基于EPL的嵌入式控制系统

李 琦，卓 杰

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)

0 引言

目前，主流控制系统一般采用现场总线方式通信，这种方式通信速率比以太网低很多，以太网作为新型总线方案是工业控制的发展趋势[1]。EPL协议由于实时性好、开源等特点，成为实时工业以太网的首选方案。

文中深入研究EPL协议并将其应用于高速数据采集、监控设备上，以ARM高性能处理芯片和物理层收发芯片为基础设计基于EPL的控制器，搭建包括1个主站节点和若干个从站节点的具备信号采集能力和I/O控制能力的控制系统，以满足高速、实时的应用需求[3]。

1 基于EPL的控制系统架构

根据控制现场实际的要求和实验室试验的特点，选用基于EPL协议的主站、从站控制器以及高性能以太网HUB构建控制系统网络[4]，如图1所示，根据控制节点的功能不同，分为I/O开关量控制节点、信号采集节点，管理节点通过以太网HUB与控制节点相连构成EPL控制系统网络。

图1 控制系统网络架构图

2 EPL实时工业以太网简介

传统的TCP/IP协议在通信过程中采用的是CSMA/CD(带冲突检测的载波监听多路访问)机制，这样的通信方式不能保证数据传输的时间确定性。EPL是工业实时以太网协议的一种，EPL协议栈主要在普通以太网基础上修改了数据链路层，而在应用层采用CANopen并且定义了对象字典。EPL采用SCNM(时间槽管理机制)如图2所示，这种通信机制避免了数据在通信过程中的碰撞，使通信有了确定性保障。

图2 时间槽管理机制

EPL通信周期主要包括SOC阶段、同步阶段、异步阶段。SOC阶段，管理节点发送帧起始SOC帧，控制节点收到SOC帧后就此同步。同步阶段，主要传输的是实时性数据，管理节点依此轮询各个控制节点并发送请求帧PReq，控制节点收到PReq帧后向管理节点发送响应帧PRes。当管理节点轮询完所有控制节点后结束同步阶段。异步阶段，主要传输的是非实时数据，节点间交换非实时信息。EPL采用SCNM机制，确保了在特定的时间段只有一个控制节点收发数据，真正实现了数据传输的确定性，实现了控制系统的实时通信。

3 控制系统硬件设计

基于EPL的控制器的硬件设计是整个控制系统设计的重要部分，在设计时，需要考虑主控制芯片的选择、存储器存储方式的选择、通信方案的选择等。通过分析基于EPL的控制系统的特点，如通信速率、系统抖动、I/O开关量、A/D的数量、网络芯片的选择等。鉴于系统要有较好的数据传输速率和较低的系统抖动的控制要求，选用STM32F407与DP83848CVV完成网络硬件接口的设计开发，控制器硬件框图如图3所示。

图3 控制器硬件框图

4 软件设计

控制系统的软件设计部分包括EPL协议栈的移植以及控制任务与EPL协议栈之间的通信。

4．1EPL的移植

EPL的移植包括主站和从站，由于没有使用操作系统，控制任务和I/O事件、A/D采集任务放在主函数中查询处理，而一些高精度时钟任务和Ethernet收发任务采用中断方式处理。将EPL移植到STM32F407上包括主站、从站EPL部分源码的修改，另外，对象字典在EPL协议中是很重要的部分而且是和应用紧密相关的，当用户在其产品中实现EPL时，只需要修改源码中的对象字典。EPL协议会根据配置信息，将对象字典中一些对象的值打成数据包发送出去，同时根据配置信息，将收到的一些数据存入对象字典中相应的对象。

4．2应用程序与EPL协议栈的通信

应用程序中的变量需要与EPL中定义的对象字典相关联，使得控制、采集任务通过EPL协议栈进行传输。对于管理节点和控制节点之间的数据传输。需要进行通信参数和映像参数的配置，定义相关的对象字典[8]如图4所示。

图4 应用变量与对象字典的通信原理

5 系统测试与结果分析

EPL通信过程比较复杂，为了分析系统的性能，在实验室条件下分别对主站加一个I/O从站和主站加一个A/D采集从站的两种结构的系统性能进行了测试和分析，试验系统由控制器MN、CN站点和装有wireshark软件的PC机经过HUB连接，在PC机上通过wireshark观察通信过程。如图5所示，两个SOC帧之间的时间差即为系统的循环周期，为约1 ms的时间。在实时工业以太网的控制系统设计中，周期抖动是决定系统性能的重要因素，为了测试I/O的抖动性能，将I/O从站的输出口接到高性能数字示波器上，启动主站控制器，主站控制器周期性地给从站发送PDO实时数据，抖动测试如图6所示，可以看出抖动约2 μs，而且增加从站的数量对系统的响应时间几乎没有影响。

图5 系统wireshark数据捕捉

图6 抖动测试

A/D从站周期性地向主站发送温度PDO数据，在wireshark中为Pres数据如图5中黑亮部分即为1个温度PDO数据payload：0E01，对应的温度值应为+27．0 ℃，为了方便读取数据，把从站发送的温度数据通过串口在PC监测机上打印出来，每10个循环周期打印1次如图7所示。

图7 A/D采集从站温度监测

6 结论

设计了基于EPL的控制系统，测试了控制器系统响应时间，在1 ms以内抖动为2 μs，而且增加从站的数量对系统的响应时间几乎没有影响，符合监测、监控系统的现场要求。整合了工业控制器中传统的通讯方式，真正实现了工业控制网络化，实现了ARM 嵌入式控制器通过工业以太网HUB进行组网。控制器可广泛应用于各类工业监测领域。

参考文献：

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[6]李琦，张坤，朱林．一种用于热网远程监测的非标准自组网研究．计算机测量与控制，2012，20(11)：2882-2884．

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[9]史春华，张浩，彭道刚，等．EPA实时工业以太网通信协议的研究．自动化仪表，2009(12):l-5．

作者简介：李琦(1973-)，副教授，硕士，研究方向为智能优化控制和工业远程控制等。

卓杰(1988-)，在读硕士，研究方向为嵌入式以太网。

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