基于FPGA的EtherCAT鏈路冗余原理及其設(shè)計與驗證 - 全文

摘 要： EtherCAT是一種實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，使用鏈路冗余技術(shù)是實現(xiàn)鏈路穩(wěn)定性和可靠性的重要手段。介紹了基于FPGA的EtherCAT鏈路冗余原理，設(shè)計通過FPGA實現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動切換，從而實現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。通過測試驗證了此方法的可行性，增加了EtherCAT系統(tǒng)的可靠性與可維護性。

0 引言

EtherCAT最初是由德國的倍福公司基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)提出的工業(yè)以太網(wǎng)，是一種具有靈活網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的技術(shù)[1]。EtherCAT技術(shù)具有速度快、同步性能好、支持多種拓撲結(jié)構(gòu)、采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀、帶寬利用率高等優(yōu)點[2]。工業(yè)以太網(wǎng)中冗余技術(shù)是提高以太網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和可維護性最有效的手段之一[3]。鏈路冗余是應(yīng)對網(wǎng)口故障（包括主站網(wǎng)卡本身故障和連接）及鏈路故障（指從站節(jié)點之間的鏈路存在斷開情況，如網(wǎng)線斷開）的補救措施。通常在對系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求比較高的情況下，就需要應(yīng)用鏈路冗余技術(shù)。鏈路冗余是一種單一容錯機制，即如果鏈路在某一處發(fā)生故障，依然可以與各個從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時主要的通信方向也會恢復(fù)。如果不止一個地方發(fā)生通信中斷，所有的必須在發(fā)生另一個錯誤之前恢復(fù)。文獻[4]中介紹了一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT冗余和熱插拔技術(shù)，此種方法采用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)，將最后一個 ESC節(jié)點連接到主站，此種方法雖然可以解決單點故障，但是在故障修理時需要斷電，且不能解決多點故障。為了解決此問題，本文通過介紹基于FPGA的EtherCAT的鏈路冗余原理，設(shè)計通過FPGA實現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動切換，從而實現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余，增加了EtherCAT 系統(tǒng)的可靠性與可維護性 。

1 EtherCAT原理

EtherCAT是一種實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，采用主從站結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站通過尋址從數(shù)據(jù)幀中抽取對應(yīng)的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€EtherCAT從站。最后一個EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報文，并由第1個從站作為響應(yīng)報文發(fā)送給主站。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡或具有以太網(wǎng)接口的嵌入式工業(yè)控制計算機，EtherCAT從站使用專用的從站控制芯片ESC，采取接收轉(zhuǎn)發(fā)機制，以太網(wǎng)幀可以雙向通行，但只有以太網(wǎng)幀由下行電報方向進入時，相應(yīng)的報文才能得到處理，如果指定轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)口未連接，ESC自動將以太網(wǎng)幀沿原入口返回。

EtherCAT數(shù)據(jù)直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，使用的幀類型為0x88A4。EtherCAT數(shù)據(jù)包括2 B的數(shù)據(jù)頭和44 B~1 498 B的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應(yīng)獨立的設(shè)備和從站存儲區(qū)。每個EtherCAT 子報文包括子報文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計數(shù)器(Working Counter，WKC)，子報文尋址到從站節(jié)點并交換數(shù)據(jù)后，工作計數(shù)器將被增加，用以記錄該子報文的處理狀態(tài)。子報文頭中，8 bit命令字節(jié)指定了子報文類型(讀寫類型，尋址類型)；8 bit索引號給出子報文編碼。32 bit的子報文地址指定了對從站的操作地址，尋址類型定義了尋址方式；8 bit長度用以指示報文數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)；R為4 bit的保留位；4 bit M表示本報文是否為最后一個報文；16 bit中斷目前保留。

2 基于FPGA的鏈路冗余原理

在EtherCAT通信鏈路運行過程中，可能會存在如下幾種故障：

(1)網(wǎng)口故障，包括主站網(wǎng)卡本身故障和連接。

(2)鏈路故障，指從站節(jié)點之間的鏈路存在斷開情況，比如網(wǎng)線斷開。

為了能夠增加EtherCAT系統(tǒng)的可靠性及可維護性，在EtherCAT主站與從站的鏈路之間通過FPGA增加了冗余功能，每一條鏈路都有對應(yīng)的冗余鏈路作為備用。鏈路1出現(xiàn)故障時，可以通過FPGA自動切到冗余鏈路1；鏈路2出現(xiàn)故障時，通過FPGA自動切到冗余鏈路2。這樣如果鏈路在某一處發(fā)生故障，依然可以與各個從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時主要的通信方向也會恢復(fù)，極大地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性。

如圖2所示，EtherCAT主從站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成框圖中，冗余卡為基于FPGA的鏈路冗余卡，通過通信鏈路1與主機冗余型CPU連接，冗余鏈路1與備機冗余型CPU連接，實現(xiàn)主從站之間的主備切換冗余。通過通信鏈路2與下一級冗余卡的鏈路1連接，冗余鏈路2與下一級冗余卡的冗余鏈路1連接，實現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。

3 鏈路冗余的FPGA實現(xiàn)方法

FPGA實現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動切換功能。

如圖3所示，F(xiàn)PGA的4個接口0、1、2、3與4條通信鏈路通過MII（Media Independent Interface）方式連接。FPGA的4個接口分為2組，接口0和接口1為1組，接口2和接口3為1組，兩組的邏輯相同?，F(xiàn)以接口0和接口1說明冗余的切換方式：

(1)FPGA復(fù)位狀態(tài)為接口；

(2)運行過程中，通信鏈路1狀態(tài)不正常，冗余鏈路1正常，接口1切換為接口0；

(3)冗余鏈路1正常時，通信鏈路1恢復(fù)正常，此時不切換，還是連接接口1；

(4)冗余鏈路1不正常，通信鏈路1恢復(fù)正常，接口2切換為接口1運行。

接口2和接口3的切換方式與接口0和接口1的切換方式相同。

在FPGA實現(xiàn)過程中，主要是通過判別兩個接口的PHY（Physical Layer）的數(shù)據(jù)連接信號（linkmii）和數(shù)據(jù)有效信號（rx_dv）判斷鏈路的狀態(tài)。其中，接口0的數(shù)據(jù)連接信號為linkmii0，數(shù)據(jù)有效信號為rx_dv0，接口1的數(shù)據(jù)連接信號為linkmii1，數(shù)據(jù)有效信號為rx_dv1。因為PHY在數(shù)據(jù)傳輸過程中，rx_dv信號只在數(shù)據(jù)有效時拉高，因此，需要檢測時間閾值（cnt_time0、cnt_time1），即兩次rx_dv時間差，超過時間閾值(cnt_time0=1、cnt_time1=1)認為此接口無數(shù)據(jù)連接。接口0和接口1的切換條件判斷為：

(1)當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為高，選擇為接口0；

(2)當(dāng)linkmii0為高，linkmii1為低，選擇為接口1；

(3)以前狀態(tài)為接口1，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低，rx_dv0=1，cnt_time0=0，則選擇為接口0；

(4)以前狀態(tài)為接口1，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低，rx_dv1=1，cnt_time1=0，則選擇為接口0；

(5)以前狀態(tài)為接口0，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低，rx_dv1=1，cnt_time0=1，則選擇為接口0；

(6)以前狀態(tài)為接口1，當(dāng)linkmii0為低，linkmii1為低，rx_dv0=1，cnt_time1=1，則選擇為接口0。

接口2和接口3的切換選擇邏輯與此類似。

4 功能測試

為了驗證此鏈路冗余方法的可行性，搭建了以ALTERA公司的Cyclone III EP3C40E484i為核心的測試系統(tǒng)，此芯片有332個IO管腳，39 600個LE，可滿足設(shè)計的要求。根據(jù)FPGA實現(xiàn)冗余鏈路的要求，現(xiàn)根據(jù)測試圖型將測試敘述如下：

(1)圖4中，0時刻前為通信鏈路和冗余鏈路都沒有連接到冗余卡上（linkmii0=1，linkmii1=1），此時默認選擇接口0，0時刻后冗余鏈路連接到冗余卡上（linkmii1=0，linkmii0=1），此時切換為接口1。

(2)圖5中，0時刻前為冗余鏈路連接到冗余卡上（linkmii1=0，linkmii0=1），通道選擇為接口1，0時刻后，冗余鏈路從冗余卡上斷開（linkmii1=1，linkmii0=1），此時通道回到默認接口1。

(3)圖6中，0時刻前為通信鏈路與冗余鏈路都連接到冗余卡上（linkmii0=0，linkmii1=0），通道選擇為接口1，但此時通信鏈路有數(shù)據(jù)有效信號（rx_dv0=1），冗余鏈路沒有數(shù)據(jù)有效信號（rx_dv1=0），此時通道切換到接口0。

(4)圖7中，0時刻前為通信鏈路與冗余鏈路都連接到冗余卡上（linkmii0=0，linkmii1=0），通道選擇為接口0，但此時冗余鏈路有數(shù)據(jù)有效信號（rx_dv1=1），通信鏈路沒有數(shù)據(jù)有效信號（rx_dv0=0），此時通道切換到接口1。

5 結(jié)論

本文首先介紹EtherCAT的基本原理，以增加EtherCAT系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護性為出發(fā)點，給出了基于FPGA的EtherCAT鏈路原理，設(shè)計通過FPGA實現(xiàn)主站與從站、從站與從站之間的通信鏈路與冗余鏈路的自動切換，從而實現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。通過測試驗證此方法的可行性，增加了EtherCAT 系統(tǒng)的可靠性與可維護性。