基于STM32的EtherCAT转UDP通信转换系统设计与实现.pdf
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1、10Internet Communication 互联网+通信以太网控制自动化技术 EtherCAT 在工业自动化领域应用广泛。在工业以太网总线技术 EtherCAT 中,从站之间的通信采用分布式时钟同步机制,保证了通信的高速、低延迟、同步和确定性。然而,EtherCAT 与工控机端的通信网络一般采用 TCP/IP 协议,由于其需要建立连接和确认数据的传输,无法与 EtherCAT 直接进行数据交互,导致了通信的非实时性,因此,需借用硬件介质进行通信协议转换。伺服电机、步进电机和输入/输出口的控制过程非常复杂,任何一个控制环节出错都会造成控制系统运行不稳。在实际产品开发中,考虑成本因素无法直接
2、在控制系统中运行实时分析软件,而是要将相应数据实时地传输到 PC 机上,通过 PC 机上的数据采集、分析软件中查找、定位问题根源。为了实现 EtherCAT 与工控机端的 TCP/IP 协议的互通,本文提出了一种基于 UDP 协议的通信转换方案,利用UDP协议的无连接和高带宽特点,提高通信的效率和速度,同时利用 FPGA 开发的高性能TCP/IP 通信模块,保证通信的实时性和可靠性。一、系统硬件设计 系统的控制部分包括 STM32F103、FPGA。STM32F103 程序负责控制 LAN9252 和 FPGA 的通信,以及配置 88E1111 PHY 芯片的寄存器。FPGA 程序负责实现可变
3、静态存储控制器通信模块、UDP 通信模块和 88E1111 PHY 芯片配置模块。可变静态存储控制器通信模块用于与 STM32F103 进行数据交换,UDP 通信模块用于封装和解析 UDP 数据包,88E1111 PHY 芯片配置模块用于基于 STM32 的 EtherCAT 转 UDP 通信转换系统设计与实现设置 PHY 芯片的工作模式和速率。整体硬件架构如图 1所示。图 1硬件架构LAN9252 和 STM32F103 的接口电路如图 2 所示。图 2STM32F103 与 LAN9252 接线FPGA 选用 EP4CE10,是一种低成本、高性能的可编程逻辑器件,可以实现复杂的通信协议和算
4、法。FPGA 与 STM32F103 通过可变静态存储控制器总线进行数据交换。88E1111 支持 10/100/1000Mbps 的自适应速率,具有低功耗、高集成度、高稳定性的特点。88E1111 与FPGA 通过 GMII 总线进行数据传输,88E1111 与工控机端的网卡通过 RJ45 接口进行数据通信。STM32F103、FPGA 与 88E1111 连接图如图 3 所示。摘要:工业以太网总线技术 EtherCAT 是一种基于以太网的高性能、低成本的实时通信技术,它可以实现分布式控制系统的高速、低延迟、同步和确定性的通信。EtherCAT 在工业自动化领域有着广泛的应用,如机器人、数控
5、机床、汽车制造等。然而,EtherCAT 与工控机端的通信网络一般采用 TCP/IP 协议,由于其非实时性通信方式,不能直接与EtherCAT 从站交换数据,需先进行通信协议转换。通信转换需要借用硬件介质来实现。为了实现 EtherCAT 与工控机端的TCP/IP协议的互通,本文设计了一种基于STM32单片机的通信转换系统,该系统利用FPGA开发的高速、低延迟、同步和确定性的 TCP/IP 通信模块,实现了 EtherCAT 与 TCP/IP 协议的转换。本文介绍了系统的硬件结构和软件设计,验证了系统的通信性能和效率。关键词:STM32F103;EtherCAT;FPGA;UDP;通信转换文|
6、殷伟殷伟(1989-),男,汉族,浙江宁波,本科,信息系统项目管理师(高级)、一级建造师,研究方向:数据通信,通信传输与接入,广播电视 HFC+FTTH 融合等。11Internet Communication 互联网+通信图 3 STM32F103、FPGA 与 88E1111 连接图电源采用5 V供电,需要转换成3.3V、2.5V及1.2V。二、系统软件设计(一)STM32F103 单片机程序STM32F103 是系统的控制核心,用于系统初始化,FPGA、LAN9252 模块之间的通信。为了实现从站微控制单元的 EtherCAT 通信功能,本文使用 SSC 工具生成协议栈代码,配置协议栈、
7、物理层之间的接口,如可变静态存储控制器并行总线配置和输入/输出中断入口配置。协议栈包含 EtherCAT 从站通讯模块输出信号,需将模块的中断处理函数与 STM32F103 引脚绑定,引脚中断功能关键代码如下。#define INIT _ESC_INT EXTIO _ Configtiration()#define Ecatlsr EXTIO _ IRQHandler;SYNCO 对应中断功能配置及映射#define INIT_SYNC0_TEXTI3 _ Configoation();#define Syllc0Isr EXTI3_IRQHandler;SYNC1 对应中断功能配置及映射#d
8、efine INIT_SYNC1 _INT EXTI1_ Configuration();#define Sync1lsr EXTl1_ IRQHandler;为确保引脚快速准确地响应通信模块信号,需要在配置函数中激活引脚的中断功能,并将其映射到外部中断 0,设置中断优先级为最高。再配置可变静态存储控制器并行总线,选择异步多路 PS 随机存取存储器/NOR作为输出通信方式。生成新 XML 文件之后,需在协议栈代码里,修改数据定义、读取模块,使其与 XML 生成的数据量一致。在协议栈的数据定义头文件里,修改结构体数据量大小及初始值。生成的协议栈的代码 如下。typedef struct OBJ_
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