劉澤1,2，熊皚1，武繼瑞1.2
（1. 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）
摘要：分析了一種全新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EtherNet/IP，并從源代碼的角度闡明了其基本原理?；赥I的DSP+ARM雙核芯片F28M36設(shè)計了一款采用以太網(wǎng)傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/伺服控制" title="伺服控制" target="_blank">伺服控制系統(tǒng)控制卡，移植了UCOSII操作系統(tǒng)、CIP協(xié)議、嵌入式TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動，最終實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EtherNet/IP協(xié)議的成功移植。
關(guān)鍵詞：EtherNet/IP；F28M36；CIP ；伺服控制
0引言
近年來，隨工業(yè)控制對于組網(wǎng)和信息傳輸速率與精度的要求越來越高，傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代和未來的工業(yè)控制系統(tǒng)要求?，F(xiàn)在，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為了一種確定性的網(wǎng)絡(luò)。通過和現(xiàn)場總線的對比，其在組網(wǎng)、傳輸速率、價格等方面顯示出來的優(yōu)勢越來越明顯，成為未來工業(yè)控制系統(tǒng)通信接口的發(fā)展方向。
不同于傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，例如最普及的EtherCAT或者是高端的SERCOSIII等協(xié)議，EtherNet/IP協(xié)議只規(guī)定了應(yīng)用層協(xié)議CIP的規(guī)范，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層上使用了事實上的標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP協(xié)議，這使得EtherNet/IP協(xié)議在組網(wǎng)上有巨大的優(yōu)勢，可以一網(wǎng)到底，靈活組網(wǎng)，而不是傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)或者現(xiàn)場總線技術(shù)的專網(wǎng)專用。
目前國內(nèi)對于EtherNet/IP協(xié)議的研究還是停留在直接購買商業(yè)代碼或者是購買專用的ASIC模塊芯片進行研究階段?？梢哉f國內(nèi)對應(yīng)EtherNet/IP的研究還處于起步階段。
1EtherNet/IP協(xié)議的簡介
1.1EtherNet/IP協(xié)議的模型
相比較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)等工業(yè)控制協(xié)議，EtherNet/IP在本質(zhì)上也都是基于IEEE802.3的規(guī)范以制定的標準，ODVA給出的EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范就指出，EtherNet/IP由應(yīng)用層的CIP、傳輸和網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議以及底層的電氣協(xié)議規(guī)范構(gòu)成［1］， EtherNet/IP的通信模型如圖1所示。
1.2EtherNet/IP的特點
（1）EtherNet/IP是一種面向連接的協(xié)議，相互的設(shè)備間只用建立可靠連接才能通信。
?。?）EtherNet/IP能夠傳輸各種類型的報文，并且對于不同類型的數(shù)據(jù)采用不同的傳輸方式，具體分為顯示報文的傳輸、I/O數(shù)據(jù)報文的傳輸以及未連接數(shù)據(jù)報文的傳輸（UCMN）。
?。?）協(xié)議是基于生產(chǎn)者和消費者的模型通信，不僅支持多播通信，還支持很多種I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式，如：周期觸發(fā)方式、中斷方式等。
?。?）EtherNet/IP協(xié)議用幾種對象模型來描述各種動作和參數(shù)，采用面向?qū)ο蟮姆绞骄幊淌乾F(xiàn)在各種協(xié)議規(guī)范通常采用的辦法。
1.3EtherNet/IP的結(jié)構(gòu)
在幾種常見的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和現(xiàn)場總線技術(shù)中，EtherNet/IP和ControlNet以及DeviceNet一樣，使用的規(guī)范都是基于CIP協(xié)議，這就保證了EtherNet/IP設(shè)備在和使用了CIP作為應(yīng)用層的設(shè)備能夠很好地互聯(lián)通信，而這三種協(xié)議不同的地方在于，EtherNet/IP在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上就使用了TCP/IP協(xié)議［2］ ，如圖2所示。
1.4EtherNet/IP的對象參考模型
EtherNet/IP協(xié)議使用了一系列的對象模型用來描述EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中的各種特征以及參數(shù)，通過使用對象模型的方式使得在具體的通信過程中，設(shè)備之間能夠更加方便地識別和通信［1］。
1.5EtherNet/IP的數(shù)據(jù)封裝格式
EtherNet/IP的數(shù)據(jù)封裝格式如圖3所示。
2伺服驅(qū)動器通信接口的硬件設(shè)計
2.1伺服驅(qū)動器設(shè)計的整體架構(gòu)
由于設(shè)計的最終目的是實現(xiàn)通過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)控制兩個電機的轉(zhuǎn)動，因此采取的設(shè)計思路就是實現(xiàn)ARM和PC主站之間的通信，DSP控制電機轉(zhuǎn)動，F(xiàn)PGA進行編碼器數(shù)據(jù)的運算，如圖4所示。
2.2網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計
由于F28M36芯片自帶了EMAC模塊的功能，所以只需要加入一個PHY芯片就可以了。采用TI公司的TLK110芯片作為PHY芯片，RJ45接口采用普通的8pin的網(wǎng)口，采用兩組差分信號進行傳輸，并且預(yù)留了能夠采用4組差分信號進行傳輸?shù)慕涌?。采?.3 V進行供電［3］，如圖5所示。
3伺服驅(qū)動器控制卡從站的軟件設(shè)計
按照EtherNet/IP的協(xié)議規(guī)范，移植EtherNet/IP協(xié)議需要滿足如下的軟件條件：
?。?）應(yīng)用層協(xié)議CIP代碼，這里采用的是ODVA官網(wǎng)給出的示例源碼ENetIP_EC。
?。?）嵌入式TCP/IP協(xié)議，這里采用的是輕量級支持操作系統(tǒng)的Lwip協(xié)議。
?。?）實時操作系統(tǒng)采用的是UCOSII。
?。?）整個移植過程中采用的是免費TCP/IP協(xié)議+示例從站應(yīng)用層代碼+RTOS的結(jié)構(gòu)，具體的軟件架構(gòu)如圖6所示。
3.1嵌入式操作系統(tǒng)UCOSII的移植
UCOSII操作系統(tǒng)是一款大家比較熟悉的嵌入式操作系統(tǒng)，關(guān)于UCOSII操作系統(tǒng)在ARM上的移植成功的例子很多，本文的創(chuàng)新之處在于在TI的芯片F(xiàn)28M36上成功進行了移植，主要的工作除了將圖6EtherNet/IP的軟件架構(gòu)
M3核移植到F28M36以外，還需要滿足CCS6.1編譯器的代碼規(guī)范。
3.2嵌入式TCP/IP協(xié)議Lwip的移植
Lwip采用的是分層進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想，每一個協(xié)議都采用一個模塊來進行實現(xiàn)，然后提供了與對應(yīng)模塊進行交互的接口。Lwip協(xié)議中所有的進程模塊都在一個進程中，這樣就保證了應(yīng)用程序既可以是一個單獨的進程也可以圖7lwip的在F28M36上的通信流程嵌入到TCP/IP進程中，如果應(yīng)用程序駐留在TCP/IP內(nèi)部，那么就利用內(nèi)部回調(diào)函數(shù)和TCP/IP通信，如圖7所示。
3.3CIP協(xié)議的移植
EtherNet/IP協(xié)議的初始化過程中，必須先注冊一個CIP類，CIP類中包括了應(yīng)用對象的各種特征屬性，例如ID、實例結(jié)構(gòu)、類代碼等。整個過程是通過一個全局公共變量gUserDefined以及MR維持的路由來實現(xiàn)的。首先需要判斷CIP類注冊的個數(shù)，然后給不同的注冊類分配不同的內(nèi)存空間,EtherNet/IP協(xié)議在代碼實現(xiàn)上，通過調(diào)用不同的CIP注冊類的接口函數(shù)來實現(xiàn)對于單個或多個CIP對象的操作。當創(chuàng)建完成一個CIP類之后，通過調(diào)用函數(shù)GSPutTrrbl()向消息路由發(fā)送一個MR_RegistrationtrrblType類型的trribble消息。
進入傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層連接以后，程序按照下列步驟來進行：
?。?）首先協(xié)議棧進入函數(shù)en_PassiWaitTSK()運行，這個任務(wù)函數(shù)只有在初始連接階段才會運行，等待任務(wù)執(zhí)行完畢后，執(zhí)行一個接收報文的封裝任務(wù)函數(shù)en_cd_EncaRecvTASK(),它是一個中低級優(yōu)先級的任務(wù)，主要的作用就是接收從底層網(wǎng)絡(luò)（傳輸層）上傳過來的報文信息并進行CIP格式的封裝處理，然后產(chǎn)生一個伙伴任務(wù)en_cd_EncaSendTASK(),當接收到完整消息以后，en_cd_ProcessEncaMSG（）就用來解析消息，然后返回響應(yīng)。
?。?）未連接的消息由en _TXfpacket()來進行解析，然后通過en模塊里面的函數(shù)en_cd_TxUnscheduledTask()來完成消息解析。針對消息的回復(fù)可以由UCMN來進行， 3類消息的處理則是通過函數(shù)en_cd_TxClass3Packet()來完成的，一旦消息被格式化完成，它就會被送到發(fā)送隊列中等待發(fā)送，程序流程如圖8所示。
4協(xié)議移植的驗證
4.1驗證方案的確定
EtherNet/IP協(xié)議的功能十分強大，但是由于沒有購買商業(yè)代碼，采用的是移植的免費的示例代碼，所以關(guān)于移植方案只能確定移植的成功與否，而對工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的眾多技術(shù)指標并沒有要求。
判斷協(xié)議移植成功的兩個重要的技術(shù)指標是：
?。?）能夠識別從站的IP地址，表明Lwip協(xié)議移植成功.
（2）能夠識別滿足ODVA給出的EtherNet/IP規(guī)范的十六進制數(shù)據(jù)包，并返回EtherNet/IP數(shù)據(jù)包。
4.2測試主站的選擇
測試EtherNet/IP從站移植的正確性，需要選擇一個EtherNet/IP的主站，這里采用EtherNet/IP給出的一個簡單的示例主站測試，其方法就是通過向主站發(fā)送一系列的EtherNet/IP主站數(shù)據(jù)包，看從站的反饋數(shù)據(jù)包是否是EtherNet/IP格式的數(shù)據(jù)包。
4.3IP地址的確定
Lwip可以使用固定IP地址，也可以采用DHCP自動分配IP地址，然后通過串口打印出來。采用DHCP自動分配的IP地址為169.254.169.99，然后ping IP地址。具體的過程如圖9和圖10所示。
圖10表明Lwip協(xié)議移植成功。
4.4主從站的測試
向主站發(fā)送固定的EtherNet/IP數(shù)據(jù)包,如圖11所示。
ODVA給了CIP報文的一個參考格式。CIP的數(shù)據(jù)包存儲是先低位，再高位，逐條分析整個數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu),整個數(shù)據(jù)表達的意思就是：通過UCMN未連接管理器發(fā)送rdtag1,通過連接管理對象去請求一個對象實例ID為01的對象，該對象去響應(yīng)一個CIP讀取數(shù)據(jù)的命令，給定數(shù)據(jù)讀取的路徑，然后只需要讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
然后點擊Request命令，再等待，當連接完成以后，最上面的Connection_FLAG由灰色變?yōu)辄S色，表明連接成功。
連接成功以后就會反饋一個EtherNet/IP的數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)包不是EtherNet/IP格式或者從站不遵循EtherNet/IP的數(shù)據(jù)格式，則不會有數(shù)據(jù)反饋。其中前4位是00D2，表明反饋回來的是第3類數(shù)據(jù)，即I/O數(shù)據(jù)，B2表明是UCMN數(shù)據(jù)，C2表明是第1類數(shù)據(jù)；00D2后面的數(shù)據(jù)表明是數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)大小，EtherNet/IP沒有給出相應(yīng)的規(guī)范，在商用驅(qū)動器中，用戶不需要解析十六進制代碼，主站會直接識別信息。
5結(jié)論
通過測試分析一種全新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EtherNet/IP，熟悉其架構(gòu)和數(shù)據(jù)格式，通過ODVA給出的移植建議，設(shè)計了基于F28M36的網(wǎng)絡(luò)接口硬件，自己選擇了RTOS、TCP/IP協(xié)議棧和示例從站代碼，在雙核芯片F(xiàn)28M36的ARM核上成功移植了EtherNet/IP從站，結(jié)合示例的主站代碼，測試TCP/IP協(xié)議和CIP協(xié)議移植的效果，并取得成功，證明了移植的有效性。由于EtherNet/IP是一種全新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，且本文的所有移植都采用的是免費代碼，因此本文沒有測試很多重要的工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)指標，只是驗證了移植的有效性，今后將購買商業(yè)代碼進行測試。
參考文獻
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