C2000 MCU利用执行软件堆栈实现电机控制的一些策略

Jacktang

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        EtherCAT在工业应用中的可取之处众所周知。Ethercat在全球的应用，尤其是在多轴伺服机器上，已经非常引人注目，至少从TI的C2000市场的角度来看是这样。随着EtherCAT技术组（ETG）的成员人数突破4,300，以及不以欧洲为主的全球成员的不断增长和均衡组合，可以明显看到整体EtherCAT解决方案、技术、可用性、许可、支持等方面都与工业客户产生了共鸣。

       许多客户承担了使C2000 MCU能够在本机上运行EtherCAT堆栈的任务，尤其是在运动控制应用中。将实时通信直接集成到实时控制开发环境中简化了开发过程。显而易见的是，集成到单个中央处理单元（CPU）将简化网络中断和实时控制环路计时之间的同步。

        C2000 MCU完全能够执行软件堆栈并同时执行高要求的实时电机控制，这主要是因为EtherCAT硬件能够处理EtherCAT通信中最具挑战性的实时元素。与添加辅助CPU来运行堆栈相比，单个CPU在降低成本和减少电路板空间方面具有显著优势。如果您使用额外的CPU来处理堆栈，则系统性能也会受益于降低的传输延迟。在运动控制应用中，系统响应新目标位置的时间或延迟至关重要。如果位置命令输入定时无法跟上控制回路功能，为什么要最大限度地减少位置控制回路时间？运行EtherCAT堆栈的临时CPU可能会影响整体运动性能。

        鉴于EtherCAT和C2000 MCU运动控制的互补方面以及客户支持请求，TI利用其嵌入式软件开发经验和C2000 MCU架构知识创建了一套软件解决方案，旨在帮助开发TI实时控制MCU的EtherCAT从站节点。该软件包只需很少的开发投资，而且可帮助实现：

• 评估从站节点的堆栈。
• 验证自定义硬件的正确操作或连接。
• 创建一个完整的从站节点应用程序，通过使用您的硬件和ETG分发的堆栈。

 图1：C2000 MCU本机EtherCAT从站堆栈支持流程

        图1所示为自行开发从站节点应用程序的三个阶段。它还概述了硬件假设，并描述了可用于支持每个阶段的软件模块。我们将花费更多时间在后续博文中解答每个阶段的支持。

除了这三方面的开发流程之外，TI还采取了哪些举措，使我们的解决方案比传统的堆栈移植方案更具吸引力？首先，我们应用了C28 CPU架构方面的知识，调整了相关软件，从而更好地发挥CPU的功能。例如，我们优化了中断处理、直接存储器访问（DMA）和控制（脉冲宽度调制[PWM]）同步例程，以充分利用片上硬件。此外，我们与Beckhoff合作更新/增强了已发布的堆栈，以支持数据处理，使其更适合C28 CPU。

        与Beckhoff结合，支持串行外设接口（SPI）和并行（外部存储器接口[EMIF]）通信的C28从站堆栈和硬件抽象层（HAL）被用作其从站堆栈配置工具（SSC）的一部分。基于之前的C2000 MCU经验，将找到参考软件解决方案版本“Plugfest-ready”。

支持SPI和EMIF硬件接口提供了实现选项，使得系统能够在印刷电路板（PCB）路由复杂性与最低延迟通信之间进行权衡。此外，在使用Beckhoff Et1100器件直接测试版本时，您可调整SPI和EMIF HAL驱动器，以支持其他EtherCAT从站器件硅解决方案，包括TI的AMIC110 SoC（SPI —— 请联系Sitara™论坛）或从站硬件的现场可编程门阵列（FPGA）实例（EMIF或SPI），如Beckhoff ET1816。

        在SPI和EMIF处理器数据接口（PDI）中，EtherCAT从站堆栈代码和应用程​​序代码之间并无差异，只有器件名称和产品代码不同，因此即使SPI和EMIF从站节点都在同一网络中，它们也可能存在差异。当EMIF从站节点位于同一网络中时，它们可能有所差异。

    TI EtherCAT软件包的C2000 MCU特性是Echoback应用示例。虽然应用程序演示并不复杂，但它只是将从站节点输出数据结构回送到输入，可使用任何EtherCAT主站或TwinCAT主站查看，欲知详情，可访问“EtherCAT解决方案参考指南”。

        通过纳入Echoback应用程序，TI展示了堆栈软件基本使用的示例，并为提供了一个占位符，供自行创建应用程序。遵循Echoback示例将更容易利用TI针对堆栈和HAL软件模块进行的许多优化，并提供EtherCAT从站信息（ESI）文件的良好示例。此外，Echoback也被纳入进快速评估二进制项目中。

 图2：TMDSECATNCD379 EtherCAT电路板映像

        最后，如图2所示，EtherCAT controlCARD硬件平台利用了其他C2000 MCU控制卡的通用180管脚接口。EtherCAT controlCARD与任何180管脚C2000应用评估模块（EVM）或扩展坞物理兼容，因此可将EtherCAT连接添加到许多现有的实时控制应用示例中。例如，您可将EtherCAT controlCARD与工业驱动器开发套件（IDDK）结合使用，以使用快速电流回路和/或位置管理器技术为伺服添加实时连接。

        另外值得一提的是，EtherCAT controlCARD可以独立运行。使用Micro USB电缆为硬件供电，无需扩展坞或EVM供电。有关详细信息，请参见“TMDSECATCNCD379D EtherCAT解决方案参考指南”。这有助于降低多节点网络测试和配置中的硬件复杂性。