一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT介紹

1.引言

為滿足控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)量劇增和企業(yè)“一網(wǎng)到底”的控制需求，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)逐漸向控制底層滲透，開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信控制。已成為工控領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)的研究?jī)?nèi)容，目前，應(yīng)用比較廣泛的幾種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括：Profinet、Powerlink、Modbus/TCP、EtherNet/IP、EtherCAT以及我國(guó)自主研發(fā)的EPA等。其中本文將要介紹的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，最初由德國(guó)倍福公司開(kāi)發(fā)，于2003年成立了ETG（EtherCAT TECHNOLOGY GROUP）負(fù)責(zé)推廣這種工業(yè)以太網(wǎng)。2007年7月，ETG成立了中國(guó)代表處，旨在推廣EtherCAT技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用，幾年之間，EtherCAT已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

EtherCAT采用移位、位尋址的方式獲取數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸方式，極大的提高了傳輸效率，兩個(gè)設(shè)備間的延遲僅為微秒級(jí)。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的通信結(jié)構(gòu)采用主從方式，通信方法使用集總幀，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞绞遣捎玫葧r(shí)傳輸，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸按協(xié)議運(yùn)行，以太網(wǎng)通信速率可達(dá)100MBit/s。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)具有 以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完全兼容的幀結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀；

（2）直接內(nèi)存存取技術(shù)使EtherCAT具有超高的性能特性；

（3）高精度時(shí)鐘同步，能夠使用非常精確的、微妙級(jí)別的同步誤差時(shí)間基；

（4）開(kāi)放性良好，EtherCAT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng)完全兼容。

本文將從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、尋址模式、通信幀格式、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等幾個(gè)方面對(duì)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

2.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

EtherCAT協(xié)議通過(guò)主站來(lái)管理連接到網(wǎng)絡(luò)上的從站設(shè)備。主站可以是通用PC機(jī)或者是嵌入式設(shè)備，從站是帶有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口的控制器設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)包括開(kāi)發(fā)模式和直接連接兩種模式，開(kāi)放模式如圖1所示，在這種模式下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)EtherCAT段，各個(gè)段通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)相連，在每個(gè)段中第一個(gè)從站的物理地址被定義為整個(gè)網(wǎng)段的地址，該從站程序可以通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的源、目的地址存取操作完成地址交換。直連模式如圖2所示，在這種模式下，網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段構(gòu)成，多個(gè)EtherCAT從站連接在具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口的主站上，直接連接成線性結(jié)構(gòu)。

3.EtherCAT尋址模式

EtherCAT協(xié)議包括物理尋址和邏輯尋址兩種尋址方式。邏輯尋址方式將所有的從站設(shè)備的物理地址在4GB的邏輯地址空間統(tǒng)一編址，通過(guò)接口芯片中的現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器管理單元實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的映射管理。物理尋址的物理地址是兩個(gè)16位二進(jìn)制的數(shù)值，被稱作ADP和ADO。其中ADP用來(lái)確定站地址，ADO確定數(shù)據(jù)在從站存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的實(shí)際物理地址。對(duì)于物理尋址來(lái)說(shuō)，又分為兩種模式即：自動(dòng)增量地址和配置站點(diǎn)地址。

①自動(dòng)增量尋址

數(shù)據(jù)包將已編址的從站的位置地址設(shè)為負(fù)值。經(jīng)過(guò)每個(gè)從站時(shí)地址都加1。讀到地址等于零的從站將會(huì)在收到這個(gè)幀時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的命令。

②配置站點(diǎn)地址

配置站點(diǎn)地址是在啟動(dòng)時(shí)由主站分配，EtherCAT從站無(wú)權(quán)更改。配置站別名地址存儲(chǔ)在EEPROM中，EtherCAT從站可以更改。

4.EtherCAT幀結(jié)構(gòu)

EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，在主站一側(cè)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，因此，EtherCAT可以和其他以太網(wǎng)協(xié)議平行地運(yùn)行在一條線路上。標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀中數(shù)據(jù)部分為EtherCAT的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀關(guān)系如圖3所示。其中，ECAT域?yàn)镋therCAT總線類(lèi)型標(biāo)志位，為固定16進(jìn)制值88A4H；PAD域和FCS域分別為以太網(wǎng)的填充位和校驗(yàn)位；Ethernet Header域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀頭；EtherCAT Telegram域?yàn)镋therCAT數(shù)據(jù)報(bào)文，可以包含多個(gè)子報(bào)文；Datagrams Header域?yàn)镋therCAT子報(bào)文頭；Data域?yàn)橐獋魉偷臄?shù)據(jù)值；WKC域?yàn)閺恼居?jì)數(shù)器。由于一個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀可以包含多個(gè)子報(bào)文，所以可以將多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)裝載到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀上，從而達(dá)到更高的傳輸效率。

5.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

EtherCAT協(xié)議棧，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議七層協(xié)議，自上至下實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)，完成了其中三層的功能即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。如圖4所示。

在應(yīng)用層部分，根據(jù)控制應(yīng)用行規(guī)，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)控制。對(duì)于實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用任務(wù)，定義了對(duì)象數(shù)據(jù)字典。在數(shù)據(jù)字典中將周期性的、實(shí)時(shí)的任務(wù)定義為PDO(過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象)，非實(shí)時(shí)的參數(shù)、診斷等數(shù)據(jù)定義為SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象），采用郵箱機(jī)制完成此類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸。它們與具體數(shù)據(jù)的映像關(guān)系在XML文件中給出，并被存儲(chǔ)在從站的EEPROM中。通過(guò)設(shè)計(jì)FMMU(現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器管理單元)、SyncManger(同步管理器)等硬件單元，協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理，支持具有時(shí)限約束的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。該層主要負(fù)責(zé)完成實(shí)時(shí)任務(wù)的計(jì)算，比較以及產(chǎn)生幀校驗(yàn)序列碼，根據(jù)預(yù)先存貯在存儲(chǔ)器里的參數(shù)信息，通過(guò)有關(guān)的硬件電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀相關(guān)位置的插入和抽取，完成數(shù)據(jù)輸出和輸入操作。完成存取的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)鏈路層存儲(chǔ)器的用戶區(qū)部分。而協(xié)議的物理層則采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀與二進(jìn)制位流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

圖3 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖4 EtherCAT協(xié)議棧

6.總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了EtherCAT技術(shù)的性能特點(diǎn)、系統(tǒng)組成、工作原理、EtherCAT的協(xié)議規(guī)則。目前，國(guó)際上已經(jīng)有多個(gè)廠家研發(fā)出自己的主站產(chǎn)品和從站芯片，國(guó)內(nèi)也有多個(gè)廠家開(kāi)始著力于該技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。EtherCAT作為工業(yè)以太網(wǎng)的一種解決方案，以其高效、簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)正在獲得越來(lái)越多的工控人的青睞。

[1]王維建.工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的原理及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(13):51-52.

[2]黃文君,金 建祥.基于EPA工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(8):949-952.

[3]向乾亮,辛志遠(yuǎn),林繼如,等.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].繼電器,2008,36(11):42-45.

[4]李武杰,鄭晟,陳文輝.Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的研究及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(9):26-29.

[5]郇極,劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.