摘 要： EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，使用鏈路冗余技術(shù)是實(shí)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(jì)通過FPGA實(shí)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(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。通過測(cè)試驗(yàn)證了此方法的可行性，增加了EtherCAT系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。

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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀、帶寬利用率高等優(yōu)點(diǎn)[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(hù)性最有效的手段之一[3]。鏈路冗余是應(yīng)對(duì)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(diǎn)之間的鏈路存在斷開情況，如網(wǎng)線斷開）的補(bǔ)救措施。通常在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(cuò)機(jī)制，即如果鏈路在某一處發(fā)生故障，依然可以與各個(gè)從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)主要的通信方向也會(huì)恢復(fù)。如果不止一個(gè)地方發(fā)生通信中斷，所有的必須在發(fā)生另一個(gè)錯(cuò)誤之前恢復(fù)。文獻(xiàn)[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(gè) ESC節(jié)點(diǎn)連接到主站，此種方法雖然可以解決單點(diǎn)故障，但是在故障修理時(shí)需要斷電，且不能解決多點(diǎn)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(jì)通過FPGA實(shí)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(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余，增加了EtherCAT 系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性 。

EtherCAT是一種實(shí)時(shí)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(duì)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€(gè)EtherCAT從站。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報(bào)文，并由第1個(gè)從站作為響應(yīng)報(bào)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(jì)算機(jī)，EtherCAT從站使用專用的從站控制芯片ESC，采取接收轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(bào)方向進(jìn)入時(shí)，相應(yīng)的報(bào)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(dòng)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(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文對(duì)應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備和從站存儲(chǔ)區(qū)。每個(gè)EtherCAT 子報(bào)文包括子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器(Working Counter，WKC)，子報(bào)文尋址到從站節(jié)點(diǎn)并交換數(shù)據(jù)后，工作計(jì)數(shù)器將被增加，用以記錄該子報(bào)文的處理狀態(tài)。子報(bào)文頭中，8 bit命令字節(jié)指定了子報(bào)文類型(讀寫類型，尋址類型)；8 bit索引號(hào)給出子報(bào)文編碼。32 bit的子報(bào)文地址指定了對(duì)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(bào)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(bào)文是否為最后一個(gè)報(bào)文；16 bit中斷目前保留。

在EtherCAT通信鏈路運(yùn)行過程中，可能會(huì)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(diǎn)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(hù)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(duì)應(yīng)的冗余鏈路作為備用。鏈路1出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過FPGA自動(dòng)切到冗余鏈路1；鏈路2出現(xiàn)故障時(shí)，通過FPGA自動(dòng)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(gè)從站保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)主要的通信方向也會(huì)恢復(fù)，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)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(jī)冗余型CPU連接，冗余鏈路1與備機(jī)冗余型CPU連接，實(shí)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(jí)冗余卡的鏈路1連接，冗余鏈路2與下一級(jí)冗余卡的冗余鏈路1連接，實(shí)現(xiàn)EtherCAT的鏈路冗余。

FPGA實(shí)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(dòng)切換功能。