1. 介绍

ArduCAT是Arduino[1] Compatible 开发板。本产品力图通过Arduino技术，大大简化EtherCAT从站的开发。ArduCAT开发板包含两路可用于EtherCAT实时以太网的100BASE-TX网口，所以它特别适合基于PC的自动化方案。ArduCAT使用ATMega1280 处理器，兼容Arduino Mega开发板，并具有完全相同的引脚定义。板上采用开关稳压器提供5V 或3.3V的2A直流输出，且发热甚微。除配套的开源Arduino库外，还配有从站应用层代码自动生成工具，用户只需编辑EXCEL表格便生成完整的协议栈，大大简化了通信协议的代码的开发，使用户能够将注意力集中在开发具体的应用上。

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2. 代码自动生成

ArduCAT的从站代码由两部分组成。与具体应用无关的部分是‘ArduCAT’ 库，其安装方法已经在《ArduCAT_开发环境安装说明》一文中进行了介绍。而与具体应用相关的部分，包括 “对象字典”, PDO映射等，都可以用本字所用的代码自动生成工具生成。

代码自动生成工具位于下图所述的“EtherCATSlave”文件夹。它以包含了从站信息的Excel表单作为输入，自动生成Arduino脚本(.ino)，和EtherCAT 主站使用的EtherCAT从站信息文件(ESI) (.xml) 。

目前，只有EtherCAT 常用的的process data和CoE (CAN over EtherCAT) 应用层服务在本工具中被实现。代码自动生成工具使用Python语言编写，是开源的，欢迎各路朋友为其添砖加瓦。具体使用方法如下：

2.1. 编辑从站描述表单（EXCEL）

“EtherCATSlave”文件夹下的“SSC-Device.xls”即是从站描述表单的一个实例。它可以被用于编写实际所需表单的模板。

该EXCEL 表单包含两部分。前16行是第一部分，它描述了从站的通用信息。其余部分则描述了对象字典(OD, object dictionary). 如果“rx”或“tx”被填入了某行对就的“rx/tx” 列，那么这一行将成为Rx或Tx 过程数据（process data）.

2.2. 编辑代码生成工具的配置文件

代码生成工具的输入与输出文件名是通过 “SlaveGenerator.cfg” 文件指定的。

文件的格式非常简单。下面示例中，在 ‘-i', ‘-c’, ‘-x’后的文件名即分别为输入的表单文件，输出的 Arduino脚本文件和EtherCAT从站信息文件(ESI)。建议将输出的从站信息文件的目录直接指向EtherCAT主站软件规定的目录：对于TwinCAT’ 软件，一般是 ‘C:\TwinCAT\Io\EtherCAT’，而对于‘EtherCAT configurator’软件，则一般是‘C:\Program Files\EtherCAT Configurator\EtherCAT’。这样每次主站软件重启后便会直接识别生成的从站描述文件。

-i SSC-Device.xls

-c EtherCATSlave.ino

-x C:\TwinCAT\Io\EtherCAT\SlaveDevice.xml

2.3.        运行代码生成工具

有2种方法运行代码生成工具

最简单的方法是直接双击“SlaveGenerator.py” 文件。工具即会自动运行。

从输出窗口中可以看出，输出文件被成功生成了。

另一种方法是使用Python的GUI。在开始菜单中选择 “Python 2.7/IDLE (Python GUI)。

在菜单中选择“File/Open”，在弹出的对话框中进入代码生成工具的目录，并选择 “SlaveGenerator.py”。

脚本打开后，按下“F5” 或者在菜单中选择“Run/Run module”即运行程序。程序的结果会在Python shell中显示。这种运行方式的好处是脚本的输出会显示在Shell中，便于调试。

3.         编译并下载

通过一条mini-USB电缆将开发板与电脑连接起来。

3.1.        选择开发板

ArduCAT与Arduino Mega是完全兼容的，因此在“Tool/Board”菜单中选择 “Arduino Mega”。

3.2.        打开脚本文件

从“File/Open”菜单，选择要生成的脚本文件。

可以用 “File/Save as”将脚本保存在其它位置。

3.3.        编译与下载

按下“Upload” 键，即自动编译并下载编译好的程序到开发板。

4.         使用TwinCAT进行测试

下载程序后，ArduCAT开发板上便已经建立起了EtherCAT从站。测试从站可以使用TwinCAT、EtherCAT Configurator或其它主站软件。测试方法与测试一般从站是一样的，并无特别之处。本文以TwinCAT软件为例，给出测试从站的方法。使用其它软件，测试方法是类似的。

使用以太网线连接电脑与开发板的Port 0。

4.1.        测试前的准备工作

4.1.1.       拷贝ESI(.xml)文件

如果ESI(.xml)没有直接生成在TwinCAT软件的指定目录里（见2.2条），那么在启动TwinCAT软件前需要手动把生成的.xml文件拷贝到该目录下。

4.1.2.       下载从站EEPROM

4.1.2.1.       从任务栏打开 TwinCAT system manager.

在‘I/O’ device上单击右键，并选择 “Append device”。

选择 “EtherCAT/EtherCAT”, 并点击 OK.

4.1.2.2.       安装并使能网卡（首次运行需进行此步操作）

本节内容只需在 TwinCAT首次运行时进行操作。

如上节所述添加EtherCAT 设备后，单击该设备，并在右边窗体上点击Adapter选项卡。

点击 “Compatible Devices”

选择合适的网卡，并依次单击 “Install”和“Enable”，随后关闭对话框。

点击 Search，选择合适的网卡，点击OK。

4.1.2.3.       扫描设备

单击选择EtherCAT设备，然后点击扫描按钮 (或按F5)，在所有弹出的对话框中选择“Yes”。

开发板被搜索到，并在EtherCAT device下面被列出来。单击找到的开发板，在右边窗体上选择“EtherCAT” 选项卡。

点击 “Advanced Settings…” 然后选择 “ESC Access/E2PROM/Hex Editor”.

点击右下角的“Select download from list”, 找到新生成的从站的ESI (.xml)文件对应的设备，并单击OK。稍等片刻，从站信息便被下载入开发板的EEPROM中。

4.2.        测试

4.2.1.       扫描设备

单击选择EtherCAT device，点击扫描按钮 (或按F5)，在所有弹出的对话框中选择“Yes”。

开发板被搜索到，并在EtherCAT device下面被列出来。单击找到的开发板。

4.2.2.       测试从站状态切换功能

单击找到的开发板。在窗体右侧点击“Online”选项卡。

在“State Machine”框中按下 “Init”, “Pre-OP”, “Safe-Op”, “Op”按钮，即可在这4个状态间切换。注意，最后两个状态只有在Free run按钮被按下的情况下才能进入。

4.2.3.       CoE (CAN over EtherCAT) 功能测试

选择“CoE-Online” 选项卡，即可在下面的窗口中检查对象字典（object dictionary）是否正确，并改变其中可读写变量的数值。

4.2.4.       过程数据（process data）测试

可以借助CoE功能检查过程数据能否被正确传输

4.2.4.1.       Tx PDO (process data object) 测试

TxPDO中的输入是由从站向主站输入的数据，因此它们可以通过在CoE中写值，然后通过Process Data进行读取。

将从站在‘Online’选项卡中切换至‘Pre-OP’状态（亦可是“Safe-Op”, “Op”）。在随板附带的“ComboDevice”例子中，有8个TxPDO 变量（entries），其中4个的索引（index）是 0x6000, 另外4个的索引是0x6010。任意修改其数值。

在‘Online’选项卡中状态切换至 ‘OP’状态。

在左边的树状图中选择Tx PDO（即Input mapping）下面的变量，在右边的窗体中选择“Online”选项卡，观察其数据是否与刚才设置的数值相同。

4.2.4.2.       Rx PDO (process data object) 测试

RxPDO中的输入是由主站向从站输出的数据，因此它们可以通过在Process Data中写值，然后通过CoE进行读取。

当设备处于‘OP’状态时，在左边树中找到RxPDO变量（即Output mapping 0），选中相应的变量，然后在右边Online选项卡中点击‘Write…’ 按钮，更改变量的值。

在 ‘CoE-Online’选项卡中，找到刚才更改的变量，检查其取值是否与刚才修改的一致。.

5.         测试“灯亮度调节”应用程序

在Arduino脚本(.ino)中，可按照文件中的“TODO:”提示修改程序。该文件前部一般不用修改，与具体应用相关的函数体都在文件尾部。使用“Obj0xXXXX.SubIndexX”读写对象字典中的变量。

例如，如下科所示，我们在APPL_Application函数和setup函数中增加以下两条语句。然后重新下载程序。此时，通过在TwinCAT 软件中修改“Analog Output 1”变量的取值（0-255），就可以调节开发板上引脚13对应的灯的亮度。

[1] Arduino is a registered trademark of Arduino, LLC.