摘 要： EtherCAT是工業(yè)控制領域廣泛應用的現場總線之一，從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實現EtherCAT協議數據通信的關鍵，對從站控制芯片實現自主可控是工業(yè)控制系統(tǒng)國產化研發(fā)的重要基礎?；贓therCAT通信協議及基本通信功能邏輯，設計了EBUS編碼/解碼、Auto-forwarder、Loop-back function關鍵通信節(jié)點的FPGA狀態(tài)機，并通過解析各階段數據狀態(tài)變化，驗證了各節(jié)點通信數據的正確性。實驗結果表明，基于上述狀態(tài)機的FPGA實現EtherCAT從站基本通信鏈路是完全可行的。

EtherCAT是由BECKHOFF提出的在工業(yè)控制領域獲得廣泛應用的現場總線之一，該總線具備全雙工工作模式，可基于主站（Master）和從站（Slave）連接的模式實現數據傳遞，且具有低延時、高安全性的特點。EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是從站模塊實現EtherCAT通信協議的關鍵，目前國內基于EtherCAT協議的通信功能基本都采用ET1100/ET1200等從站芯片來實現[1-4]。然而，由于這類芯片除基本通信功能外，還具備大量其他功能，而此類額外通信機制并不對我國技術人員公開，造成對此類通信芯片還無法實現完全自主可控，采用有效的安全機制提升系統(tǒng)安全性更是無從談起。隨著工業(yè)控制領域的信息安全問題日益突出，此類不可自主可控通信芯片的應用給我國核心控制系統(tǒng)的運行引入一定安全風險。為了實現對控制系統(tǒng)用通信芯片的完全自主可控，基于FPGA實現EtherCAT通信協議的自主化開發(fā)顯得非常必要，同時也是采用自主安全機制提升通信系統(tǒng)安全能力的重要前提。

基本通信鏈路是實現收發(fā)EtherCAT協議數據的核心，因此，本研究基于EtherCAT協議特征及數據傳遞機制，設計關鍵通信節(jié)點的FPGA狀態(tài)機，驗證FPGA實現EtherCAT從站控制器基本通信鏈路功能的可行性，為完善EtherCAT其他通信功能及安全機制奠定重要基礎。

EtherCAT主站與各從站之間的通信鏈路如圖1所示。通信過程中，數據幀遍歷所有從站設備，數據幀通過某一從站時，從站設備根據報文命令分析尋址到本機報文并進行讀/寫數據到指定位置，數據幀到達最后一個從站后，該從站把處理后的數據幀發(fā)送給主站。主站收到此上行電報后處理返回數據，一次通信結束[5-6]。

EtherCAT從站控制器主要包括數據幀處理單元、EBUS接口編碼/解碼模塊、Auto-forwarder模塊、Loop-back funcTIon模塊等。以ET1100/ET1200從站控制器為例，其內部框架如圖2所示，主要包括MII、EBUS接口，EtherCAT數據幀處理單元，現場總線內存管理單元（FMMU，Fliedbus Memory Management Unit），存儲同步管理通道（SM，SyncManager），分布時鐘，PDI接口，ESC地址空間（包括寄存器和用戶數據存儲器），EEPROM控制，以及狀態(tài)控制、中斷、看門狗和物理層管理等部分。

其中，幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）分析并處理EtherCAT數據流。現場總線內存管理單元（FMMU，Fliedbus Memory Management Unit）是EtherCAT從站控制IP核中的核心模塊之一，用于實現主站對從站的邏輯尋址。存儲同步管理通道（SM，SyncManager）實現主站和本地應用數據交換。Ethercat幀和PDI接口都必須輪詢處理器來判斷另一端是否完成訪問。PDI接口模塊是ESC芯片的應用數據接口。

在FPGA實現EtherCAT從站控制器的過程中，如果能實現數據鏈路的通路，數據幀能夠通過EBUS、MII接口傳輸到FPGA中，FPGA將數據幀進行識別并進行CRC校驗，解包出EtherCAT的幀格式和協議命令，并通過端口連接狀態(tài)將數據幀發(fā)送。那么，可以說明EtherCAT從站控制器是可以在FPGA中進行自主開發(fā)實現。在以上的數據鏈路中，EBUS接口涉及到EBUS模塊，EBUS模塊主要對EBUS協議進行解析，通過曼徹斯特編碼/解碼接收或發(fā)送數據；FPGA將數據幀進行識別并進行CRC校驗是Auto-Forwarder模塊；通過Loop-back funcTIon模塊將數據幀發(fā)送。以下分別介紹上述各模塊的實現過程。

2.1 EBUS編碼/解碼模塊

對于EBUS實現方式，EBUS接口的LVDS信號數據率是100 Mb/s，EBUS接口是利用曼徹斯特編碼/解碼（Manchester encoded）通過LVDS方式實現。