【技术大神】基于专用通信SoC芯片如何实现网关通信

时间： 2017-03-01 来源：技术大神活动文章

EC-1是瑞萨2016年面向工业自动化领域推出的SoC芯片。该芯片基于ARM Cortex-R4@150MHz的CPU，片内集成544KBytes高速耦合内存。该芯片还集成了EtherCAT从站控制器，可以实现工业网络通信。

EC-1除了支持大约60个输入输出口，还有SPI，SCIF、CAN等丰富的外围电路。因为该芯片同时集成有EtherCAT从站控制器和CAN接口，正好可以利用这两个模块实现CANopen转EtherCAT通信的网关。使得旧的CANopen子设备可以通过它接入EtherCAT网络，如下图所示。

1）硬件配置
从上图可以看到，该网关设备主要承担从CANopen到EtherCAT通信协议的转换，它在EtherCAT主网是一个从站设备，而在CANopen子网中充当主站角色，还需要对CANopen子网络进行管理，因此需要支持NMT、PDO、SYNC命令等。

EC-1完全可以胜任上述对网关的要求。如下图所示，即为使用EC-1的网关应用框图，两个RJ45端子用于接入EtherCAT网络，CAN端口用于接入CANopen子网络。

瑞萨电子公司基于EC-1芯片，制作了一个EC-1的评估板。该评估板有两个支持EtherCAT的RJ45网络接口和一个CAN接口，可以实现该网关应用的硬件测试平台，如下图所示。

其中图示CN5即为CAN通信端子，接口定义如下：

2）软件配置
因同时要支持EtherCAT通信和CANopen通信，软件框架如下图所示：

3）功能解析
驱动
瑞萨电子针对上述的评估板，提供一个EC-1芯片的软件BSP。该BSP包含了EtherCAT、CAN、定时器、串口等各种外设的驱动程序，用户只需使用相应的API函数调用即可使用。

CANOPEN主站功能
CANOpen是一种基于CAN总线的应用层协议。它支持网络管理、设备监控及节点间的通信。一般CANopen协议通用主站需要做的工作有，对从站节点的管理、从站节点配置文件解析并管理、服务数据对象SDO、过程数据对象PDO、同步信号管理等功能。

这里因为只是作为网关，不需要对具体的数据对象进行解析，因此也无需解析管理节点的配置文件。主要的工作是监控节点状态和间接管理节点，而过程数据帧和服务数据帧只需由网关应用程序重新打包并转收发给EtherCAT主站。

如果需要简化网关的功能，也可以省略节点状态管理和节点保护或者节点心跳管理等功能，把这部分的工作完全交给EtherCAT主站去做，这样网关仅起着数据包透传的作用，EtherCAT的通信数据量也会相应增加，也需要EtherCAT主站支持。

对于CANopen协议栈源码，网上可以找到很多的资源，如CanFestival 。CanFestival是一个开源的CANopen框架，遵守CiA DS-301（V4.02）标准，用户在移植时需要遵循LGPL协议。CanFestival源代码由ANSI-C编写，能够运行于多种类型的硬件平台。源代码分为四大部分：目标接口、CAN接口、CanFestival库文件和主/从节点应用，移植起来非常方便。

ETHERCAT从站功能
EC-1集成了EtherCAT的标准从站控制器，因此该网关的EtherCAT协议栈也可以使用EtherCAT Slave Stack Code工具（简称SSC）自动生成，然后在其基础上根据需要进行修改。

网关因需要转收发EtherCAT的数据帧，需要对CANopen数据包进行重新封装，因此在EtherCAT的PDO过程数据中，针对封装需要定义一个新的数据结构，如下表所示可以作为参考，在RxPDO和TxPDO的过程数据中都添加类似如下数据结构的对象字典。这样EtherCAT主站收到如下的过程数据后，知道是来自哪个CAN节点的；或者主站发到该网关，网关也知道把该数据发给哪个CAN节点。

应用程序功能
在网关应用里，主要功能是对两侧网络收到的数据包进行解析，并根据需求进行转发。

对收到的EtherCAT过程数据的COB部分进行解析。COB在CANOpen里面表示CAN-ID，它由11位数组成，包含4位的功能码和7位的节点ID。如下表所示是CANOpen支持的命令对象的功能码，因此从COB的4位功能码可以判断当前数据包的数据对象类型。比如，若是NMT命令，需要更新网关管理的节点状态，同时把该数据包转发给相应的节点；若收到的是PDO或者SDO，转成CAN命令直接发送出去即可。

对收到的CAN数据包进行解析，如果是节点保护或者心跳命令（功能码：1110），网关自己可以管理，无需发给EtherCAT；对于PDO或者SDO命令等直接转发给EtherCAT主站。正如前面3.2小节描述的，网关也可以省略对CAN网络里的节点管理的一些管理功能，只是起着数据透传的作用，把所有收到的CAN数据帧直接转发给EtherCAT主站。

对于同步信号管理，因为EtherCAT支持DC同步功能，因此网关也可以根据EtherCAT网络的SYNC同步信号（网关收到DC同步信号可以产生中断处理）发送SYNC同步数据包（功能码：0010）给CANopen所有节点，以保证该网关下面的所有CANopen节点以及EtherCAT网络上的其它从站的过程数据同步。

作者：陈绪典

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serena Lv7. 资深专家 2019-07-01

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