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一種高速捲菸機EtherCAT從站設計文章根據目前在高速、超高速捲菸機組上大量使用的嵌入式PC現狀，使用從站芯片和DSP，設計了一個EtherCAT從站，實現了模擬量數據採集和標準的EtherCAT協議通訊。重點介紹了系統的硬件設計和軟件設計，其中LAN9252完成從站的EtherCAT協議通訊，而DSP芯片負責從站初始化、模擬量採集、數據收發、狀態管理等。

關鍵詞：EtherCAT；捲菸機組；從站

案例背景介紹

1 引言

近幾年引進的高速卷包設備中，大量使用了BECKHOFF（倍福）的控制系統，如PROTOS-M5、M8捲菸機，KDF4濾棒成型機，FOCKE-FX、S1000、H1000包裝機等，而在國內卷包設備升級改造項目上，也實現了基於工業PC控制技術的電氣化改造。

目前傳統的現場總線技術由於其響應時間長、實時性差等特點，正日趨成為工業自動化控制系統性能發展的瓶頸。EtherCAT技術作為BECKHOFF公司主導提出的一種實時工業以太網技術，與其工業PC有着良好的匹配性，且高速傳輸、價格低廉、配置簡單，基於EtherCAT通訊的從站在高速捲菸機功能擴展中應用廣泛。本設計以EtherCAT從站芯片LAN9252和DSP芯片為主要硬件組成，實現EtherCAT從站向主站發送實時採集的模擬量數據。

案例實施與應用情況

2 EtherCAT總線協議

EtherCAT技術利用IEEE 802.3以太網幀傳遞，Ethertype為0x88A4，具有靈活的網絡拓撲結構，同時支持熱拔插功能[2]。EtherCAT的數據幀結構如圖1所示：

Ethe rCAT採用主從站結構，主站一般是PC機，採用標準的100Base-TX以太網卡，從站採用EtherCAT從站專用芯片（ESC）。主站來掃描從站設備以確定每個從站的地址，並控制總線循環周期。運行時主站發出下行報文（數據幀的結構如圖1所示），報文的最大有效數據長度為1498個字節。報文將遍歷所有從站設備，每個從站設備在數據幀經過時分析尋址到本設備的報文，根據報文頭中的命令從報文中讀取數據或向報文中指定位置寫入數據，同時將從站報文的工作計數器（WKC）加1，表示數據被處理。報文被傳送到整個系統邏輯位置的最後一個從站後，該從站把經過各個從站處理後的數據幀作為上行報文直接發送給主站。主站收到此上行報文後，處理返回數據，一次通信結束。

3 硬件設計

設計採用的EtherCAT從站控制器芯片ESC是近年新推出的LAN9252芯片，這個芯片集成了兩個10/100M以太網收發器，簡化了硬件設計，同時支持光纖和銅線，並具備電纜診斷功能，便於現場技術服務人員能夠快速、有效地診斷線路故障。LAN9252支持SPI總線、8位/16位的uC接口以及獨立的數字I/O接口，在設計時可以根據需求靈活選擇。LAN9252完全符合EtherCAT標準，並可與所有EtherCAT系統實現互操作，它包含一個4KB的雙端口RAM(DPRAM)和三個現場總線存儲器管理單元(FMMU)。

DSP芯片採用的是TI公司的TMS320F2812，其採用哈佛結構的定點DSP，最高處理速度可達150M，具有快速的指令周期，處理數據位數也從16位定點躍升到32位定點。擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD數據採集，再加上豐富的外設接口，如CAN、SCI、UART等，多端口可復用，I/O端口豐富，可以靈活應用在很多領域。

在本設計硬件系統中，使用DSP芯片TMS320F2812、EtherCAT從站芯片LAN9252、EEPROM、網絡隔離器及電源管理芯片等構成。LAN9252芯片完成EtherCAT協議數據的收發，DSP芯片完成自身和LAN9252芯片的初始化，運行驅動程序，採集一路模擬量數據，管理EtherCAT協議中相關數據的收發，然後進行後繼的處理，並對從站自身的狀態進行管理。