摘 要： EtherCAT是工業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控制系統國產化研發的重要基礎。基于EtherCAT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關鍵通信節點的FPGA狀態機，并通過解析各階段數據狀態變化，驗證了各節點通信數據的正確性。實驗結果表明，基于上述狀態機的FPGA實現EtherCAT從站基本通信鏈路是完全可行的。

0 引言

EtherCAT是由BECKHOFF提出的在工業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安全性更是無從談起。隨著工業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的運行引入一定安全風險。為了實現對控制系統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顯得非常必要，同時也是采用自主安全機制提升通信系統安全能力的重要前提。

基本通信鏈路是實現收發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，設計關鍵通信節點的FPGA狀態機，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。

1 EtherCAT從站控制器框架

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將數據幀發送。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模塊將數據幀發送。以下分別介紹上述各模塊的實現過程。

2 各模塊實現邏輯

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。