芯耀
724
隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)的核心支撐。在這一背景下，實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)傳輸效率強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如EtherCAT）逐漸成為主流，而傳統(tǒng)的串行通信協(xié)議（如Modbus RTU）因其成熟性、低成本及廣泛部署，仍在眾多工業(yè)場(chǎng)景中占據(jù)重要地位。然而，在工業(yè)設(shè)備互聯(lián)需求日益復(fù)雜的今天，如何實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備之間的無(wú)縫兼容與高效協(xié)同，成為提升系統(tǒng)靈活性與可擴(kuò)展性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）作為一種高性能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，憑借其分布式時(shí)鐘同步機(jī)制、微秒級(jí)響應(yīng)能力及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人等高精度實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。而Modbus RTU作為一種經(jīng)典的串行通信協(xié)議，以其簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，長(zhǎng)期服務(wù)于PLC、傳感器、儀表等底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制。然而，兩者的通信機(jī)制、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及主從架構(gòu)存在顯著差異，導(dǎo)致異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的直接通信難以實(shí)現(xiàn)。例如，EtherCAT基于主站周期輪詢的“飛讀飛寫(xiě)”機(jī)制與Modbus RTU的主從問(wèn)答模式在時(shí)序管理上存在沖突，且兩者的數(shù)據(jù)地址映射、報(bào)文解析方式亦不兼容。
在此背景下，開(kāi)發(fā)EtherCAT從站與Modbus RTU設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換方案，成為實(shí)現(xiàn)新舊設(shè)備融合、降低系統(tǒng)升級(jí)成本的重要技術(shù)路徑?，F(xiàn)有解決方案多采用硬件網(wǎng)關(guān)或嵌入式中間件實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，但仍面臨實(shí)時(shí)性保障、數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)及多設(shè)備并發(fā)處理等核心問(wèn)題。例如，轉(zhuǎn)換過(guò)程中需解決EtherCAT周期數(shù)據(jù)與Modbus RTU非周期請(qǐng)求的時(shí)序匹配問(wèn)題，同時(shí)需設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)緩存與地址映射機(jī)制以避免數(shù)據(jù)丟失或沖突。此外，如何在不影響EtherCAT主站周期通信的前提下，實(shí)現(xiàn)Modbus RTU從站設(shè)備的異步響應(yīng)，亦是技術(shù)難點(diǎn)之一。
本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種基于嵌入式平臺(tái)的EtherCAT從站轉(zhuǎn)Modbus RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)。通過(guò)深入分析EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與Modbus RTU應(yīng)用層協(xié)議的交互邏輯，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)管理與雙協(xié)議棧并行處理機(jī)制，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率與實(shí)時(shí)性；同時(shí)，結(jié)合地址映射表與錯(cuò)誤重傳策略，確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性與一致性。本研究旨在為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中多協(xié)議設(shè)備互聯(lián)提供一種低成本、高兼容性的解決方案，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)的平滑過(guò)渡與智能化升級(jí)。
1.1?產(chǎn)品功能
設(shè)備主要功能
疆鴻智能JH-ECT002是自主研發(fā)的一款EtherCAT從站功能的通訊網(wǎng)關(guān)。該產(chǎn)品主要功能是將EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和Modbus RTU總線連接起來(lái)。本網(wǎng)關(guān)連接到EtherCAT總線中做為從站使用，連接到Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)中做為主站或從站使用。
應(yīng)用廣泛：網(wǎng)關(guān)支持Modbus RTU接口的上位機(jī)、儀表、變頻器、掃碼槍等等。在制造業(yè)中，這種網(wǎng)關(guān)常用于將先進(jìn)的EtherCAT控制設(shè)備與傳統(tǒng)的基于Modbus RTU協(xié)議的監(jiān)控和管理系統(tǒng)相連接。比如，在某家電子制造工廠里，EtherCAT從站的高精度貼片機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與Modbus RTU協(xié)議的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化。
1.1?技術(shù)參數(shù)
1.1.1?ETHERCAT 技術(shù)參數(shù)
1.網(wǎng)關(guān)做為 ETHERCAT 網(wǎng)絡(luò)的從站，可以連接倍福、歐姆龍、基恩士等廠家的PLC。
2.帶 2 個(gè) RJ45 以太網(wǎng)接口，支持 100BASE-TX，MDI/MDIX 自檢測(cè)，可以組成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，支持環(huán)網(wǎng)冗余。
3.支持的最大 PDO 長(zhǎng)度，inputs 和 outputs 各為 256 字節(jié)。Input 和 output 的方向是主站方向，input 是主站輸入，output 是主站輸出。
1.1.2?MODBUS-RTU 技術(shù)參數(shù)
1.網(wǎng)關(guān)的 MODBUS 接口可通過(guò)撥碼選擇做為主站或從站，兩種工作方式二選一工作。
2.網(wǎng)關(guān)的 MODBUS 接口可通過(guò)撥碼選擇 RS485 接口或 RS232 接口，兩種接口二選一工作。
3.網(wǎng)關(guān)的 MODBUS 波特率支持：2400、4800、9600、2K、38.4K、57.6K、 115.2K 等。
4.網(wǎng)關(guān)的 MODBUS 字符格式及校驗(yàn)位：8 位無(wú)校驗(yàn)+1 停止位、8 位+偶校驗(yàn)+1 停止位、8 位+奇校驗(yàn)+1 停止位、8 位無(wú)校驗(yàn)+2 停止位。
5.網(wǎng)關(guān)作為 MODBUS 主站，支持 01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、 10H 號(hào)功能。
6.網(wǎng)關(guān)作為 MODBUS 從站，支持 03H、04H、06H、10H 號(hào)功能。
7.網(wǎng)關(guān)作為 MODBUS 主站，最大能帶 32 個(gè) Modbus 從站。
