CAN总线协议到EtherCAT从站协议的转换网关设计

每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据区和相应的工作计数器(Working Counter，WKC)。发送子报文的WKC初始值为0，子报文被CAN ／EtherCAT协议转换网关正确处理后，增加一个增量，主站根据WKC是否正确，来判断该子报文是否被正确响应。
3．2 EtherCAT从站通信处理模块
EtherCAT从站通信处理模块实现与EtherCAT主站之间的通信，EtherCAT从站通信处理模块以EtherCAT从站控制器为核心，从站协议控制器实现EtherCAT数据的接收、发送以及错误处理。从站MCU操作EtherCAT从站协议控制器，实现应用层协议。
EtherCAT协议有2种数据交换形式：一种是周期性过程数据通信，另一种是非周期性邮箱数据通信。周期性过程数据通信用来传输数据刷新率要求较高的输入输出数据，非周期性邮箱数据通信则用来配置或读取从站的参数信息。
自动化控制系统中，系统一般要求先采集下面设备的输入数据，对输入数据进行相应的逻辑处理，然后产生输出控制信号，发送到输出设备。EtherCAT协议的状态机通信模式很好地解决了这个问题，保证了通信的安全可靠。
CAN／EtherCAT协议转换网关支持4种状态：初始化(Init)、预运行(Pre-Operational)、安全运行(Safe-Operational)和运行(Operation al)。各状态之间的转换关系如图4所示。状态机依次在不同的状态及状态转换期间完成不同的任务。

CAN／EtherCAT协议转换网关处于初始化状态时，主站初始化EtherCAT从站控制器的一些配置寄存器、配置邮箱通道参数。预运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关与主站使用邮箱通信交换通信配置信息，此时，不允许过程数据通信。安全运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关应用程序读入输入数据，但不产生输出信号，设备无输出，处于“安全状态”。运行状态下，CAN／EtherCAT协议转换网关应用程序读入输入数据，此时，主站应用程序发出的输出数据有效，CAN／EtherCAT协议转换网关产生输出信号。
3．3 CAN总线主站通信处理模块
CAN总线主站通信处理模块主要实现与CAN总线从站设备之间的数据交换、参数配置和故障诊断等。数据的收发采用定时器和中断相配合的模式。
上电硬件初始化，配置好CAN总线通信的参数后，CAN总线主站通信处理模块首先请求下面各CAN总线从站设备的输入数据，所有输入数据扫描完成后，置输入数据扫描完成标志，EtherCAT主站接收到该标志后，转换CAN／EtherCAT协议转换网关状态到运行状态。此时，输出数据有效，CAN总线主站通信处理模块发送输出数据到相关CAN总线从站设备。所有的从站一轮扫描结束后，判断统计是否有从站出现通信故障，并进行相应的处理。
3．4 CAN／EtherCAT协议转换网关对象字典设计
EtherCAT协议使用对象字典实现标准的参数信息配置和输入、输出数据读写操作，每个对象字典有一个主索引和多个子索引。在CAN／Et herCAT协议转换网关采用协议转换网关和CAN总线从站设备的多级对象字典设计模式，如图5所示。

CAN／EtherCAT协议转换网关和CAN总线从站设备1的对象字典输出数据(RxPDo)的主索引为十六进制数据0x1600～0x16FF，每个输出主索引的子索引为0x7xx0～0x7xxF，最多16个子索引；输入(TxPDo)的主索引为十六进制数据0x1A00～0x1AFF，每个输入主索引的子索引为0x6xx0～0x6xxF，也是最多16个子索引。每个CAN总线从站设备通信配置信息主索引为0x8xx0～0x8xxF。CAN总线主站通信参数对象字典主索引为0xF 800。CAN／EtherCAT协议转换网关和CAN从站设备的PDo对象字典映射关系如图6所示。

4 CAN／EtherCAT协议转换网关性能
EtherCAT主站采用Beckhoff公司的TwinCAT软件，与4个CAN／EtherCAT协议转换网关进行通信，采用wireshark网络封包分析软件，撷取EtherCAT网络通信报文帧，共撷取10次，每次1万帧。TwinCAT软件与CAN／EtherCAT协议转换网关全部数据刷新时间如图7所示。当输入数据为128字节、输出数据为100字节时，通过对撷取的请求报文时间戳和响应报文时间戳进行差值计算得出：TwinCAT主站软件与CAN／EtherCAT协议转换网关之间报文平均响应时间为200μs左右。CAN／EtherCAT协议转换网关具有较高的可靠性、安全性和快速响应特性。CAN总线主站与CAN总线从站设备通信波特率设为1 Mbps，一般一帧报文为8个字节有效数据，数据帧刷新时间平均为2 ms。

TwinCAT软件与CAN／EtherCAT协议转换网关全部数据刷新时间取决于TwinCAT软件报文扫描周期和CAN总线从站设备的数量、数据的多少。假设每个CAN／EtherCAT协议转换网关下面连接10个CAN总线设备，每个设备的数据为16字节，那么所有CAN总线数据扫描一周