EtherCAT協(xié)議分析

楊曉鴻

摘要：本文總結(jié)了EtherCAT協(xié)議的特點(diǎn)，分析EtherCAT在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢，最后簡要分析了EtherCAT在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵字：EtherCAT；現(xiàn)場總線；以太網(wǎng)；實(shí)時(shí)系統(tǒng)

一、引言

工業(yè)以太網(wǎng)通過把原有的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議應(yīng)用到以太網(wǎng)上，兼容現(xiàn)場總線的工業(yè)應(yīng)用特性以及以太網(wǎng)的通用性。本文先介紹了EtherCAT協(xié)議的特點(diǎn)及其在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢；最后簡單介紹EtherCAT的實(shí)現(xiàn)方法。

二、EtherCAT

EtherCAT協(xié)議是德國倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)于2003年提出，并于2005年被定為IEC標(biāo)準(zhǔn)62407；2007年，IEC把EtherCAT協(xié)議加到工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)61158。

1.協(xié)議概述

為提高通信效率以及實(shí)時(shí)性，EtherCAT協(xié)議的主要思想有兩方面。簡化協(xié)議，協(xié)議兼容以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議，并由純硬件完成解析，提高處理速度；而其他協(xié)議由軟件解析上層協(xié)議，由于CPU的負(fù)載在不同時(shí)段的不確定性導(dǎo)致相應(yīng)的處理時(shí)間偏差加大，而純硬件的方式能在確定的時(shí)間內(nèi)完成處理，使時(shí)間更加精確。EtherCAT協(xié)議考慮到工業(yè)應(yīng)用中每次通信的數(shù)據(jù)量小和對實(shí)時(shí)要求高的特點(diǎn)，在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上加了自己的協(xié)議，把一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包分成若干個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)包加以充分利用，并給了主站控制各從站提供了更大的靈活性。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主站(Master)和最大可能為216次個(gè)從站(Slave)組成，支持以太網(wǎng)的所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(星型/總線型/環(huán)型等)，其工作原理如下：EtherCAT網(wǎng)絡(luò)就象是一列運(yùn)行的火車，主站是火車的起點(diǎn)和終點(diǎn)，火車把車上的乘客(數(shù)據(jù)包)送(寫操作)到任何指定的站點(diǎn)(從站)，也能在所有它經(jīng)過的站點(diǎn)上接收新的乘客(讀操作)，它是工業(yè)領(lǐng)域中飛速傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)。

下圖為典型的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中的黃色的連線表示網(wǎng)線，數(shù)據(jù)包從左上角的主站出發(fā)，經(jīng)過所有的從站，再返回到主站，EtherCAT從站至少要有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。

典型的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.EtherCAT關(guān)鍵技術(shù)

（1）幀結(jié)構(gòu)。EtherCAT在以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入新的協(xié)議，數(shù)據(jù)的最外層是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀；在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分中實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議，由EtherCAT協(xié)議頭開始，后跟若干個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包由包頭和數(shù)據(jù)組成，最后跟WKC以判斷每次操作是否正確。

（2）尋址方式。EtherCAT主站通過特定的尋址方式選擇從站，當(dāng)整個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中有路由器時(shí)，主站先通過網(wǎng)段間尋址(segment addressing)找到子網(wǎng)，網(wǎng)段尋址通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中的目標(biāo)地址(Destination Address)找到目標(biāo)網(wǎng)段，而這個(gè)DA是目標(biāo)網(wǎng)段內(nèi)第一個(gè)EtherCAT從站的MAC地址。當(dāng)EtherCAT數(shù)據(jù)包經(jīng)過第一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)后，從站把DA和SA(Source Address)互換，因?yàn)閿?shù)據(jù)經(jīng)過全部從站后，要返回到主站。

EtherCAT網(wǎng)段內(nèi)尋址包括設(shè)備尋址(Device addressing)和邏輯尋址(Logical addressing)，設(shè)備尋址分兩種尋址方式，位置尋址(position addressing)和節(jié)點(diǎn)尋址(Node addressing)。位置尋址的地址由從站在網(wǎng)段中的位置決定，一般上電后主站通過位置尋址統(tǒng)計(jì)網(wǎng)段內(nèi)的從站總數(shù)；節(jié)點(diǎn)尋址通過給每個(gè)從站配一個(gè)各不相同的節(jié)點(diǎn)地址，主站通過節(jié)點(diǎn)地址選擇從站。邏輯尋址由主站發(fā)一個(gè)32位的邏輯地址，從站通過現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(FMMU)的配置確定是否被選中以及要訪問的從站內(nèi)寄存器地址，這種尋址方式最靈活，在一個(gè)數(shù)據(jù)包管理多個(gè)從站的應(yīng)用中作用明顯。

（3）FMMU。FMMU(FieldBus Memory Management Unit)類似CPU中的MMU，系統(tǒng)上電后通過EEPROM或主站對每個(gè)從站的FMMU(每個(gè)從站最多16個(gè)FMMU條目)配置邏輯地址和物理地址的映射關(guān)系，每個(gè)條目包含一對映射關(guān)系。主站發(fā)出32位邏輯地址，從站查找FMMU的條目，如果某一個(gè)條目中的邏輯地址與接收到的邏輯地址相等，且當(dāng)前條目的配置有效，則當(dāng)前從站被選中。

（4）SyncManager。EtherCAT從站的同步管理單元(SyncManager)用于同步主站和從站間的數(shù)據(jù)操作，它可以把從站中的操作對象(寄存器和存儲單元)配置成實(shí)時(shí)操作的buffer模式和握手方式的Mailbox模式。當(dāng)從站接收到數(shù)據(jù)或請求后，同步管理單元也會向從站外接的設(shè)備發(fā)出中斷或請求信號，以快速完成主站的請求。

（5）操作命令。每個(gè)數(shù)據(jù)包由一個(gè)命令(Command)確定功能，用于告訴從站主站的尋址方式和操作請求。主站對從站主要有讀/寫/讀寫三種操作方式，所以相應(yīng)的命令有位置尋址讀/寫/讀寫命令、節(jié)點(diǎn)尋址讀/寫/讀寫、邏輯尋址讀/寫/讀寫命令，此之外還有廣播模式下的讀/寫/讀寫命令。

三、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)由主站和從站組成，目前從站主要由Beckhoff公司提供的芯片。EtherCAT主站在硬件上只要求以太網(wǎng)接口，市場上常見的應(yīng)用處理器(Application Processor)，都可以作為EtherCAT的主站。

由于通用的Linux是非實(shí)時(shí)的，作用主站的Linux必須加實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，工業(yè)上常用Adeos+Xenomai作用Linux上的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁。Adeos在中斷控制器硬件和Linux中斷處理程序中間提供了中斷處理的中間層，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中做到不關(guān)閉硬件中斷，所以可以快速響應(yīng)一些實(shí)時(shí)要求高的應(yīng)用，如EtherCAT驅(qū)動(dòng)；Xenomai是在adeos上的Linux實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)內(nèi)核。通過對Adeos和Xenomai可以滿足EtherCAT實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。