基于ARM技术的EtherCAT与Modbus／TCP协议转换卡设计

Ｂ　基于ＡＲＭ技术的ＥｔｈｅｒＣＡＴ与　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议转换卡设计　文ｌ浙江中控研究院有限公司　黄岩峰　张军凯　谢灿华　金伟江　朱练　１引言　现场总线已经在工业自动化领域获得广　泛应用；近年来，随着工业过程信息技术的　发展。传统的现场总线技术在许多应用场合　已经难以满足用户不断增长的需求。基于以　太网的通信技术是工业自动化领域的发展方　向所在；与传统的现场总线技术相比，工业　以太网技术具有应用广泛、软硬件资源丰富、　实时性强、易于与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或工业控制网络　连接等诸多优点。目前，工业以太网技术已　成为工业应用领域中的一个研究热点。　由于历史原因，工业过程控制领域存在　多种各具特色的通信协议，目前主要的工业　以太网标准有Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ、ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ、　ＰＲＯＦＩＮＥＴ、Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ、ＥｔｈｅｒＣＡＴ以及我国　的ＥＰＡ等多种。工业过程信息化与自动化要　求使用这些不同协议的装备、传感器、仪器　能够实现互联，这就需要解决不同协议之间　信息传送的问题。　协议转换要求能够完整、正确地对不同　协议标准的数据进行解析和封装，同时响应　迅速，满足实时性和安全性要求。基于精简　指令集（ＲＩＳＣ）架构的ＡＲＭ微处理器指令　执行效率高，外围扩展电路丰富，能够满足　实时多任务的要求。因此，本文基于ＡＲＭ７　技术，设计了ＥｔｈｅｒＣＡＴ与Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ的　工业以太网协议转换卡，以期解决不同现场　总线系统之间互通互连的问题，为企业实现　异构系统的综合自动化监控奠定基础。　２　ＥｔｈｅｒＣＡＴ与Ｍ０ｄｂｕｓ，ＴＣＰ技术原　理及通信模式　２．１　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信　Ｅｔｈｅ　ｒＣＡＴ（Ｅｔｈｅ　ｒｎｅｔ　ｆＯ　ｒ　ＣＯｎｔ　ｒＯｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）是德国Ｂｅｃｋｈｏｆｆ　公司开发的一种实时工业以太网现场总线技　术。该技术在以太网报文经过ＥｔｈｅｒＣＡ丁从　站时利用专门的控制芯片直接提取或插入　相应的编址数据，同时将报文传输给下一个　ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站，省去了对接收到的以太网报　文进行存储、解码、提取过程数据并复制到　各个设备的过程，从而大幅降低了数据任务　处理量。同时提高了网络带宽的利用率，缩　小了通信总线传输的延迟（整个过程中报文　只有几纳秒的时延）。　ＥｔｈｅｒＣＡＴ使用标准的以太网数据报文格　式传输，无任何数据压缩；以太网类型使用　特定的０ｘ８８Ａ４，因此其数据帧可以通过任何　以太网ＭＡＣ发送。ＥｔｈｅｒＣＡＴ数据的报文结　构如图１所示。一个ＥｔｈｅｒＣＡＴ帧中可以包　含若干个ＥｔｈｅｒＣＡＴ报文，每个报文都服务　于一块逻辑过程映射区的４，－ｔ定内存域，该区　域最大存储量可达４ＧＢ。数据传输时，报文　帧头中的命令读取或写入数据到报文指定位　置；同时，从站硬件令该报文的工作计数器　加１，表示该数据被处理。ＥｔｈｅｒＣＡＴ报文在　单个以太网帧中最多可以实现１４８６个字节　的分布式过程数据通信。　

２＿２　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ通信　Ｍｏｄｂｕｓ是Ｍｏｄｉｃｏｎ公司最早提出的　串行链路通信协议；Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议则是　

ｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ＆Ｃｉｔｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　２０１２　６　Ｎｏ．１８７　６７　

■＿　Ｂ麟№　此后Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ公司基于ＴＣＰ／ＩＰ以太网推出　的，问世后迅速成为了工业自动化领域的标准　协议。　Ｍｏｄｂｕｓ协议本身基于主从模式，即通　信双方一方为Ｍａｓｔｅｒ，～方为Ｓｌａｖｅ，双方　不能互换角色。Ｍｏｄｂｕｓ协议数据由四部分　组成。　（１）地址域　地址域的长度为一个字节，包含从站地　址。有效地址范围为０～２４７（地址０用于广　播）。从站在自身地址与数据包裹中的地址匹　配时，作出响应。　（２）功能码域　功能码域的长度为一个字节，用于通知　从站执行何种操作。　（３）数据域　数据域长度不定，由具体应用决定；采　用大端模式，高字节在前，低字节在后。　（４）校验域　校验域的长度为两个字节，采用ＣＲＣ一　１　６校验。　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议的应用层采用　Ｍｏｄｂｕｓ协议；传输层使用ＴＣＰ协议，并　使用５０２端口；网络层使用ＩＰ协议，使得　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ既可以在局域网中使用，也可　以在广域网中使用。目前Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议　在以太网中的传输速度为１０Ｍ门００Ｍ。　

６８智能建筑与城市信息２０１２年第６期总第１８７期　

Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ采用标准以太网报文格　式。用户数据首先在应用层封装，该层包括　ＭＢＡＰ头、功能码、数据部分，其中ＭＢＡＰ　头中包含了协议相关的事务标识符、协议标　识符、数据长度以及Ｍｏｄｂｕｓ协议中的地址　域信息（校验域由于以太网报文本身已有校　验功能而略去）；然后在应用层之外再加上　２０字节的ＴＣＰ报头，２０字节的ｌＰ报头，２６　字节的ＭＡＣ帧头、帧尾，１２字节的以太网　报头、报尾，构成完整的以太网报文（最大报　文长度为３３８字节，最小报文长度为８７字节）。　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ以太网报文封装如图２所示。　

ｖｌＢＡＰ　功能码　数据　ＴＣＰ　ＩＰ　

应用层　ＴＣＰ层　ＩＰ层　ＤＬ层　Ｐｈ层　

８　ｌ　１４　ｌ　８　ｌ　２Ｏ　Ｉ　２０　７　Ｉ　１　Ｉ１—２５２１　４　１　４　ｌ字节数　

３协议转换卡的设计与实现　３．１硬件设计　硬件电路设计主要涉及基于ＮＸＰ公司的　ＬＰＣ２４７８的ＡＲＭ７最，Ｊ、核心系统、ＥｔｈｅｒＣＡＴ　接口电路、以太网接口电路、ＣＡＮ接口电路、　ＲＳ４８５和ＲＳ２３２电路等。ＬＰＣ２４７８是１　６／３２　位的ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ　ＣＰＵ内核的控制器，拥　有５１　２ｋＢ的片内高速Ｆｌａｓｈ、９８ｋＢ的内部　ＳＲＡＭ，ＣＰＵ时钟频率可达７２ＭＨｚ，非常适　合于通信网关和协议转换器场合。图３即整　个系统的框架图。　

上位机　圆圈　ＥｔｈｅｒＣＡＴ　圈　日　现场主站总线软件　设备　

—Ｉ　ＣＡ—Ｎ　ｔ协

议转换卡　如图３所示，系统硬件电路主要由以下　几部分组成：　◆电源转换部分采用专门的电源管理芯　片将＋５Ｖ电压转换为＋３．３Ｖ（ＬＰＣ２４７８以　＋３．３Ｖ供电），为ＡＲＭ７芯片数字和模拟部分　提供电源；　◆时钟电路采用１　２ＭＨｚ的有源晶振或无　源晶振作为系统主时钟；可以通过ＬＰＣ２４７８　内部的锁相环电路实现时钟倍频功能，使最　高时钟频率达到７２ＭＨｚ；　◆看门狗电路采用专门的硬件产品，以　提高系统可靠，ｌｌｔ；若ＣＰＵ在１．６ｓ内没有将　看门狗清零，系统即复位；　◆ＪＴＡＧ和ＩＳＰ接口采用ＡＲＭ公司的标　准边界扫描接口，可将用户程序下载到Ｆｌａｓｈ　中编译调试；通过ＩＳＰ接口可实现在系统编程。　（１）ＥｌｈｅｒＣＡＴ接口电路　ＥｔｈｅｒＣＡＴ接口电路主要由从站控制芯　片ＥＴ１　１００构成。ＥＴ１　１　Ｏ０是Ｂｅｃｋｈｏｆｆ公司　开发的ＥｔｈｅＣＡＴ从站控制器专用芯片，带　有四路物理层接口，支持ＭｌＩ和ＥＢＵＳ两种　类型接口，在硬件上实现了ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议　的数据链路层，并可以很容易地实现级联。　ＬＰＣ２４７８通过片上外部存储器控制器（ＥＭＣ）　与ＥｔｈｅｒＣＡＴ控制专用芯片ＥＴ１　１Ｏ０连接，并　通过１　６位并行总线对其内部ＤＰＲＡＭ进行数　据存取。ＥｔｈｅｒＣＡＴ硬件电路如图４所示。　ＬＩＮＫ　ＭＩｌ　ＲＸ　ＣＬＫ　ＣＳ　ＲＸ　ＤＶ　ＰＨＹ　ＴＸ－　ＲＸＤ［３：０］￣　网络　赢　ＲＸ　ＥＲ一　ｗ』一　ＬＰｃ２４７８　＿‘——・＝　—一　Ｐ卜１Ｙ芯片　一Ｔｘ＿ＥＮ一　ＥＴ１１０Ｏ　ＲＪ４５ｉ＇ＲＸ－￣　ＰＨＹ　ＲＸ；　ＤＰ８３８４８　￣ＸＤ［３：０】　丛　ｉ　Ｒｘ＋￣器　—Ｐ——Ｈ—Ｙ———Ｒ—Ｘ，＋．＿　ＭＤＣ　』　！－　．．ＭＤＩＯ　心　Ｉｌ　ＰＨＹＡＤＯＦＦ＿　匪　（２）以太网接口电路　ＬＰＣ２４７８内部集成了ＭＡＣ控制器，可　以方便地扩展以太网接口电路。接口电路主　要由外部ＰＨＹ接口芯片、网络变压器等组　成。ＰＨＹ接口芯片采用ＤＰ８３８４８，可以实现　１０／１ＯＯＭ通信速率，同时也支持Ｍｌｌ或ＲＭＩＩ　接口方式；网络变压器则实现电平隔离和转　换。并通过ＲＪ４５接口连接上位机或现场总　线设备。ＬＰＣ２４７８与物理层器件的接口电路　如图５所示。　ＥＮＥＴ　ＴＸ　ＥＮ　ＥＮＥＴ＿ＴｘＤ　］二　

ＥＮＥＴ　ＴＸ—ＥＲ—　ＥＮＥＴ　ＴＸ　ＣＬＫ—　ＰＨＹ　ＴＸ一　｛　ＴＸ一　一ＥＮＥＴ　ＲＸ　ＤＶ　ＰＨＹ　网络ｉ互　

ＥＮＥＴＲＸＤ［３：０］　芯片　变压Ｌ　Ｒｘ　ＲＪ４５　ＦＣ２日７８　ＥＮＥＬＲＸＥＲ　ＤＰ８３８４　匝　器　ＲＸ＋一　

一ＥＮＥＴＲＸＣＬＫ　

—ＥＮＥＴ　ＣＯＬ　

—ＥＮＥＴ　ＣＲＳ　

（３）扩展功能电路　协议转换卡也设计有ＣＡＮ、ＲＳ４８５、　ＲＳ２３２接口电路，可支撑功能扩展。　ＬＰＣ２４７８内部有两路ＣＡＮ控制器，每路控　制器均提供了ＣＡＮ收发引脚，为了适应于工　业应用环境，ＣＡＮ控制器外部仍需扩展隔离　收发电路才能构成ＣＡＮ节点。隔离收发电路　采用了集成的收发模块ＣＴＭ１０５０，实现了电　平转换与隔离。ＲＳ４８５和ＲＳ２３２接口电路提　供串口通信功能。　

３．２软件设计　协议转换卡主要用于以太网功能扩展，　图６为其功能框图。ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议的实现基　于主从站模式，从站部分功能作为嵌入式实　时操作系统的任务实现数据区交互，其中交　互区数据直接映射至ＥｔｈｅｒＣＡＴ从站控制器　双口ＲＡＭ中，主站可在扫描周期内实时读取。　Ｍｏｄｂｕｓ￣ＣＰ协议的实现基于客户端／服务　器模式，客户端以固定周期（２０ｍｓ）循环读　取服务端数据并将之存储于数据ｌ／Ｏ交互区，　其中ＴＣＰ／Ｉ　Ｐ协议栈可以采用硬件或软件实现。　

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