本文選用美國(guó)德州儀器公司的AM3359ICE開(kāi)發(fā)板硬件作為EtherCAT從站。無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3HardwarestructurediagramofwirelessgatewayAM3359ICE開(kāi)發(fā)板采用具有工業(yè)通信功能的ARM微處理器AM3359與數(shù)據(jù)收發(fā)芯片TLK110硬件連接電路，實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站總線通信。AM3359ICE開(kāi)發(fā)板具有RJ45、RS-485等工業(yè)通信接口。主控芯片AM3359微處理器是ARMCortex-A8處理器內(nèi)核(ARMCore)，片內(nèi)具有可編程實(shí)時(shí)及工業(yè)通信子系統(tǒng)單元(programmablereal-timeunitandindustrialcommunicationsubsystem，PRU-ICSS)及通用異步收發(fā)傳輸器(universalasynchronousreceiver/transmitter,UART)等工業(yè)通信外設(shè)。由于PRU-ICSS單元與ARM內(nèi)核共享一段特定的內(nèi)存地址，該方式可簡(jiǎn)化EtherCAT從站通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程。因此，本文采用PRU-ICSS單元實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站通信。WiFi模塊選用具有RS-485通信接口和WiFi通信功能的嵌入式模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)WiFi通信功能。該模塊支持802.11b/g/n協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)的通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)配置。AM3359ICE開(kāi)發(fā)板與WiFi模塊以RS-485作為通信接口，并通過(guò)UART建立通信。3.2無(wú)線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)軟件分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。無(wú)線網(wǎng)關(guān)軟件程序包含任務(wù)層、協(xié)議層與驅(qū)動(dòng)層。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，各層分別提供數(shù)據(jù)交互接口的定義。圖4軟件分層結(jié)構(gòu)圖Fig.4Softwarelayeringstructurediagram驅(qū)動(dòng)層為AM3359夕卜設(shè)硬件控制程序，包含PRU-ICSS驅(qū)動(dòng)和UART串行通信驅(qū)動(dòng)。PRU-ICSS驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)PRU-ICSS寄存器配置和緩存讀寫(xiě)功能。UART驅(qū)動(dòng)定義了串行通信的發(fā)送與接收接口，實(shí)現(xiàn)了以幀為最小單位的串行通信功能。協(xié)議層包含EtherCAT從站協(xié)議棧。該協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層功能。任務(wù)層完成EtherCAT數(shù)據(jù)解碼與數(shù)據(jù)組幀任務(wù)：在EtherCAT數(shù)據(jù)解碼任務(wù)中，本文設(shè)計(jì)從站的輸入/輸出的數(shù)據(jù)位寬為32位，即EtherCAT通信數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度為32位。通過(guò)主站數(shù)據(jù)編碼，規(guī)定高12位為數(shù)據(jù)編號(hào)值、低12位為數(shù)據(jù)值、中間8位為數(shù)據(jù)名。數(shù)據(jù)流由驅(qū)動(dòng)層到達(dá)任務(wù)層時(shí)，即EtherCAT從站接收并解析主站發(fā)送的數(shù)據(jù)后，EtherCAT數(shù)據(jù)解碼任務(wù)對(duì)32位數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。數(shù)據(jù)解碼流程如圖5所示。圖5數(shù)據(jù)解碼流程圖Fig.5Flowchartofdatadecode解碼后的值分別存入一個(gè)包含三個(gè)元素的結(jié)構(gòu)體中。三個(gè)元素分別代表數(shù)據(jù)編號(hào)、數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值大小。在數(shù)據(jù)組幀任務(wù)中，由于本文采用的UART串行通信的發(fā)送格式以ASCII碼為基本單元，所以在結(jié)構(gòu)體中的三元素均轉(zhuǎn)換為ASCII碼后，執(zhí)行數(shù)據(jù)組幀任務(wù)。數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。數(shù)據(jù)幀包含數(shù)據(jù)編號(hào)、編號(hào)值、數(shù)據(jù)名稱以及數(shù)據(jù)數(shù)值內(nèi)容。圖6中：’官為編號(hào)名、數(shù)據(jù)名和分別與其對(duì)應(yīng)的編號(hào)值、數(shù)值之間的連接符；"&”為編號(hào)值和數(shù)據(jù)名之間的連接符。圖6數(shù)據(jù)幀格式Fig.6Dataframeformat本文通過(guò)網(wǎng)頁(yè)配置WiFi模塊的工作模式及通信方式，將WiFi模塊的工作模式設(shè)置為STA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端模式，通信方式為Client模式，通信協(xié)議為HTTP協(xié)議。4無(wú)線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)是以EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)設(shè)備主要由主站、1#從站以及無(wú)線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成；無(wú)線網(wǎng)關(guān)由AM3359ICE開(kāi)發(fā)板與WiFi模塊連接組成。無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接在總線的末端，與伺服驅(qū)動(dòng)器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)共同組成通信網(wǎng)絡(luò)。主站是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用此計(jì)算機(jī)中的TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?。TwinCAT軟件是由德國(guó)倍福(BECKHOFF)公司開(kāi)發(fā)的、基于Windows系統(tǒng)的自動(dòng)化PLC控制軟件。1#從站是一個(gè)具有EtherCAT從站通信功能的伺服驅(qū)動(dòng)器。本文選用德國(guó)BECKHOFF公司制造的、具有EtherCAT通信功能的伺服驅(qū)動(dòng)器AX5000系列作為1#從站。數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕鞒倘缦?。①主站通過(guò)EtherCAT總線發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令給從站1#。②從站1#執(zhí)行獲取伺服驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)的操作，獲取電機(jī)電壓數(shù)值、電機(jī)三相交流電流數(shù)值、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)位置等數(shù)據(jù)后，將此數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主站。③主站接收從站1#的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、打包并轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線網(wǎng)關(guān);無(wú)線網(wǎng)關(guān)接收到主站發(fā)送的報(bào)文，將EtherCAT報(bào)文轉(zhuǎn)換為WiFi報(bào)文，通過(guò)WiFi協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至Web服務(wù)器。4.1主站PLC程序在實(shí)現(xiàn)主站可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller,PLC)程序之前，首先需要將從站配置文件導(dǎo)入TwinCAT中。本文使用德州儀器公司的從站配置文件(EtherCATslaveinformmation,ESI)。當(dāng)TwinCAT軟件獲取從站信息時(shí)，該軟件會(huì)顯示從站固定數(shù)據(jù)位寬為32位的輸入/輸出變量信息，將從站的輸入/輸出變量與定義的PLC變量關(guān)聯(lián)。其中，對(duì)于PLC程序變量的賦值或取值的操作等同于主站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的操作。PLC程序采用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言(stracturetext,ST)進(jìn)行編程，主要以功能塊的形式實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)功能：其一為伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)與電機(jī)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)的獲取，其二為待發(fā)送數(shù)據(jù)編碼過(guò)程及編碼后數(shù)據(jù)的發(fā)送。PLC程序流程如圖7所示。通過(guò)程序功能塊使能電機(jī)，獲取電流、電壓、電機(jī)溫度等數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編號(hào)以及數(shù)據(jù)編碼，最終將編碼后的數(shù)據(jù)賦值給PLC發(fā)送變量，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。圖7PLC程序流程圖Fig.7FlowchartofPLCprogram4.2通信試驗(yàn)本文設(shè)計(jì)通信試驗(yàn)，將伺服驅(qū)動(dòng)器采集的電機(jī)交流電電流、直流母線電壓、電機(jī)溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至Web服務(wù)器端，從而實(shí)現(xiàn)在Web服務(wù)器上遠(yuǎn)程觀測(cè)電機(jī)狀態(tài)以及伺服驅(qū)動(dòng)器電流的動(dòng)態(tài)變化。本文為驗(yàn)證通信試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，作出如下定義。首先，定義如圖6所示的通信數(shù)據(jù)幀格式，用于無(wú)線網(wǎng)關(guān)WiFi數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)定數(shù)據(jù)編號(hào)名為字符T每幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編號(hào)對(duì)應(yīng)為0000、0001、0002、0003、0004。然后，定義數(shù)據(jù)名稱：AA為直流母線電壓，AB為U相電流，AC為V相電流，AD為W相電流、AE為電機(jī)溫度。本文定義的一組伺服驅(qū)動(dòng)器包括在流母線電壓，通過(guò)電機(jī)的互相交流電流以及電機(jī)的溫度值。經(jīng)通信試驗(yàn)，網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器接收到的完整數(shù)據(jù)中，每組均包含五幀通信數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)編號(hào)完整。綜上可驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕磦鬏斶^(guò)程無(wú)數(shù)據(jù)丟失。5結(jié)束語(yǔ)本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了具有將EtherCAT協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)換為WiFi協(xié)議報(bào)文功能的網(wǎng)關(guān)。經(jīng)通信試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)線網(wǎng)關(guān)能夠準(zhǔn)確解碼，由WiFi將EtherCAT報(bào)文中的數(shù)據(jù)傳輸至Web服務(wù)器，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示出數(shù)據(jù)。該網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計(jì)將EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)融合，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)提供了一種新方法。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】郇極，劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT驅(qū)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