SOEM 库实现 EtherCAT 主站技术细节

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mb675f976f44e67 2024-12-16 11:59:03 ©著作权

文章标签 从站初始化数据 文章分类 物联网

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一、硬件准备

STM32H743微控制器：

STM32H743是一款高性能的微控制器，具有丰富的外设和高处理能力，适合作为EtherCAT主站的控制器。它拥有足够的内存和处理速度，能够处理EtherCAT的实时通信需求。
需要确保其外部时钟源稳定，以保证系统时钟的准确性。

以太网外设：

STM32H743通常具有以太网MAC外设，需要使用外部的以太网PHY芯片（如LAN8742A）来实现物理层的连接。确保PHY芯片与STM32H743的引脚连接正确，包括MII/RMII接口的引脚连接，以及MDIO和MDC引脚用于管理PHY芯片。

电源和复位电路：

为STM32H743提供稳定的电源，同时需要考虑电源滤波和去耦电容，以减少电源噪声对以太网通信的干扰。复位电路应确保微控制器正常复位启动。

二、软件环境搭建

（一）开发工具链

IDE选择：

可以使用Keil uVision、STM32CubeIDE或IAR Embedded Workbench等开发环境。这些工具提供了良好的代码编辑、编译、调试功能，并且支持STM32H743的开发。

SOEM库集成：

下载SOEM库的源代码，可以从其官方GitHub仓库获取。
将SOEM库添加到你的项目中，需要设置正确的包含路径和库路径，以便编译器能够找到相关的头文件和库文件。

（二）STM32 HAL库

初始化以太网MAC和DMA：

使用STM32的HAL库初始化以太网MAC和DMA控制器。以下是一个简单的代码示例（使用STM32CubeIDE生成的代码框架）：

#include "stm32h7xx_hal.h"
#include "stm32h7xx_hal_eth.h"

ETH_HandleTypeDef heth;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ETH_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_ETH_Init();

  // 启动以太网
  if (HAL_ETH_Start(&heth)!= HAL_OK)
  {
    // 处理启动错误
  }

  // 使能以太网中断
  HAL_NVIC_SetPriority(ETH_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(ETH_IRQn);

  while (1)
  {
    // 主循环代码
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  // 配置系统时钟源，例如使用HSE和PLL
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  // 配置PLL等参数
  //...

  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct)!= HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  // 配置系统时钟分频等
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                          |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  // 配置时钟分频
  //...

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4)!= HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  // 配置以太网相关的GPIO引脚，例如RMII接口引脚
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

  // 配置引脚模式等
  //...
}

static void MX_ETH_Init(void)
{
  heth.Instance = ETH;
  heth.Init.AutoNegotiation = ETH_AUTONEGOTIATION_ENABLE;
  heth.Init.PhyAddress = LAN8742A_PHY_ADDRESS;
  heth.Init.MACAddr[0] = 0x00;
  heth.Init.MACAddr[1] = 0x11;
  heth.Init.MACAddr[2] = 0x22;
  heth.Init.MACAddr[3] = 0x33;
  heth.Init.MACAddr[4] = 0x44;
  heth.Init.MACAddr[5] = 0x55;
  heth.Init.RxMode = ETH_RXPOLLING_MODE;
  heth.Init.ChecksumMode = ETH_CHECKSUM_BY_HARDWARE;
  heth.Init.MediaInterface = ETH_MEDIA_INTERFACE_RMII;

  if (HAL_ETH_Init(&heth)!= HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

代码解释：

SystemClock_Config 函数用于配置系统时钟，确保系统时钟稳定和满足以太网通信所需的频率。
MX_GPIO_Init 函数配置以太网相关的GPIO引脚，例如RMII接口的引脚。
MX_ETH_Init 函数初始化以太网MAC和相关参数，包括MAC地址、自动协商、校验和模式等。

（三）SOEM库的配置和使用

初始化EtherCAT主站：

在主函数中，调用 ec_init 函数初始化EtherCAT主站。需要指定以太网接口名称，例如：

#include "soem.h"

int main(void)
{
  // 上述STM32 HAL库的初始化代码

  // 初始化EtherCAT主站
  if (ec_init("eth0")!= 0)
  {
    Error_Handler();
  }
}

代码解释：

ec_init 函数会进行EtherCAT主站的初始化，包括初始化网络接口和一些内部数据结构。

配置EtherCAT从站：

使用 ec_config_init 函数查找和配置EtherCAT从站。如果找到从站，可以使用 ec_config_map 函数映射从站的I/O：

if (ec_config_init(0) > 0)
{
  ec_config_map(&IOmap);
  ec_print_slaveconfig();
}
else
{
  Error_Handler();
}

代码解释：

ec_config_init(0) 函数尝试查找并初始化EtherCAT从站，返回找到的从站数量。
ec_config_map(&IOmap) 函数将从站的I/O映射到内存中，IOmap 是一个全局数组，用于存储映射数据。
ec_print_slaveconfig() 函数可以打印从站的配置信息，用于调试和确认从站信息。

状态机控制：

使用状态机来控制从站的状态转换，从初始化状态到预操作、安全操作和操作状态：

enum ecat_states {
  ECAT_STATE_INIT,
  ECAT_STATE_PREOP,
  ECAT_STATE_SAFEOP,
  ECAT_STATE_OP
};
enum ecat_states ecat_state = ECAT_STATE_INIT;

while (1)
{
  switch (ecat_state)
  {
    case ECAT_STATE_INIT:
      ec_slave[0].state = EC_STATE_PRE_OP;
      ec_writestate(0);
      ecat_state = ECAT_STATE_PREOP;
      break;
    case ECAT_STATE_PREOP:
      ec_statecheck(0, EC_STATE_PRE_OP, EC_TIMEOUTSTATE);
      if (ec_slave[0].state == EC_STATE_PRE_OP)
      {
        ec_slave[0].state = EC_STATE_SAFE_OP;
        ec_writestate(0);
        ecat_state = ECAT_STATE_SAFEOP;
      }
      break;
    case ECAT_STATE_SAFEOP:
      ec_statecheck(0, EC_STATE_SAFE_OP, EC_STATE_SAFE_OP);
      if (ec_slave[0].state == EC_STATE_SAFE_OP)
      {
        ec_slave[0].state = EC_STATE_OPERATIONAL;
        ec_writestate(0);
        ecat_state = ECAT_STATE_OP;
      }
      break;
    case ECAT_STATE_OP:
      // 在操作状态下，进行数据交换和处理
      ec_send_processdata();
      ec_receive_processdata(EC_TIMEOUTRET);
      // 处理接收到的数据
      //...
      break;
    default:
      break;
  }

  ec_master();
  HAL_Delay(1);
}

代码解释：

ec_writestate 函数用于设置从站的状态。
ec_statecheck 函数检查从站是否达到指定的状态，EC_TIMEOUTSTATE 是超时参数。
ec_send_processdata 函数发送过程数据，ec_receive_processdata 函数接收过程数据。

数据处理：

在操作状态下，可以处理过程数据对象（PDO），例如读取和写入数据：

case ECAT_STATE_OP:
  ec_send_processdata();
  ec_receive_processdata(EC_TIMEOUTRET);
  if (wkc >= expectedWKC)
  {
    // 读取输入数据
    uint16_t input_data = EC_READ_U16(IOmap + 0x00);
    // 写入输出数据
    EC_WRITE_U16(IOmap + 0x02, input_data + 1);
  }
  break;

代码解释：

EC_READ_U16 和 EC_WRITE_U16 是SOEM库的宏，用于从映射的I/O内存中读取和写入16位数据。

三、中断处理

以太网中断：

配置以太网中断处理函数，以处理以太网数据接收和发送中断：

void ETH_IRQHandler(void)
{
  HAL_ETH_IRQHandler(&heth);
}

代码解释：

HAL_ETH_IRQHandler 函数是STM32 HAL库提供的以太网中断处理函数，它会处理接收和发送中断，并调用相应的回调函数。

四、调试和测试

（一）打印信息

使用 printf 或其他调试手段打印重要信息，例如从站的配置信息、状态信息和数据交换信息：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
  // 初始化代码

  // 重定向printf到串口或其他调试接口
  // 例如使用UART输出
  //...

  // 打印从站信息
  ec_print_slaveconfig();

  while (1)
  {
    // 主循环代码
  }
}

代码解释：

可以使用UART将调试信息输出到计算机，通过串口助手查看信息，以便调试和确认系统的运行状态。

（二）使用调试工具

使用J-Link或ST-Link调试器进行在线调试，观察变量的值、程序的执行流程和调用堆栈，帮助定位和解决问题。

五、性能优化和扩展

（一）性能优化

提高时钟频率：

调整系统时钟频率，在满足系统稳定性的前提下，提高以太网通信的速度。

优化代码结构：

避免在主循环中进行复杂和耗时的操作，确保EtherCAT主站的实时性。

使用DMA：

确保以太网的接收和发送使用DMA，提高数据传输效率，减少CPU的占用。

（二）功能扩展

添加更多从站：

根据实际需求，配置和管理更多的EtherCAT从站，扩展系统的规模。

实现更多EtherCAT服务：

除了基本的PDO数据交换，实现SDO服务，用于配置从站的参数，使用 ec_SDOwrite 和 ec_SDOread 等函数。

分布式时钟同步：

实现分布式时钟同步功能，确保从站之间的精确同步，使用 ec_configdc 和 ec_dcsync0 等函数。

六、注意事项

内存管理：

确保有足够的内存来存储从站的映射数据和EtherCAT协议栈所需的数据，避免内存溢出。

中断优先级：

合理设置以太网中断的优先级，避免中断嵌套和优先级反转问题，确保数据的及时处理。

网络拓扑：

注意EtherCAT网络的拓扑结构，确保网络连接的正确性和稳定性，避免信号反射和干扰。

在STM32H743微控制器上使用SOEM库实现EtherCAT主站功能需要综合考虑硬件连接、软件环境搭建、代码开发和调试等多个方面。通过仔细的配置和开发，可以实现一个功能强大的EtherCAT主站，用于工业控制、自动化设备等应用。在开发过程中，要充分利用SOEM库的功能，同时结合STM32H743的硬件优势，不断优化性能和扩展功能，以满足实际应用的需求。