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    1.1 netX基本結構

    netX網絡控制器是赫優訊（Hilscher）公司推出的新一代工業網絡控制芯片，目前具有netX500、netX100、netX50三種型號，是一種高度集成的網絡控制器，它具有全新的系統優化結構，適合工業通訊和大規模的數據吞吐。支持目前所有主流的實時以太網和現場總線系統： PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink、SERCOS III、Open Modbus on TCP/IP、AS-Interface、Interbus、CC-Link、CANopen、DeviceNet、Profibus等協議。

    netX 500的結構如圖1所示。netX 500/100以32位ARM 926EJ-S為CPU核，主頻200MHz，片上集成144KB SRAM、裝有引導程序和實時內核的32KB ROM，通過Memory控制器可以外擴SDRAM、SRAM或FLASH，通過雙端口內存DPM接口還可以連接到主機系統。netX包含豐富的外設功能：如UART，USB，SPI，I2C以及集成的顯示控制器，可以滿足廣泛的應用需求。此外，netX采用中央數據交換（Data Switch），它連接著各個功能單元，允許同時在不同的主從端口之間通信，同時可以防止它們在傳輸數據時相互阻塞。netX最大的亮點在于具有可以自由定義4個智能通訊口，可以配置為現場總線或實時以太網通道。因此，netX是名副其實的“高端”網絡控制器。

圖1 netX 500結構框圖

    1.2 netX基本功能

    netX 500網絡控制器內部集成ARM 926的CPU核，因此可以做為一個單片系統，所有的應用都可以在netX上實現。其次，netX具有雙端口內存DPM接口，也可以再外接一個CPU，實現雙核系統： CPU負責處理應用程序，netX專門實現網絡通訊。
      netX500最大的特點就是具有可配置的4個通信通道，它們建立在兩層結構上，而且相互等同。它們具有專門的ALU，并且有特殊的邏輯單元，通過Microcode來實現各協議的基本功能。xMAC（Medium-Access-Controller）分別按照各自的總線存取進程，發送和接收數據，加密或者將它們轉化為字節方式。xPEC（Protocol Execution Controller）負責編譯，并將數據打包，管理報文通訊。當數據量大時，可通過DMA通道進行數據交換。而且，每個通道有一個雙端口內存DPM，可用于保存狀態信息或本地數據。

    其中，前兩個通道集成PHY，可直接用于以太網的連接。并且內部已經集成了各種實時以太網協議所需的ASIC硬件資源，如Hub、Switch、IEEE1588等，如圖2所示。

 

圖2 實時以太網通道結構圖

    2 實時以太網設備的設計

    在該從站設備中，使用的是德國赫優訊（Hilscher）自動化系統有限公司的嵌入式模塊comX-CA-RE，模塊內部已經集成專用的ASIC芯片和固化程序Firmware，由該模塊實現實時以太網協議，主機CPU通過嵌入式模塊提供的雙端口內存（Dual-Port Memory，DPM）接口與模塊進行數據通信，用戶不需要關心協議的具體實現，只需往DPM接口讀/寫數據就可以，因此，該模塊就像一個內存，使用起來特別方便。該模塊的另一個特點是，同一個硬件模塊上就能支持各種不同實時以太網協議：Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP、SERCOS III、Powerlink和Modbus TCP，并且還支持主站或從站，只需下載不同的協議堆棧Firmware。因此，減少了硬件開發成本，只需在軟件上更改相關協議的API，這大大的保護了投資，減少了開發的再投入成本。

    2.1 硬件設計

    嵌入式模塊comX-CA-RE提供給用戶的硬件接口只有X1一個排針連接頭（50根管腳），即雙端口內存接口，該連接頭包含了與主機通信必備的控制線、16位數據總線和14位地址總線。

    由于該模塊已經集成實現實時以太網接口的所有必備電路，因此在外圍電路設計的時候非常簡單方便，其電路連接與MCU和內存的連接相似。實時以太網協議都由模塊內部實現，用戶應用程序只需通過提供的API接口和訪問方式，對雙端口內存進行讀/寫操作。嵌入式模塊comX與主機接口電路如圖3所示。在該設備中，同時還設計了IO、AD采集電路，DA輸出電路，以及其它的外設接口電路。

圖3 嵌入式模塊與主機接口電路

    2.2 軟件設計

    嵌入式模塊comX提供的主機接口是雙端口內存DPM，用戶應用程序通過DPM接口來訪問該模塊。同時，為了提高整個系統的實時性和可靠性，主機系統使用的是實時多任務操作系統Linux。因此，在進行軟件設計時，主要完成驅動程序以及應用程序的編寫。

    2.2.1 雙端口內存DPM結構

    用戶應用程序通過雙端口內存DPM來訪問實時以太網嵌入式模塊comX，嵌入式模塊comX提供的雙端口內存DPM接口是16 KByte的地址空間，其具體結構如圖4所示。

圖4 雙端口內存地址空間

    netX提供的雙端口內存最大地址空間是64KByte，分為系統通道、握手通道、通訊通道0～3、應用通道0～1。對于嵌入式模塊comX，實時以太網的協議堆棧（如EtherCAT從站的Firmware）已經保存在模塊的Flash中，因此只使用了默認的系統通道、握手通道和通訊通道0，16KByte的地址空間。

    系統通道512個字節，位于雙端口內存DPM的起始位置，是最重要的通道，總是存在。它包含了系統本身（netX硬件和實時操作系統rcX）的關鍵信息，并且提供一種郵箱的傳輸機制，用于發送/接收跟系統相關的報文。各功能塊如表1所述。

表1 系統通道結構

    握手通道256字節，從偏移地址0x0200開始，提供主機系統與netX固件（運行在netX芯片中的協議堆棧）之間的數據傳輸同步機制。所有通道的握手寄存器都在此區域，每個握手寄存器包含兩類握手信息：系統握手信息和通訊握手信息。系統握手信息與“系統設備”相關，由主機應用執行netX系統相關的命令，如復位等。通訊握手信息用于同步循環或非循環數據，同時向主機系統提供狀態變化信息。

    通訊通道m＊256字節，從偏移地址0x0300開始，現場總線協議堆棧使用該通道，與主機系統進行循環數據和非循環數據的數據交換。共有四個通訊通道，每個通訊通道分別對應netX芯片的xMAC/xPEC端口，其結構都相同。通訊通道0的默認大小是16KByte，其各功能塊如表2所述。

表2 通訊通道結構

    應用通道m＊256字節，根據實際的需求，并不一定需要該通道，該通道實現用戶特殊的信息交互，由客戶定義使用。

    2.2.2 驅動程序的設計

    赫優訊提供嵌入式模塊comX的驅動源碼Toolkit，用戶可以根據實際的需求，在不同的目標系統中集成該Toolkit提供的驅動接口，這樣用戶應用程序就能很方便的訪問嵌入式模塊comX的雙端口內存。Toolkit提供的驅動接口與實時以太網協議無關，只與comX雙端口內存DPM相關，因此，如果基于comX模塊開發多種實時以太網協議（Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP主從站等）的設備，其驅動程序是通用的。

    在本系統中，使用Linux實時操作系統，設備驅動主要完成對嵌入式模塊comX雙端口內存DPM的訪問，用戶程序通過調用Toolkit提供的接口函數來訪問實時以太網嵌入式模塊comX。Linux設備驅動的框架如圖5所示。

圖5 Linux設備驅動框架

表3 Linux設備驅動函數表

    2.2.3 應用程序的設計

    由于赫優訊提供的嵌入式模塊comX，在同一個硬件模塊上就能支持各種主流的實時以太網協議：Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP、SERCOS III、Powerlink和Modbus TCP，并且還支持主站或從站，只需下載不同的協議堆棧Firmware。也就是說，如果開發不同實時以太網通訊接口的同類產品，除了不同的實時以太網協議接口不一樣，其它的程序接口都是一樣的。

    在本系統中，使用嵌入式模塊COMX-CA-RE/ECS，即EtherCAT從站模塊。因此，應用程序主要實現的功能：模塊的初始化，從站熱啟動參數的下載，外圍采集模塊的數據采集，以及與EtherCAT主站設備的數據交換等等。

    嵌入式模塊comX的Flash中已經保存了EtherCAT從站的協議堆棧，在系統上電后，會自動加載該協議堆棧。然后再加載從站的熱啟動參數，需應用程序加載。不同的實時以太網從站，其熱啟動參數是不一樣的，以報文的方式，通過雙端口內存DPM的系統郵箱發送給comX。

    當把熱啟動參數下載完成后，通過xChannelIOWrite（）和xChannelIORead（）兩個函數，主機應用程序就可以與comX模塊進行數據交換了。comX模塊中運行的EtherCAT協議堆棧會自動將主機應用發來的循環數據或非循環數據發送到EtherCAT網絡上。反之，自動截取EtherCAT主站發送給該從站的數據，并傳送給主機應用程序。

    3 EtherCAT從站模塊在智能設備的應用

圖6 智能分揀系統示意圖