Profinet从站研究-西门子ERTEC 200P典型应用APP4解析

Profinet是什么？

Profinet是一种用于工业自动化领域的通信协议。它是以太网技术在工业现场的应用，旨在实现高速、可靠的数据交换和实时控制。Profinet允许工业设备（如传感器、执行器、PLC等）通过以太网相互通信。

目前有哪些Profinet从站方案？

目前有西门子、瑞萨、赫优讯（Hilscher）、HMS等厂家提供Profinet ASIC 芯片解决方案。其中，西门子作为Profinet的提出者和提倡者，还提供了完整的Profinet从站协议栈。其协议栈对于Profinet技术的研究和应用具有很强的指导作用。

Profinet从站典型应用方式有哪些？

西门子在《Interface_Description_PN_IO_DevKits_V4.7.0.pdf》中提出了4种典型应用方式（简称APP1、APP2、APP3、APP4）。分别对应标准IO、数据量较大的IO节点、实时性要求高（小于1ms）的IO节点以及应用程序复杂的工控节点（例如伺服控制器）4种场景。

其中，APP1~3的应用程序是基于西门子ERTEC 200P芯片提供的开发环境（不熟悉的可以参考芥末博士的系列博文
link）。

APP4概述

APP4与上述的不同主要体现在：
1.硬件上，需要在ERTEC 200P芯片以外单独加一片MCU（此MCU主要用于运行更复杂的工控类应用程序）。下图是西门子官方给出的APP4对应的硬件框图，图中外接的mcu是TI AM3358，操作系统为linux。实际使用中可以替换成其他mcu以及其他实时操作系统（如freertos等）。

2.驱动上，通过并口（图上叫XHIF，也叫FSMC、FMC等），外部的MCU可以直接操作SDRAM写入/读取数据。同时外部的MCU与ERTEC 200P通过GPIO实现信号的同步。
3.软件上，APP4虽然使用和APP1~3相同的API接口（见西门子官方《Interface_Description_PN_IO_DevKits_V4.7.0.pdf》），但是实际上采用了RPC的通信模式。即当外部MCU需要与Profinet控制器进行交互时，先通过XHIF接口把数据发送给ERTEC 200P，再由ERTEC 200P实现具体的功能，最后再返回结果；反之（Profinet控制器需要与外部MCU进行交互时）亦然。

APP4详解

APP4的程序分为两部分。在西门子开发套件中，源码分别存放于App4_XHIF和App4_XHIF_Host文件夹。这两个文件夹分别对应ERTEC 200P的软件程序和外部MCU的软件程序。

由于ERTEC 200P与外部MCU直接进行交互（A写B读，或者B写A读），所以分析其中一个便可以得知其交互逻辑。以下以App4_XHIF_Host文件夹中（即外部MCU）的代码为例进行分析。

数据存储方式

首先因为外部MCU要通过访问SDRAM与ERTEC 200P进行数据交互，所以先看SDRAM中数据的存储方式。如下图。

由图可知，SDRAM中划分了5个存储区域。前4个存储区域分别用于存放两个方向（ERTEC 200P-》外部MCU和外部MCU-》ERTEC 200P）的周期数据（PNPB_XHIF_SECTION_CYC_IN和PNPB_XHIF_SECTION_CYC_OUT）和非周期数据（PNPB_XHIF_SECTION_ACY_IN和PNPB_XHIF_SECTION_ACY_OUT），最后一个存储区域用于存放程序记录的trace数据。

周期数据存储方式

存储在周期数据存储区（PNPB_XHIF_SECTION_CYC_IN和PNPB_XHIF_SECTION_CYC_OUT）的最小数据结构为：

其中，Lock是互斥锁，防止外部MCU和ERTEC 200P同时对同一数据进行操作（读或写）；
Slot是槽编号；
Subslot是子槽编号；
IOxS是状态字；
Data_size是数据长度；
Data是数据buffer，长度默认为256字节。

非周期数据存储方式

存储在非周期数据存储区（PNPB_XHIF_SECTION_ACY_IN和PNPB_XHIF_SECTION_ACY_OUT）的最小数据结构为：

其中，Lock是互斥锁，防止外部MCU和ERTEC 200P同时对同一数据进行操作（读或写）；
id是功能的编号，包括设备启动、设备停止、发送告警等（详情见附录）。例如外部MCU想向profinet主站（plc）发送一个事件告警，要先通过数据交互的方式把命令发送给ERTEC 200P，再由ERTEC 200P执行对应的功能。这种方式叫做远程过程调用，简称RPC；
Data_size是参数长度；
Data是参数buffer，存放前面的id对应的功能所需要的参数，长度默认为1024字节。

数据同步方式

外部MCU与ERTEC 200P进行数据交互（读/写SDRAM）后，还需要使用信号通知对方。这里，最简单的实现方式是采用gpio管脚电平信号。

以下为App4_XHIF_Host例程中对gpio管脚的定义：

SEM0是ERTEC 200P的标志位，当SEM0值为1（高电平）时，表示ERTEC 200P已完成启动，正常运行中。

    /* SEM0 - ertec ready flag */rv = bbb_gpio_open(GPIO_BANK_0, GPIO_NUM_15, bbb_gpio_input);if(PNPB_OK != rv){printf("Cannot open SEM0 (GPIO library error)!\n");PNPB_LIB_FATAL}

SEM1是非周期数据发送标志位，当外部MCU向ERTEC 200P发送一次非周期数据后，翻转此信号（先拉高在拉低）。通知200P从SDRAM中取数据。

	/* Open SEM1 - command to Ertec */if(PNPB_OK != bbb_gpio_open(GPIO_BANK_0, GPIO_NUM_14, bbb_gpio_output)){printf("Cannot open SEM1 (GPIO library error)!\n");PNPB_LIB_FATAL}

SEM3是非周期数据接收标志位，当ERTEC 200P向外部MCU发送一次非周期数据后，翻转此信号（先拉高在拉低）。通知外部MCU从SDRAM中取数据。

	/* SEM3 - acyclic receival*/rv = bbb_gpio_open(GPIO_BANK_3, GPIO_NUM_19, bbb_gpio_input);if(PNPB_OK != rv){printf("Cannot open SEM3 (GPIO library error)!\n");PNPB_LIB_FATAL}

SEM2是非周期数据接收确认标志位，当外部MCU收到一次ERTEC 200P发送的非周期数据后，翻转此信号（先拉高在拉低）。与ERTEC 200P进行同步。

	/* SEM2 - confirmation of acyclic receival */rv = bbb_gpio_open(GPIO_BANK_3, GPIO_NUM_21, bbb_gpio_output);if(PNPB_OK != rv){printf("Cannot open SEM2 (GPIO library error)!\n");PNPB_LIB_FATAL}

IRT SYNC 0是周期数据接收确认标志位，当ERTEC 200P向外部MCU发送一次周期数据后，翻转此信号（先拉高在拉低）。通知外部MCU从SDRAM中取数据。

	/* IRT SYNC 0 - cyclic receival*/rv = bbb_gpio_open(GPIO_BANK_3, GPIO_NUM_17, bbb_gpio_input);if(PNPB_OK != rv){printf("Cannot open IRT SYNC 0 (GPIO library error)!\n");PNPB_LIB_FATAL}

写在最后

以上就是西门子ERTEC 200P典型应用APP4的交互机制分析。

使用工控芯片要做到不仅知其然，更知其所以然。这样不仅会对应用的开发起指导作用，还可以自行调整优化相关api，以实现更好的性能与更大的灵活性。

附录：功能id列表

/* Memory interface telegram IDs - Have to comply with same on Ertec side */
typedef enum PNPB_XHIF_ACYC_TELEGRAMS
{/* Ertec - Host */PNPB_XHIF_ACYC_NO_TELEGRAM = 0,PNPB_XHIF_ACYC_AR_CONNECT_IND,PNPB_XHIF_ACYC_AR_OWNERSHIP_IND,PNPB_XHIF_ACYC_AR_OWNERSHIP_IND_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_PARAM_END_IND,PNPB_XHIF_ACYC_READY_FOR_INPUT_UPDATE_IND,PNPB_XHIF_ACYC_AR_INDATA_IND,PNPB_XHIF_ACYC_AR_DISCONNECT_IND,PNPB_XHIF_ACYC_REPORT_ARFSU_RECORD,PNPB_XHIF_ACYC_SUB_PLUG_LIST_CBF,PNPB_XHIF_ACYC_ASYNC_REQUEST_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_ASYNC_REQUEST_ERROR,PNPB_XHIF_ACYC_REC_READ,PNPB_XHIF_ACYC_REC_READ_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_REC_WRITE,PNPB_XHIF_ACYC_REC_WRITE_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_AMR_READ,PNPB_XHIF_ACYC_PE_RESPONSE,PNPB_XHIF_ACYC_PE_REQUEST,PNPB_XHIF_ACYC_PE_REQUEST_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_SYNC,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_SYNC_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_FLASH_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_IM_DATA_FLASH_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_RESET_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_SUBSTVAL_OUT_READ,PNPB_XHIF_ACYC_SAVE_STATION_NAME,PNPB_XHIF_ACYC_SAVE_IP_ADDR,PNPB_XHIF_ACYC_STORE_REMA_MEM,PNPB_XHIF_ACYC_STORE_REMA_MEM_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_REPORT_NEW_IP_ADDR,PNPB_XHIF_ACYC_RESET_FACTORY_SETTINGS,PNPB_XHIF_ACYC_RESULT_NEW_DEVICE_ADDRESS,PNPB_XHIF_ACYC_START_LED_BLINK,PNPB_XHIF_ACYC_STOP_LED_BLINK,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_STARTUP_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_TRACE_READY,PNPB_XHIF_ACYC_RETURN_ISR_HANDLE,PNPB_XHIF_ACYC_PERFORM_ISR_CALLBACK,PNPB_XHIF_ACYC_RESPONSE_APDU_STATUS,PNPB_XHIF_ACYC_IM_WRITE,PNPB_XHIF_ACYC_IM_WRITE_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_IM_READ,PNPB_XHIF_ACYC_IM_STORE,PNPB_XHIF_ACYC_IM_STORE_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_STORE_HOST,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_STORE_HOST_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_SET_DEFAULT,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_SET_DEFAULT_MORE_FOLLOWS,/* To find out number of defined cbf telegrams */PNPB_XHIF_ACYC_NUM_OF_ERTEC_HOST_TELEGRAMS,/* Host - Ertec */PNPB_XHIF_ACYC_DIAG_CHANNEL_ADD = 128,  /* First in this direction (as featurespec)*/PNPB_XHIF_ACYC_DIAG_CHANNEL_REMOVE,PNPB_XHIF_ACYC_EXT_DIAG_CHANNEL_ADD,PNPB_XHIF_ACYC_EXT_DIAG_CHANNEL_REMOVE,PNPB_XHIF_ACYC_DIAG_GENERIC_ADD,PNPB_XHIF_ACYC_DIAG_GENERIC_REMOVE,PNPB_XHIF_ACYC_PROCESS_ALARM_SEND,PNPB_XHIF_ACYC_STATUS_ALARM_SEND,PNPB_XHIF_ACYC_RET_OF_SUB_ALARM_SEND,PNPB_XHIF_ACYC_UPLOAD_RETRIEVAL_ALARM_SEND,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_SETUP,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_SETUP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_START,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_STOP,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_AR_ABORT,PNPB_XHIF_ACYC_DEVICE_OPEN,PNPB_XHIF_ACYC_ACTIVATE_IO_DAT_XCH,PNPB_XHIF_ACYC_DEACTIVATE_IO_DAT_XCH,PNPB_XHIF_ACYC_SLAVE_REBOOT,PNPB_XHIF_ACYC_SUB_PLUG_LIST,PNPB_XHIF_ACYC_SUB_PLUG,PNPB_XHIF_ACYC_SUB_PULL,PNPB_XHIF_ACYC_SUBSTVAL_OUT_READ_DONE,PNPB_XHIF_ACYC_SET_DEV_STATE,PNPB_XHIF_ACYC_REC_READ_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_REC_READ_RSP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_REC_WRITE_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_REC_WRITE_RSP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_AMR_READ_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_AMR_READ_RSP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_PE_RESPONSE_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_PE_RESPONSE_RSP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_PE_REQUEST_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_INIT,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_INIT_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_CLEAR,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_STORE,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_STORE_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_IM_STORE,PNPB_XHIF_ACYC_NV_DATA_IM_STORE_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_GET_LAST_APDU_STATUS,PNPB_XHIF_ACYC_SET_IOPS,PNPB_XHIF_ACYC_ISO_ACTIVATE_ISR_OBJ,PNPB_XHIF_ACYC_ISO_FREE_OBJ,PNPB_XHIF_ACYC_ISO_ACTIVATE_GPIO_OBJ,PNPB_XHIF_ACYC_HW_WATCHDOG_SET,PNPB_XHIF_ACYC_HW_WATCHDOG_COMMAND,PNPB_XHIF_ACYC_STORE_NEW_MAC,PNPB_XHIF_ACYC_STORE_NEW_IP,PNPB_XHIF_ACYC_STORE_NEW_DEVICE_NAME,PNPB_XHIF_ACYC_TRACE_COMMAND,PNPB_XHIF_ACYC_TRACE_SETTINGS,PNPB_XHIF_ACYC_READ_APDU_STATUS,PNPB_XHIF_ACYC_IM_WRITE_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_IM_READ_RSP,PNPB_XHIF_ACYC_IM_READ_RSP_MORE_FOLLOWS,PNPB_XHIF_ACYC_TEST,/* To find out number of defined telegrams */PNPB_XHIF_ACYC_NUM_OF_TELEGRAMS
}PNPB_XHIF_ACYC_TELEGRAMS;

参考资料：

《Interface_Description_PN_IO_DevKits_V4.7.0.pdf》
《Guideline_EvalKit_ERTEC200P_V4.7.0.pdf》