第 6 期
2016 年 6 月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technitjue
No. 6
Jun. 2016
文章编号：1001 -2265(2016)06 -0084 -04 D0I：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 06. 022
基于ARM + FPG A的 EtherCAT主站设计及实现!
徐 健
，
唐小琦
，
宋 宝
(华中科技大学机械科学与工程学院，武 汉 4 3 0 0 7 4 )
摘 要
：
为解决实时
工
业以太网协议E th e r C A T 应用于嵌
入
式主站控制器所产生的实时性和稳定性等
问题
，
首先研究了 E th e r C A T 主站控制器在E th e r C A T 网络控制系统中的功能需求
，
分析并提出了实现
嵌
入
式 E th e r C A T 主站的架构
，
然后针对上述架构设计了基于AR M + F P G A 的 E th e r C A T 主站实现的
硬件方案
，
并设计了基于X e n o m a i补丁 的 实时L in u x 操作系统的软件实现方案
，
最后搭建了互联互通
的互操作性测试平台
，
实验结果表明
，
该 主 站 控 制器 具 有 E th e r C A T 标准协议的兼容性
、
极高的实时
性以及稳定性
。
关 键 词
：
E therC A T 主 站
；
FPG A
#
ARM
中 图 分 类 号
:
T H 1 66
"
T G 50 6 文 献 标 识 码
:
A
D esign an d Im p lem en tation o f E th e rC A T M a ste r B a sed on A R M + F P G A
XUJian，TA N G X ia o -q i，SONG Bao
(School of M echan ical Science a n d E n g in ee rin g ， H uaZhong U niversity of S cience an d T ech no log y ， W uhan
4 3 0 0 7 4 ，C h in a)
A b s t r a c t: In orde r to solv e re a l-tim e in d ustria l E th e rn e t p rotoc o l E th e rC A T a p p lie d to e m be dd ed m a ste r con-
tra ile r p ro d u c in g re a l-tim e ，stab ility an d o th e r is s u e s ，first study E th e r C A T m a s te r co n tro ller in th e n e tw o rk
co n trol sy ste m fun ctio n a l re q u ire m e n ts ，a na lyz e an d p ro po se arch itecture o f em b ed de d E th erC A T m a s te r，
the n fo r the a b o v e arch ite c tu re d e sig n E th erC A T m aster h ardw are so lutio n b as e d o n A R M + F P G A a nd so ft
w are solu tio n ba s e d on re a l-tim e X e n o m ai patch the L inu x o p eratin g s y s te m ， a nd fin a lly bu ild a in tero p era
bility testin g p la tfo rm ，the ex pe rim en ta l resu lts show th a t th e E the rC A T m a ste r c o n troller h as sta n d a rd p ro to
c o l s co m p a tib ility ，h ig h re a l-tim e pe rfo rm anc e an d stab ility.
K e y w o r d s : E th e rC A T m a s te r ; F P G A & A R M
〇 引言
实时工业以太网技术是在常规以太网技术上发展
起来 的 ，由 于传统 以太网采用CSMA/⑶ 机 制 ，应用于
工业自动化控制系统时会产生实时性和稳定性问
题 [1_3]。因此 ，在传统以太网的通信模型基础之上进行
修改来 实 现强实时 性和稳 定性的工业以太 网，如 E th-
erC A T 'S E R C O S 等协议[4-]，不仅能够实现大数据量的
高带宽传输，而且可以方便接人以太网网段，实现以太
网直达现场级控制设备[6-]。
E th e rC A T 由于其具有较为优良的性能而广泛应
用于各类自动化控制系统当中。E th e rC A T 主站的实
现大部分基于普通的网卡设备，利用系统软件的实时
性 来 保 证 E th e rC A T 主站的实时性，可以实现微秒级别
的实时性;其 次 ，主站也 可 以 利 用 专用 硬 件 来 实现 ，利
用硬 件的实时特性可 以达到 纳秒级别的实时 性，同时
具有较高的稳定性[8-]。
本 文 针 对 实 时 工 业 以 太 网 E th e rC A T 主站的实现
进行了深人的研究，并设计和实现了基于嵌人式ARM
处理 器 外 挂 主 站 专 用 硬 件 F P G A 的软硬 件 实 现 方 案 ，
解决了 E th e r C A T 主站 控 制器所要求 的 协 议兼容一致
性 、强实时性和高的稳定性等技术问题。
1 EtherC A T 主 站 控制 系统
1.1 E t h e r C A T 控制系统
将 E th e rC A T 协议应 用于工业自动化控制系统当
中 ，其 控 制系 统 结 构 如图 1 所 示 。E th e r C A T 工业以太
网的控制系统属于一主多从的控制体系架构[10]，其中
主站 属于整个网络控制系统 的核心，用来调度整个网
络的数据通信;而 从 站 作为 E th e rC A T 控制系统的执行
收 稿 日 期 :2015 -07 -10
! 基 金 项 目 ：国家自然科学基金(51475185);"髙档数控机床与基础制造装备"科技重大专项(2013ZX04007 -021)
作 者 简 介 :徐健（1992—），男，江西宜春人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为数控技术、现场总线及网络，（E - mail)Xujian0935@163.C〇ml
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