EtherCAT通信系統主站及通信方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及EtherCAT通信領域，更具體地說，涉及一種EtherCAT通信系統主站及通信方法。
【背景技術】
[0002 ] EtherCAT (以太網控制自動化技術，簡稱ECAT)是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統，以其獨有的“on the fly”通信方式，使通信數據幀經過各個站點時，在數據幀不作停留的情況下，處理相應站點的數據，從而大幅降低了數據處理時間，縮短了通信周期。加上其分布時鐘(Distribute Clock，DC)的同步機制，使得EtherCAT廣泛應用于高速、高精的運動控制領域。
[0003]EtherCAT從站通過EtherCAT從站控制器(ESC)得以實施。而主站沒有專用的ASIC(Applicat1n Specific Integrated Circuits，專用集成電路)，EtherCAT主站通常由運行在操作系統(Windows、Linux、VxWorks等)上的純軟件，并結合標準以太網卡驅動實現。
[0004]在實際應用中，EtherCAT主站往往運行在運動控制器一端，運動控制器會產生周期規劃的數據，而這些數據能否通過EtherCAT主站實時發送至各個伺服從站，這是影響該控制系統的控制性能的關鍵因素。因此E t h e r C A T主站的實時性以及主站與從站的同步性能，對高速、高精的運動控制來說，是至關重要的。
[0005]為實現EtherCAT主站與伺服從站的實時同步，運動控制器的周期中斷時鐘必須與所有伺服從站的分布時鐘(DC)同步，否則運動控制器周期規劃的多軸同步運動(如插補運動)數據在伺服端不能保證被同步執行。這樣一來，控制精度便無從談起。
[0006]傳統的EtherCAT主站是基于操作系統0S(0perating System)的純軟件架構。由于操作系統多任務的調度是非常復雜的并且是非實時的，所以想要在操作系統上執行Ims以下的EtherCAT實時任務，必須跟操作系統供應商深度合作(如Windows)或者給操作系統(如Linux等)打上實時補丁。例如通過實時補丁RT Patch產生的定時器(Timer)為EtherCAT通信提供主站時鐘(Clock Μ)，如圖1所示，EtherCAT主站將此主站時鐘直接設定給參考時鐘從站SLO(SlaveO)作為其分布時鐘，其后的伺服從站又以參考時鐘的分布時鐘為參考進行同步。由于EtherCAT主站的收發包行為通過操作系統下的以太網適配器(EthernetAdapter)的驅動程序后存在延時不確定性，這必然會給整個EtherCAT網絡的分布時鐘直接引入一個抖動，從而破壞伺服從站間的同步性能，因此傳統的EtherCAT主站方案無法保證運動控制器的周期中斷時鐘與伺服從站的分布時鐘達到同步。
[0007]然而，不管是與操作系統供應商深度合作或者還是為操作系統打實時補丁，都需通過修改操作系統底層任務調度，從而提高EtherCAT主站任務的實時性。但這勢必會對操作系統的穩定性帶來很大的挑戰和風險。而且即便通過這樣的實時改造，想要獲得500us以下的實時性能，也是需要性能超強的(PU才能實現，這勢必又對系統的成本造成沖擊。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題在于，針對上述EtherCAT通信中實時性能較差、成本較高的問題，提供一種EtherCAT通信系統主站及通信方法。
[0009]本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種EtherCAT通信系統主站，包括主處理模塊、FPGA以及以太網收發器，并通過所述以太網收發器連接參考時鐘從站和伺服從站;所述主處理模塊包括TOO交互單元，所述FPGA包括roo收發單元、分布時鐘單元以及物理層控制單元;其中:所述分布時鐘單元，用于根據FPGA的時鐘信號周期性地生成分布時鐘報文，以實現運動控制器時鐘和伺服從站的時鐘同步;所述數據收發單元，用于按照通信周期將來自roo交互單元的從站交互數據封裝為EtherCAT數據幀并將來自物理層控制單元的EtherCAT數據幀解封后傳送給TOO交互單元;所述物理層控制單元，用于控制以太網收發器實現EtherCAT數據幀的全雙工收發以及分布時鐘報文的發送。
[0010]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站中，所述分布時鐘單元包括延時設置單元、時鐘發送單元以及啟動控制單元，其中:所述延時設置單元，用于測算主站到參考時鐘從站的傳輸延時和時間偏置并將計算結果設置到參考時鐘從站;所述時鐘發送單元，用于定時將FPGA的時鐘發送到各個伺服從站;所述啟動控制單元，用于在主站與伺服從站的時鐘同步以后，計算各個伺服從站的同步信號啟動時間和主站的中斷啟動時間，所述伺服從站的同步信號啟動時間與主站的中斷啟動時間在相位上對齊。
[0011]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站中，所述主站的主處理模塊包括文件解析單元、站點掃描單元、狀態機管理單元、配置單元以及郵箱通信單元，所述FPGA包括SDO收發單元，所述SDO收發單元用于通過物理層控制單元實現文件解析單元、站點掃描單元、狀態機管理單元、配置單元以及郵箱通信單元與各個伺服從站的數據交互。
[0012]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站中，所述主站包括兩個以太網收發器，且其中一個以太網收發器用于進行數據報文的收發、另一個以太網收發器用于實現主站環形冗余，所述物理層控制單元包括端口管理單元，該端口管理單元用于實現端口連接狀態和環形冗余處理。
[0013]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站中，所述物理層控制單元包括報文過濾單元，用于過濾非EtherCAT報文。
[0014]本發明還提供一種EtherCAT通信系統主站通信方法，所述主站包括主處理模塊、FPGA以及以太網收發器，并通過所述以太網收發器連接參考時鐘從站和伺服從站;所述方法包括以下步驟:
[0015](a)所述FPGA根據該FPGA的時鐘信號周期性地通過以太網收發器向伺服從站發送分布時鐘報文，以實現運動控制器時鐘和伺服從站的時鐘同步；
[0016](b)所述FPGA按照通信周期將來自主處理模塊的PDO封裝為EtherCAT數據幀并將來自物理層控制單元的EtherCAT數據幀解封后傳送給主處理模塊；
[0017](c)所述FPGA控制以太網收發器實現EtherCAT數據幀的全雙工收發。
[0018]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站通信方法中，所述步驟(a)包括:
[0019](al)所述FPGA測算主站到參考時鐘從站的傳輸延時和時間偏置并將計算結果設置到參考時鐘從站；
[0020](a2)所述FPGA定時將FPGA的時鐘發送到各個伺服從站；
[0021](a3)所述FPGA在主站與伺服從站的時鐘同步以后，計算各個伺服從站的同步信號啟動時間和主站的中斷啟動時間，所述伺服從站的同步信號啟動時間與主站的中斷啟動時間在相位上對齊。
[0022]在本發明所述的EtherCAT通信系統主站通信方法中，所述方法還包括:
[0023]所述FPGA通過以太網收發器實現主站和從站間的SDO的收發；
[0024]所述主處理模塊根據FPGA接收的從站設備描述文件解析出與配置相關的從站信息;
[0025]所述主處理模塊通過FPGA對連接到EtherCAT網絡上的所有時鐘參考從站和伺服從站進行掃描，獲取在線的從站數和各個從站的設備描述信息；
[0026]所述主處理模塊通過FPGA完成各從站的應用層狀態切換管理；
[0027]所述主處理模塊通過FPGA對從站進行相關配置