基于SEED-RT118X套件开发Ethercat从站（四）状态机

原创艾睿电子技术和方案 2024-07-04 12:01

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继上一期 基于SEED-RT118X套件开发EtherCat从站（三）通信机制，这期为您带来该系列的第四篇。

在EtherCAT系统成功搭建且主从站之间建立通信之后，主站会执行扫描过程来检测从站信息并进行初始化。为了确定一个从站是否可以开始正常工作，系统通常会依赖于从站状态机（Slave State Machine）来监控和管理从站的状态转换。

在i.MX RT1180这样的设备中，EtherCAT从站控制器集成在芯片内部，负责处理与EtherCAT网络相关的底层通信。应用层控制器（如M7或M33核心）则运行从站EtherCAT协议栈，并通过特定的寄存器访问接口与EtherCAT模块进行交互。

主站通过网络数据包的方式与从站EtherCAT模块进行通信，而应用层控制器（M7或M33）则通过寄存器访问的方式直接访问EtherCAT模块。这种双重访问模式使得EtherCAT模块既能够响应来自主站的网络请求，又能够接受来自内核控制器（M7或M33）的本地指令。

以i.MX RT1180的EtherCAT模块中的Type寄存器为例，该寄存器用于标识EtherCAT控制器的类型。其偏移地址为0，访问方式Bit field access for ECAT :r/-，说明主站可以对该寄存器进行只读访问，Bit field access for PDI :r/-说明M7核或者M33核可以对该寄存器进行只读访问。

状态转换的几个关键寄存器

回到状态机，在EtherCAT系统中，从站控制器会在一系列预定义的状态之间进行转换，这些状态转换由主站和从站应用控制器共同决定，并通过特定的寄存器访问方式来实现。

状态转换主要涉及以下几个关键寄存器：

AL Control寄存器：主站通过向此寄存器写入不同的值来请求从站进行状态变更。
AL Status寄存器：从站的应用层（如M7或M33核心）通过此寄存器来指示其当前状态。
AL Status Code寄存器：如果发生错误，从站会将错误代码写入此寄存器中，供主站读取。

从站进入OP状态的步骤

从站刚上电时，通常会处于Initialization（Init）状态。为了使其能够正常工作，从站必须经历一系列的状态转换，最终进入Operational（OP）状态。这一过程通常包括以下几个步骤：

从Init状态开始，主站会向从站发送请求，使其进入Pre-Operational（PO）状态。在这个状态下，从站会进行必要的初始化操作，并准备与主站进行通信。
一旦从站成功进入PO状态，主站会进一步请求从站进入Safe-Operational（SO）状态。在SO状态下，从站会执行一些安全相关的操作，以确保在切换到OP状态之前系统处于安全状态。
最后，如果所有条件都满足，主站会请求从站进入Operational（OP）状态。在OP状态下，从站将开始处理PDO（过程数据对象）等实时数据，并与主站进行正常的数据交换。

每一步的状态跳转都需要从站先接收到主站的请求，并在满足一定条件后才会执行。这些条件可能包括从站初始化完成、错误恢复、安全条件满足等。

SEED-RT118X开发文件中处理EtherCAT状态机的源代码

在SEED-RT118X从站的源代码ecatslv.c文件中，有一个名为AL_ControlInd的函数，该函数负责处理EtherCAT状态机。以下是该函数的详细解释：

可以看到这个函数在四种情况下会被调用

主站修改AL Control寄存器
主站修改SM-Change寄存器
本地看门狗超时
应用层特殊事件调用

再看AL_ControlInd中的下面这段代码：

可以看到，当遇到以下四种状态转换请求时：

case INIT_2_PREOP:

case OP_2_PREOP:

case SAFEOP_2_PREOP:

case PREOP_2_PREOP:

系统会调用CheckSmSettings(MAILBOX_READ+1)函数来检查同步管理器SYNCM0和SYNCM1的设置是否与本地资源匹配。如果检查结果正常，状态转换将继续进行；如果检查结果异常，状态转换将停止，并在AL-Status中设置错误标志。

在case PREOP_2_SAFEOP:状态转换请求时，系统会调用APPL_GenerateMapping (&nPdInputSize, &nPdOutputSize) 函数来生成PDO映射。该函数会根据需要调整输入数据 (nPdInputSize) 和输出数据 (nPdOutputSize) 的预期长度，这通常涉及到PDO分配和/或PDO映射的更改。如果映射生成成功，系统将继续执行后续的状态转换逻辑；如果映射生成失败，系统将保持在PREOP状态，并在AL-Status中设置错误标志。

在以下状态转换请求时：

case SAFEOP_2_OP:

case OP_2_SAFEOP:

case SAFEOP_2_SAFEOP:

case OP_2_OP:

系统会调用CheckSmSettings(nMaxSyncMan)函数来检查所有四个同步管理器（SYNCM0 到 SYNCM3）的设置是否与本地资源匹配。如果检查结果正常，系统将使能同步管理器并进入OP模式；如果检查结果异常，系统将从OP或SAFEOP状态回退到PREOP状态，并在AL-Status中设置错误标志。

我们看一下TwinCAT主站关于从站状态机的部分。