基于以太网的嵌入式软PLC通信体系设计.pdf

第 1 期 总第 1 8 2期 2 0 1 4年 0 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON No． 1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 3 4 0 3 基于 以太 网的嵌入式软 P L C通信体 系设计 庞 伟 ，龙 辛 ，黄 波。 1 ．湘潭大学 信息 工程 学院 电 气工 程 系，湖 南 湘 潭4 1 1 1 0 5 ；2 ． 湘 电风 能有 限公 司 ．湖 南 湘潭 4 l l 1 0 5 ；3 ．长沙优利 泰克 自动化信息技术有 限公 司，湖南 长沙4 1 0 0 0 0 摘 要采用 F P G A 和 W5 1 0 0芯片搭建 了嵌入 武软 P L C网络系统，主控 制核 心模 块采 用 了 P o we r P C和 F P GA 的主从处理器模 式．实现 了数据 的分 工处理 ，克服 了以往单 C P U 工作 时系统 资源 占用率过高 的 问题 。在此 开放 式硬件平 台下．设计 了基 于时间片轮询 的稳定可 靠分 时数据通信 系统 ；为 了适应具有不 同网络 协议 设备 的控制需求。系统 内部集成 了 C AN o p e n 、Mo d b u s ／ T C P等协议 。最 后。对通信 系统进 行 了相 关测试 。实验 结果表 明，系统 通信 正常。且 具有很好 的实时性和稳 定性 。 关键词 以太网；软 P 1 C ；通信 体系 中图分 类号 TP 2 7 3 文献标 识码 A 0 引言 目前 国 内 软 P L C 市 场 上 ， 大 部 分 都 是 基 于 E t h e r C AT 协议 实现 的通讯 系统 ， 其 价格 昂贵 ， 且 在协 议使用上还需要得到 b e c k h o f f 公司的授权。本 文设 计的基于以太网的嵌入式软 P L C通信 系统 ， 在硬件上 采 用 了 F P GA 和 w5 1 0 0的形 式 ， 结 构 简单 且 易 于 实 现 ； 在通信协议上采用了 UD P协议 ， 用户通 过 P C机 网络即可对软 P L C系统进行 仿真、 控制等操 作， 系统 开放性很好 ； 同时实现了工业控制领域常见 的通信协 议， 系统级联拓展能力更加强大。 1 软 P L C系统 设计 与实 现 在 整个 系统 平 台设 计 过 程 中 ， 遵 循 了模 块 化 的设 计 理 念 。如 图 l所 示 ， 整个 系统 包 含 主控 模 块 和 I ／ O 模块两类 ， 所有模块都是在网络数据模块 D M／ D S 的 基 础上 拓展 实现 ， 其 中 D S D a t a S l a v e r 位 于 I ／ O 模 块 上 ， 而 DM Da t a Ma s t e r 位 于 主 控 模 块 上 ， 其 主 要 由 F P GA 最小 系统 和 网络芯 片 W5 1 0 0构 成 ， 同时 拓展 了 用于系统调 试作用 的串 口和 固化 F P GA程序 的 S P I FI ASH 。 1 ． 1 系统硬件 平 台设计 在具体的硬件平台设计过程中， F P GA和 W5 1 0 0 之 间 由外 设 控 制 器 XP S E P C 软 核 连 接 ， 通 过 配 置 XPS E P C相关 的参数 ， F P GA可 以访 问 W 5 1 0 0芯 片 。 图 2为 X P S E P C核与 W5 i 0 0的整体连接结构图。 将 XP S E P C核 添加 到 系统 中， 并 连接 在 P L B总 线上 ， 同时在 I S E中配置 XP S E P C的起始访 问地址 为 0 x 8 0 8 0 0 0 0 0 ， 最 大访 问 空间 为 6 4 k B。 匦 圈 D M ／ D S 厂] I串 臼 l I ．．．．．．．．．． l l 厂 、 l l J 图 1 软 P L C系统模块设计框图 E P c 核 P R H c 1 k ． _ J S y s c l k W 5 1 0 0 P R H W r n ／ w R P R H R r“ ／ R D R P H Ad d r A D D RO A D DR1 P R H D at a D A T AO - D A T A7 P R H C s I 1 ／ c s P R H R D Y “ - 1 V d d 图 2 XP S _ EP C核 与 W 5 1 0 0的 整 体 连 接 结 构 1 ． 2 内部数据 交互协议 设 计 在基于全网络的系统 架构下 ， 其数据交互都是 通 过网络进行。数据交互框 图如图 3所示 ， 整个系统采 用 B ／ S的通信架构模式 ， C P U 作为 系统 服务端， I ／ O 模块作为客户端， 通信协议采用 UI P的形式。为了 方 便F P GA 上 服 务 程 序 的 实 现，系 统 集 成 了 Mi c r o B l a z e 软 核 ， 编码环 境 与 C语 言一致 。 在 C P U 模 块 上 ， 系 统 采 用 了 主 协 处 理 器 的 架 构 模式。协处理器负责数据的收发； 主处理器负责对数 据进行加工处理 ， 供软 P I C控制 系统读取。为了方便 收稿 口期2 0 l 3 0 4 2 8 ；修 回 日期 2 0 1 3 0 6 2 8 作者简 介；庞伟 1 9 8 8 一 ，男 ．湖南韶山人，在 凑硕 上研究生 ，研究方向新 能源发 电系统 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 1 期 庞伟 ， 等 基 于以太网的嵌入 式软 P L C通信体 系设计 3 5 主协处理器间的数据交互 ， 系统 在协处理器上开辟 了 1 6 k B的共享数据 区， 其按一定 的格式将 I ／ O模块 相 关数据映射到该空间。 D M D S 共 I ／ O 存 享 涠 皿 I ．．．．．．． 区 主处理器 且 数 I．．．．．． 储 C P U 据 区 协 处理器 i ／ o 模块 图 3数 据 交 互 框 图 I ／ O模块为整个 硬件平 台重要的组成部分 ， 主要 负责信号的输入输 出。根据本课题设计 的网络构架， 每个 I ／ O模块都有独立 的 C P U 为其服务。I ／ O模块 定义了两 种不 同 的工作模 式 I NI T模 式 初 始化 模 式 、 w0 RKI NG模式 正常工作模式 。上电后 ， 模块 进入初始化状态 ， 该状态下模块完成 自身硬件和软件 的初始化操作 ， 初始化后模块将 以 1 S为周期 向 C P U 模块发送配置请求数据包直到模块配置完成 。配置完 成且无硬件报错 的情况下系统 进入正常工作状态， 模 块 以 5 0 I l l S的频 率 处 理 I ／ O数 据 ， 同 时 以 1 S的频 率 上报心跳报文 ， 告诉主控模块 自身的状态信息等。 通讯包头信息 中包含时间戳、 通讯包类型、 数据长 度等字段 ， 用于在发送 或接收该模块数据时判断包 的 类型从而作出不同的处理。模块信息 区主要保存了模 块 I D号及站 I D号两个数据 ， 可以唯一确定一个模块。 用户在进行通道数据交互时首先判断数据区的数据属 于哪个特定的模块 ， 通过模块 I D及站 I D即可计算 出 数据保存 的偏移 地址。通信包 头 以及模 块信息 区数 据结 构 如 结 构 体 J B L TP HC OMM HE AD 和 J B L TP H DATA AS K MS G所示 t y p e d e f s t r u c t／*通讯包头信息 *／ { i n t v e r i f y l D ／ ／ 校验字 i n t TS t a mp t ／ ／ 时间戳 ms u n s i g n e d s h o r t I n t e r v a l ； ／ ／ 时 间间隔 u n s i g n e d s h o r t TYP E； ／ ／ 包类型 i n t C NT； ／ ／ 发送计数 } J B L TP H C OM M HEA D ／*模块信息 区域 *／ t y p e d e f s t r u c t { c h a r S t a t i o n l Dt ／ ／ 底板号 c h a r Mo d u l e l Dt ／ ／ 模块 号 u n s ig n e d s h o r t D a t a L e n ； ／ ／ 数据长度 u n s i g ne d i n t t e mpt } J BLTPH DATAAS K MS G； 在实际设计过程 中， 所有报 文都通过定时器进行 发送。假如心跳报文以 2 O ms的频率发送 ， 而数据报 文以 1 0 ms的频率发送 ， 那么存在 同一时刻需要发送 两个报文的情况 ， 为了精确系统的发送节拍 ， 参考分时 操作‘ 系统的工作原理 ， 提 出了一种基于时间片轮询的 通信协议 ， 其主要原理是错开每一种报文的起始时间 和通信 时间间隔这两个参数。其具体的代码实现如下 所 示 i f t i m∞ l i c e一 1 1 0 0 0 0 一 一 O { 配置信息请求包 、 周期 1 S } i f t i m e s l i e e -- 3 5 0 0 一 O 数据 包发送处 理 5 0 ms 1 i f t i me s l i e e --4 1 0 一 0 数据包接收处 理 1 ms } 2外部 通信 协议 设计 2 ． 1 CANo p e n协 议 本 文设 计 的 C ANo p e n主 站 采 用 实 时 操 作 系 统 Vx wo r k s ， 主控 采用 MP C 8 2 8 O处理 器 ， C AN 控制 器选 用 了飞利浦公 司生产的 S J A1 0 0 0芯片， 同时集成 了基 于 C o De S y s 内核的软 P L C系统 。C o De S y s内核作为 应用广泛的软 P L C系统， 其内部集成 了 C ANo p e n功 能， 用户 只需要 遵照其 开发流程 即可实现 C AN o p e n 的相应 功 能 。C ANo p e n主 站 软件 结 构 层 次 图 如 图 4 所示， 其软件结构分为 4部分 应用开发层 、 系统层、 中 间层和 硬件 层 。 应用 C o D e S y s 开发环境 开发层 开发 接口库 C o De S y s R TK C ro p S J A C a n D r v 组 件实现 TC A N o p e n 主站 系统层 中间接 口库 中间层 硬件驱 动层 硬件层 S J A 1 0 0 0 芯 片 图 4 CANo p e n主 站 软 件 结 构 层 次 图 2 ． 2 I P CAN 协 议 为了实现现场 C AN设备对于网络系统的接入需 求 ， 本文提出了一种 I P C AN转换协议 ， 即网络数据 和 C AN数据 的 自由转换协议 。在 C AN成功接收到 一 帧数据后 ， 分离出数据部分 ， 然后对数据打包成以太 网协议栈格 式， 发送 到以太网。E t h e r n e t 到 c AN 的 数据转换过程正好与 C AN到 E t h e r n e t 的数据转换过 程相 反 。 2 ． 3 Mo d b u s ／ TCP协议 本 文 参 考F r e e mo d b u s 开 源 协 议 ，对 其 在 Vx wo r k s 嵌人式操作 系统上进行 了移植 。Mo d b u s ／ T C P主要 处 理 流程 如下 协议 栈 首 先 进 行 初 始 化 ， 包 括通信端 口等 ； 然后创建系统运行相关任务， 包括客户 端连接管理任务和客户端请求管理任务 ； 在客户端连 接管理任务 中， 其 主要是监听端 口上 的 T C P连接请 求 ， 并对客户端 l P地址合法性进行判定 ， 对合法 I P将 其加入客户端 I P地址表中， 供客户端数据请求管理任 务进行查询 ； 在客户端数据请求管理任务中， 系统不断 地查询客户端 I P地址表， 如有数据则调用客户端数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 1期 读取函数并进行初步解析， 判定是否为 Mo d b u s ／ T C P 报文 ， 如果 为正确报文 ， 系统将 根据功能码查表调用 Mo d b u s的处理函数 ， 生成相应的响应报文 ， 然后通过 报文发送 函数返 回给客户端。 为了满足客户使 用需求， 系统增加 了配置文件。 用户只需要通过修改配置选项即可更改系统参数。如 下所示为配置具体内容 [ MB US TC P ] Mo db u s Pr o t o c o l ” M ODBUS TCP’ ’ TCPP or t 一 5 0 3 Al l o wl P1 1 0 ． 1 2 8 ． 1 0 ． 1 Al l o wl P2 1 0 ． 1 2 8 ． 5 ． 1 Al l o wl P3 1 0 ． 1 2 8 ． 9 ． 1 3实验 验证 为了测试网络数据交互协议的正确性 ， 设计了实 验装置， 如图 5所示。在同一底板上插有 C P U主控模 块、 D I O模块、 电源和 网络模块 。整个 系统通过 电源 和网络 模块 的网 口连接 至 P C机端 ， 在 P C端 通 过 E t h e r e a l 网络抓包软件 ， 获取整个系统 的运行数据包 分析， 同时通过 T e l n e t 工具打印系统相关信息以供分 析 。 通信过程中的网络数据包都是定长 发送的， 由分 高网络传输的效率， 进行 了不定长数据发送实验。对 I 通信时间 s I U D P包数 B y t e I 字节数 I 平均每秒字节数 定长l 5 0 ． 1 3 2 l 8 9 0 l 9 ,1 3 4 0 f 1 8 7 9 ． 2 8 2 不定 长 I 4 0 ． 7 8 7 f 7 2 5 I 6 6 7 4 8 I 1 6 3 6 ． 5 0 7 协议进行的， 根据标准可知 ， UD P 用户数 据包协议 的包头有 4 2字节 ， 比心跳 和数据包都大 ， 相 当于每传 输一个有效数据 ， 需要 1 ～2倍所需带宽。而在 MAC 层通信协议下 ， 其包头只有 l 4字节， 大大节约 了通信 带宽的占用率。 不 同通讯协议下不同字长报文的有效信息率见表 2 。由表 2可知 ， 如果 采 用 MA C通 信协 议， 能增 加 2 O 以上的有效信息率， 同时能缩短在协议层 的处理 时 间 。 表 2 不 同通信协 议下的不 同宇长报 文的有效信息率 有效 信息 字节数 UDP通信有效信息率 MAC通信 有效信息率 By t e 2 4 心跳包 3 7 ． 5 6 0 4 0 数据包 4 8 ． 9 7 4 ． 1 6 4 配置包 6 0 ． 4 8 2 ． 1 4结论 通过测试 ， 基 于网络架构 的软 P L C系统通 信正 常， 模块都能进行正确的响应 ； 拓展的各外部通信也符 合标准要求 ， 能与相应设 备稳定通信。下一步将进一 步优化通信机制 ， 完善错误处理机制 ， 使系统稳定性更 高 。 参考文献 [ 1 ] Y e Y i n ， Wa n g J i n ． R e s e a r c h a n d I mp l e me n t a t i o n o f E mb e d d e d S o f t P L C s y s t e mi C] ／ ／2 0 1 2 F i f t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Ne t wo r k s a n d I n t e l l i g e n t S y s t e ms ． [ s ． L ] I- s ． n ． ] ， 2 0 1 2 1 1 6 1 6 9 ． 滕 新 强． 基 于 C A N 总 线 的风 力 发 电机 控 制 器 的 研 究 [ D ] ． 沈 阳 沈阳工业大学 ． 2 0 0 8 5 - 1 0 ． 胡应洪． 基 于 F P GA数 据通信 接 口的设 计与实现 [ J ] ． 科 技资讯 ， 2 0 1 l 8 2 3 - 2 4 ． 于春雪． S TM3 2 F 1 0 3的高速以太 网接 口设 计[ J ] ． 单片机 与嵌 入式系统应用 ， 2 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r o l roo d u l e u s e s t h e ma s t e r - s l a v e p r o c e s s o r mo d e o f Po we r P C a n d FP GA，t O r e a l i z e t h e d i v i s i o n o f d a t a p r o c e s s i n g ．On t h e o p e n h a r d wa r e p l a t f o r m ，a s t a b l e a n d r e l i a b l e t i me - s h a r i n g d a t a c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d ． I n o r d e r t O me e t t h e r e q u i r e me n t s o f d i f f e r e n t n e t wo r k p r o t o c o l s o f c o n t r o l e q u i p me n t ．t h e s y s t e m i n t e g r a t e s CANo p e n a n d Mo d b u s ／ TCl p r o t o c o l s ． Fi n a l l y ．t h e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s t e s t e d ．Ti l e e x p e r i me n t a 1 r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mmu n i c a t i o n s s y s t e m i s O f g o o d s t a b i l i t y ． Ke y wo r d sEt h e r n e t ；s of t - PI C；c ommun i c a t i o n s ys t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m