(54.236.62.49) 您好!臺灣時間:2021/03/08 02:08
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:林瑋朕
研究生(外文):Lin Wei-Chen
論文名稱:EtherCAT Slave底層追蹤與分析之研究
論文名稱(外文):The study of EtherCAT Slave bottom layer tracing and analysis.
指導教授:高堅志高堅志引用關係
指導教授(外文):Kao Jian-Jyh
口試委員:陳瑞熙廖一評
口試委員(外文):CHEN JUI-HSILIAO YI-PING
口試日期:2020-07-02
學位類別:碩士
校院名稱:聖約翰科技大學
系所名稱:資訊工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:EtherCAT工業4.0物聯網韌體工業乙太網路
外文關鍵詞:Industry 4.0IoTFirmwareIndustrial Ethernet
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:26
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
工業4.0已是目前在工業控制領域中最為關注的議題也更是未來的趨勢。近年來,工業乙太網路漸漸的成熟,德國Beckhoff提出的EtherCAT則是具有高性能、高靈活性、低成本等等的優勢,脫穎而出成為了最被為關注的一種工業乙太網路協定,然而對於EtherCAT而言除了入手難度會比起其他協定來的高出許多之外,當在EtherCAT Slave底層應用是呈現在未知的狀況底下,侷限性就會變大,也是目前各廠商還在觀望之問題所在。
因此,當能知曉EtherCAT Slave底層應用的架構時,就可輕易的建置任何的應用協定,對於發展上有很大的幫助,例如:減少開發的時長、可跳脫工業領域至商業或住家應用等等……。
本論文中使用R-IN32M3-EC EtherCAT晶片,搭配原廠提供的Simple Code並且撰寫一套簡易通訊軟體來進行追蹤與分析之實務,依據規範逐步的實作與分析,建立EtherCAT Slave底層應用之架構模型,利用此模型在EtherCAT Slave應用層中建入IO控制應用協定,並且與傳統的通訊協定進行優劣比較與探討,最終透過實際範例來驗證EtherCAT Slave底層應用之架構模型的可行性、泛用性以及完整性,達到輕鬆修改Slave與可建置任何應用協定之目的。
Industry 4.0 is currently the most concerned point in the field of industrial control and be the future trends. In recent years, industrial Ethernet has gradually matured, and the EtherCAT developed by Beckhoff in Germany has the advantages of high performance, high flexibility, low cost, etc., and has become the most concerned kind of high-efficiency industrial Ethernet. However, for EtherCAT, besides the difficulty of getting started is much higher than other protocol, when the bottom application of the EtherCAT Slave is unknown, the limitations will become larger, which is the reason why various manufacturers have not yet widely used it.
Therefore, when knowing the architecture of the underlying application of EtherCAT Slave can easily build any application protocol, which is of great help to development, for example: reducing the development time, escape from the industrial field to commercial applications or residential applications, etc.
In this thesis, the R-IN32M3-EC EtherCAT chip of Renesas Electronics is used in conjunction with the Simple Code provided by the original factory and a set of EtherCAT communication software(Master) carry on to tracing and analyze and practice. According to the step-by-step implementation of the specification and detailed analysis and discussion, and establish the architecture model of the bottom application of EtherCAT Slave. Use this model to build the IO control application protocol in the EtherCAT Slave application layer, and compare and discuss the advantages and disadvantages with the traditional communication protocol. Finally, the practical examples are used to verify the feasibility, versatility and integrity of the architectural model of the bottom application of EtherCAT Slave, so as to easily modify the Slave and any application agreement that can be built.

目 錄

摘要 III
Abstract IV
目 錄 V
表 錄 VIII
圖 錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 3
1.3 論文內容大綱 5
第二章 相關文獻回顧 6
2.1 乙太網路(Ethernet) 6
2.1.1 乙太網路特性 7
2.1.2 乙太網路運作原理 7
2.1.3 乙太網路訊框 11
2.1.4 OSI 模型 12
2.2 EtherCAT 特點 13
2.3 EtherCAT 通訊 14
2.4 EtherCAT 系統架構 19
2.4.1 Master 19
2.4.2 Slave 20
2.5 EtherCAT 實體層(Physical Layer, PL) 21
2.6 EtherCAT 資料鏈結層(Data link Layer, DL) 23
2.7 EtherCAT Slave Controller 24
2.7.1 EtherCAT 訊框架構與定址模式 26
2.7.2 現場匯流排記憶體管理單元(FMMU) 30
2.7.3 同步管理(SyncManager, SM) 33
2.7.4 分佈式時鐘(Distributed Clock, DC) 38
2.7.5 EtherCAT State Machine 43
2.8 EtherCAT 應用層(Application Layer, AL) 46
第三章 實現之系統架構 47
3.1 Slave 47
3.1.1 硬體 47
3.1.2 底層(EtherCAT Slave 應用層) 50
3.2 Master 51
3.2.1 TwinCAT 51
3.2.2 手動收發 Master 軟體 52
3.3 研究範例之 IO 控制應用協定 54
第四章 分析結果與討論 55
4.1 Simple Code 之底層 57
4.1.1 初始化(Initialize) 58
4.1.2 啟用 EtherCAT 相關機制 Task 63
4.1.3 主迴圈 63
4.1.4 同步中斷訊號觸發的處理(sub_task2()) 68
4.1.5 ESM、SM、非週期性、週期性處理(sub_task()) 71
4.1.6 實作的 Master 之比較 87
4.2 IO 控制應用協定實作與分析 88
4.3 討論 95
第五章 結論與未來展望 97
5.1 結論 97
5.2 未來展望 97
參考文獻 98
附件 100

表 錄

表格 1 常見的乙太網路類型 7
表格 2 OSI 模型架構 12
表格 3 EtherCAT OSI 與標準 OSI 差異 21
表格 4 Working Counter Description 27
表格 5 EtherCAT Datagram Header Element 28
表格 6 FMMU Configuration Register 31
表格 7 FMMU Configuration 32
表格 8 EtherCAT State Machine 轉換過程 44
表格 9 AL_EVENT_MASK 為 0x0D11 時的功能解析 62
表格 10 IO 控制應用協定的 Command List(Tx) 91
表格 11 IO 控制應用協定的 Command List(Rx) 91
表格 12 EtherCAT 與 UDP 在相同的 8 點位 IO 控制應用比較 94


圖 錄
圖 1 工業 4.0 與工業物聯網的差異 2
圖 2 EtherCAT 宏觀概念架構圖 4
圖 3 EtherCAT 目標宏觀概念架構圖 5
圖 4 乙太網路基本匯流排架構 7
圖 5 CSMA/CD 簡單流程圖 8
圖 6 CSMA/CD 傳送訊框流程圖 9
圖 7 CSMA/CD 接收訊框流程圖 10
圖 8 標準乙太網路封包架構 11
圖 9 EtherCAT Redundancy 機制 14
圖 10 EtherCAT Master/Slave 常用的通訊方式 15
圖 11 EtherCAT Master/Slave E-BUS 通訊方式 15
圖 12 EtherCAT 資料傳遞的原理架構 16
圖 13 ESC Loopback & Auto-Forwarder Mechanism[8] 16
圖 14 EtherCAT Master 與 Slave 利用 ESI 建起通訊且產出 ENI 的架構 17
圖 15 EtherCAT Master 與 Slave 利用 ENI 建起通訊的架構 18
圖 16 EtherCAT Master 系統架構 19
圖 17 EtherCAT Slave 系統架構圖[12] 20
圖 18 EtherCAT 實體網路介面 Block Diagram. 22
圖 19 EtherCAT On the Fly 概念圖 23
圖 20 EtherCAT Slave Controller Block Diagram[8] 24
圖 21 EtherCAT 訊框架構 26
圖 22 EtherCAT Datagram Header 27
圖 23 FMMU 示意圖[12] 30
圖 24 FMMU 參數設定方塊圖 31
圖 25 FMMU 映射處理方式之範例[8] 32
圖 26 SyncManager Buffered Mode 三個 Buffer 之間的作用圖[8] 33
圖 27 SyncManager Buffered Mode 動作原理圖 34
圖 28 SyncManager Buffered Mode 記憶體配置圖 35
圖 29 SyncManager Mailbox Mode 動作流程圖[8] 36
圖 30 Distributed Clock[12] 40
圖 31 傳輸延遲、偏移和飄移的補償[8] 42
圖 32 EtherCAT State Machine[8] 43
圖 33 EtherCAT Slave 應用層之架構圖[12] 46
圖 34 EtherCAT Slave 開發板之架構圖 48
圖 35 R-IN32M3 Series 區塊圖 48

圖 36 ESC 與應用控制器處理封包概念架構圖 49
圖 37 EtherCAT Slave 底層基本架構 50
圖 39 TwinCAT 軟體介面 52
圖 40 TwinCAT 軟體概念流程圖 52
圖 41 手動收發 Master 軟體介面 53
圖 42 手動收發 Master 軟體流程圖 53
圖 90 EtherCAT Slave 底層應用之架構模型 54
圖 43 RIN32M3 Design Flow for IAR IDE 55
圖 44 IAR Startup Flow 56
圖 45 EtherCAT Slave 底層 Simple Code 基本流程圖 57
圖 46 底層分析 Step1-環境初始[23] 58
圖 47 底層分析 Step1-啟用 Real-Time OS[23] 59
圖 48 底層分析 Step1-OS Configuration Files 的 Task Information 59
圖 49 底層分析 Step1-預規劃 GPIO 的初始配置[23] 60
圖 50 底層分析 Step1-EtherCAT_init()之 ESC 實體腳位規劃[23] 60
圖 51 底層分析 Step1-EtherCAT_init()之 Ethernet 實體介面初始[23] 61
圖 52 底層分析 Step1-配置映射應用層事件之中斷[23] 62
圖 53 底層分析 Step1-啟用指定的工作排程[23] 63
圖 54 底層分析 Step2-確認硬體狀況 63
圖 55 EtherCAT Slave 板實際 LED 閃爍狀況 64
圖 56 底層分析 Step2-分析 ESC 會不會受到MCU 的限制、影響 65
圖 57 底層分析 Step2-非週期性的封包輪詢機制之處理[23] 66
圖 58 底層分析 Step2-非週期性的封包實作追蹤一 66
圖 59 底層分析 Step2-非週期性的封包實作追蹤二 67
圖 60 底層分析 Step2-非週期性的封包實作追蹤之三 67
圖 61 底層分析 Step3-同步中斷訊號觸發概念圖 68
圖 62 底層分析 Step3-同步時封包處理程序分析[23] 69
圖 63 底層分析 Step3-修改後的同步時封包處理 69
圖 64 底層分析 Step3-同步時封包處理之實作與板子實際狀況 70
圖 65 底層分析 Step4-依照 ESC 狀態處理的程序之等待事件[23] 71
圖 66 底層分析 Step4-ESM 轉換狀態的事件判斷[23] 71
圖 67 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 轉換狀態的事件之 Init 狀態[23] 72
圖 68 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 轉換 Init 狀態之實作 73
圖 69 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 轉換狀態的事件之 PreOP 狀態[23] 74
圖 70 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 從 INIT 轉換為 PreOP 狀態的事件實作
..................................................................................................................................75
圖 71 底層分析 Step4-SafeOP&OP 進入 SafeOP 時的錯誤處理機制[23] 76
圖 72 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 轉換狀態的事件之 SafeOP 狀態[23] 78

圖 73 底層分析 Step4-修改後的週期性 Slave 發送封包的處理 78
圖 74 底層分析 Step4-Slave 在 SafeOP 的實作 79
圖 75 底層分析 Step4-Master 端要求 ESM 轉換狀態的事件之 OP 狀態[23] 80
圖 76 底層分析 Step4-Slave 在 OP 的實作 81
圖 77 底層分析 Step4-SyncManager 通道有觸發事件之 Mailbox 通道沒作用時的處理分析[23] 82
圖 78 底層分析 Step4-SyncManager 通道有觸發事件之 Buffer 通道沒作用時的處理分析[23] 83
圖 79 底層分析 Step4-Master 端使用 Mailbox 方法寫入到 Slave 端時的資料處理.84
圖 80 底層分析 Step4-Master 端使用 Mailbox 方法寫入到 Slave 實作一 85
圖 81 底層分析 Step4-Master 端使用 Mailbox 方法寫入到 Slave 實作二 85
圖 82 底層分析 Step4-Master 端使用 Buffer 方法寫入到 Slave 端時的資料處理[23]
..................................................................................................................................86
圖 83 底層分析 Step4-Slave 端使用 Buffer 方法寫入到 Master 端時的資料處理[23]
..................................................................................................................................86
圖 84 自行定義的應用協定之架構圖 88
圖 85 自行定義的應用協定之 Main Task 程式區段 89
圖 86 自行定義的應用協定之 PDI ISR Task 程式區段 90
圖 87 利用 Mailbox 通道將 IO 控制應用協定的控制資料寫入給 Slave 應用層 90
圖 88 EtherCAT 通訊協定使用 IO 控制應用協定對三台 Device 進行 IO 控制 92
圖 89 UDP 通訊協定使用 IO 控制應用協定對三台 Device 進行 IO 控制 93

[1]Martin Wollschlaeger, Thilo Sauter, Juergen Jasperneite.(2017, MAR). “The Future of Industrial Communication: Automation Networks in the Era of the Internet of Things and Industry 4.0”, IEEE Industrial Electronics Magazine.

[2]M. Rostan, “Industrial Ethernet Technologies” EtherCAT Technology Group, 2011.

[3]A. Delay, “Overview to recent advances in Ethernet used in industrial IO communication networks”, 2003.
[4]“常用工業乙太網協議效能及應用”, IT 閱讀, 2018.

[5]Jeffrey Hibbard, “5 Real-Time, Ethernet-Based Fieldbuses Compared”, Manufacturing Tomorrow, 2016.

[6]“EtherCAT and OPC UA: Hand in hand for Industrie 4.0 and IoT”, EtherCAT Technology Group, 2015.

[7]Creator by sangeetha-prabhu, Updator by arvindpdmn,“Binary Exponential Backoff”, DEVOPEDIA, 2018.

[8]“ET1100 Hardware Data Sheet”, Beckhoff, Select I – Technology, 2014.

[9]“ET1100 Hardware Data Sheet”, Beckhoff, Section II - Register Description, 2014.

[10]“ET1100 Hardware Data Sheet”, Beckhoff, Section III - Hardware Description, 2014.

[11]“Media-independent interface”, Wikipedia, 2004.

[12]“EtherCAT Communication : Communication Principles”, EtherCAT Technology Group, 2010.

[13]“R-IN32M3 Series LSI for Industrial Ethernet DATA SHEET”, Renesas, 2017.

[14]“ETG.1000 EtherCAT Specification part1~6”, EtherCAT Technology Group, 2017.

[15]“ETG.2000 EtherCAT Slave Information (ESI) Specification”, EtherCAT

Technology Group, 2014.

[16]“R-IN32M3 Series Programming Manual: Driver” , Renesas, 2017.

[17]“R-IN32M3 Series User’s Manual: Board design edition” , Renesas, 2018.

[18]“R-IN32M3 Series User's Manual Periphral Functions” , Renesas, 2018.

[19]G. Prytz, “A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT”, IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2008.
[20]羅任添, “結合EtherCAT 工業網路介面與永磁同步馬達控制之研發”, 國立中正大學工學院機械工程學系, 2013.

[21]汪曙峰、吳承學, “串列式數位伺服運動控制及工業控制自動化乙太網路技術簡介”, 工業技術研究院 機械所, 2010.

[22]“Basic principles EtherCAT Distributed Clocks”, Beckhoff, https://infosys.beckhoff.com/english.php?content=../content/1033/ethercatsystem
/2469118347.html&id=

[23]“ICs for Multi Protocol Communication (R-IN32M3)”, Renesas, https://www.renesas.com/us/en/products/factory-automation/multi-protocol-com munication.html#sampleCodes

電子全文 電子全文(網際網路公開日期:20250716)
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
系統版面圖檔 系統版面圖檔