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一种高速卷烟机EtherCAT从站设计文章根据目前在高速、超高速卷烟机组上大量使用的嵌入式PC现状，使用从站芯片和DSP，设计了一个EtherCAT从站，实现了模拟量数据采集和标准的EtherCAT协议通讯。重点介绍了系统的硬件设计和软件设计，其中LAN9252完成从站的EtherCAT协议通讯，而DSP芯片负责从站初始化、模拟量采集、数据收发、状态管理等。

关键词：EtherCAT；卷烟机组；从站

案例背景介绍

1 引言

近几年引进的高速卷包设备中，大量使用了BECKHOFF（倍福）的控制系统，如PROTOS-M5、M8卷烟机，KDF4滤棒成型机，FOCKE-FX、S1000、H1000包装机等，而在国内卷包设备升级改造项目上，也实现了基于工业PC控制技术的电气化改造。

目前传统的现场总线技术由于其响应时间长、实时性差等特点，正日趋成为工业自动化控制系统性能发展的瓶颈。EtherCAT技术作为BECKHOFF公司主导提出的一种实时工业以太网技术，与其工业PC有着良好的匹配性，且高速传输、价格低廉、配置简单，基于EtherCAT通讯的从站在高速卷烟机功能扩展中应用广泛。本设计以EtherCAT从站芯片LAN9252和DSP芯片为主要硬件组成，实现EtherCAT从站向主站发送实时采集的模拟量数据。

案例实施与应用情况

2 EtherCAT总线协议

EtherCAT技术利用IEEE 802.3以太网帧传递，Ethertype为0x88A4，具有灵活的网络拓扑结构，同时支持热拔插功能[2]。EtherCAT的数据帧结构如图1所示：

Ethe rCAT采用主从站结构，主站一般是PC机，采用标准的100Base-TX以太网卡，从站采用EtherCAT从站专用芯片（ESC）。主站来扫描从站设备以确定每个从站的地址，并控制总线循环周期。运行时主站发出下行报文（数据帧的结构如图1所示），报文的最大有效数据长度为1498个字节。报文将遍历所有从站设备，每个从站设备在数据帧经过时分析寻址到本设备的报文，根据报文头中的命令从报文中读取数据或向报文中指定位置写入数据，同时将从站报文的工作计数器（WKC）加1，表示数据被处理。报文被传送到整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过各个从站处理后的数据帧作为上行报文直接发送给主站。主站收到此上行报文后，处理返回数据，一次通信结束。

3 硬件设计

设计采用的EtherCAT从站控制器芯片ESC是近年新推出的LAN9252芯片，这个芯片集成了两个10/100M以太网收发器，简化了硬件设计，同时支持光纤和铜线，并具备电缆诊断功能，便于现场技术服务人员能够快速、有效地诊断线路故障。LAN9252支持SPI总线、8位/16位的uC接口以及独立的数字I/O接口，在设计时可以根据需求灵活选择。LAN9252完全符合EtherCAT标准，并可与所有EtherCAT系统实现互操作，它包含一个4KB的双端口RAM(DPRAM)和三个现场总线存储器管理单元(FMMU)。

DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，其采用哈佛结构的定点DSP，最高处理速度可达150M，具有快速的指令周期，处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，再加上丰富的外设接口，如CAN、SCI、UART等，多端口可复用，I/O端口丰富，可以灵活应用在很多领域。

在本设计硬件系统中，使用DSP芯片TMS320F2812、EtherCAT从站芯片LAN9252、EEPROM、网络隔离器及电源管理芯片等构成。LAN9252芯片完成EtherCAT协议数据的收发，DSP芯片完成自身和LAN9252芯片的初始化，运行驱动程序，采集一路模拟量数据，管理EtherCAT协议中相关数据的收发，然后进行后继的处理，并对从站自身的状态进行管理。