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1、EtherCAT技术介绍及开展概貌【摘要】本文深化阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT技术。EtherCAT为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵敏的网络拓扑构造，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。另外，由于EtherCAT实现本钱低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的应用场合中选用现场总线。现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的理论试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。固然控制器CPU的性能尤其是IPC的性能开展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能开展的“瓶颈。急需技术革新的另
2、一个因素那么是由于传统的解决方案并不特别理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成周期系统：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或者外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。图1见书在现场总线系统之上的层面即网络控制器中，以太网往往在某种程度上代表着技术开展的程度。该方面目前较新的技术是驱动或者I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时才能、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以知足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。以太网和实时才能目前，有许多
3、方案力务实现以太网的实时才能。例如，CSMA/CD介质存取经过方案，即制止高层协议访问经过，而由时间片或者轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案那么是通过专用交换机准确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案固然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或者驱动控制器重定向所需要的时间和读取输入数据所需要的时间都要受制于详细的实现方式。假如将单个以太网祯用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网祯为84字节包括内部的包间隔IPG。假如一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是
4、总线负荷为100%即：无限小的驱动响应时间时，其可用数据率也只能到达4/84=4.8%。假如按照10s的平均响应时间估计，那么速率将下降到1.9%。对所有发送以太网祯到每个设备或者期望祯来自每个设备的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网祯内部所使用的协议那么是例外。EtherCAT工作原理EtherCAT技术打破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将经过数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中图2见书。整个经过中，报文只有几纳秒的时间延迟。由于发送和接收的
5、以太网祯压缩了大量的设备数据，所以可用数据率可达90%以上。100Mb/sTX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可以到达100Mb/s2x100Mb/s的90%图3见书。符合IEEE802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或者光纤转换为LVDS一种可供选择的以太网物理层标准4，5，以知足电子端子块等模块化设备的需求。这样，就可以非常经济地对模块化设备进展扩展了。之后，便可以如普通以太网一样，随时进展从底板物理层LVDS到100Mb/sTX物理层的转换。EtherCAT是用于经过数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，可以在以太网祯内直接传
6、送。EtherCAT协议可包括几个EtherCAT报文，每个报文都效劳于一块逻辑经过映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的播送、多播和通讯均得以实现。假如需要实现最大化性能，并且需要将EtherCAT组件作为同一子网控制器进展操作，那么可直接传送以太网祯。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文图4见书，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体构造中，系统
7、性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间根本不受影响。另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常合适控制器之间主/从的通讯。自由编址的网络变量可用于经过数据和参数、诊断、编程和各种远程控制效劳，知足广泛的应用需求。同理，主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口一样。从站到从站的通讯那么有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑构造高度相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或者包装应用等。而对于自由配置的从站到从
8、站的通讯，那么可以采用第二种机制数据通过主站进展中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该经过耗时仍然小于采用其他方法所消耗的时间。按照文献3所述，EtherCAT仅使用标准的以太网祯，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网祯可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具如：monitor。EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等图5见书。通过现场总线而得名的总线或者线型构造可以用于以太网，并且不受限于级联交换机或者集线器的数量。最有效的系统连线方法是对线型、分支或者树叉构造进展拓扑组合。因为所需接口在I/O模块等很多设备中都已存在
9、，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑构造。还可以选择不同的电缆以提升连线的灵敏性：灵敏、廉价的标准以太网补偿电缆可采用100Mb/sTX形式传送信号；塑封光纤POF可补充用于特殊应用场合；还可以通过交换机或者介质转换器实现不同以太网连线如：不同的光纤和铜电缆的完好组合。快速以太网的物理层100Mb/s-TX允许两个设备之间的最大电缆长度到达100米。由于连接的设备数量可达65535，因此，网络的容量几乎没有限制。分布时钟准确同步对于同时动作的分布式经过而言尤为重要。例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。最有效的同步方法是准确排列分布时钟请参阅IEEE15
10、88标准6。与完全同步通讯中容易出现通讯故障，立即影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环构造借助于全双工快速以太网的物理层，主站时钟可以简单、准确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进展调整，这意味着可以在网络范围内使用非常准确的、小于1微秒的、确定性的同步误差时间基图6见书。而跨接工厂等外部同步那么可以基于IEEE1588标准。此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据收集的本地时间准确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个
11、很小的位置测量瞬时同步偏向，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的宏大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进展链接。这样，速度的准确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。EtherCAT使网络性能到达了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理经过都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU性能或者软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30s，其中还包括I/O周期
12、时间参见表1。单个以太网祯最多可进展1486字节的经过数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300s。100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100s中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏向小于1微秒。而即使是在这种节奏下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或者上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和当代工业PC所具有的超强计算才能相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT
13、技术原理具有可塑性，并不束缚于100Mbps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000Mbps的以太网。现场总线系统的实际应用经历说明，有效性和试运行时间关键取决于诊断才能。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发经过中，十分注重强化诊断特征。试运行期间，驱动或者I/O端子等节点的实际配置需要与指定的配置进展匹配性检查，拓扑构造也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别经过已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进展，可以以在网络自动读取时进展配置上载。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障32位CRC多项式的最小汉
14、明距为4。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑构造还可以对各个传输段分别进展品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进展准确定位。此外，对于EMI影响、连接器破损或者电缆损坏等一些渐变或者变化的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复才能的范围，可以对其进展检测与定位。高可靠性选择冗余电缆可以知足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。增加冗余特性消耗不高，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口无需专用网卡或者接口，并将单一的电缆从总线型拓扑构造转变为环型拓扑构造。当设备或者电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此
15、，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT还支持主站在线待机冗余功能。一旦出现中断、设备故障等问题，EtherCAT从站控制器可以立即自动返回以太网祯，所以不会导致整个网络崩溃。例如：应用冗余链就可以指定分支配置，防止电缆断线。不管是使用硬件还是使用专用的平安总线系统，传统观念总是认为，自动化网络应与平安功能相别离。但EtherCAT所实现的平安功能可以在同一网络中将平安相关的通讯和控制通讯交融为一体。平安协议基于EtherCAT应用层，不受低层协议的影响，并遵循IEC61508标准认证，知足平安集成级SIL4的要求。数据长度可以变化的，因此该协议既完全合
16、适于平安I/O数据，也合适于平安驱动技术。和其它EtherCAT数据一样，平安数据可以通过无平安功能的路由器或者网关实现路由。目前，首批获得完全认证的EtherCAT平安产品已经上市。EtherCAT取代PCI随着PC组件急剧向小型化方向开展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的经过数据长度那么为该领域的开展提供了新的可能性IPC中的传统接口如今可以转变为集成的EtherCAT接口端子图7见书。除了可以对分布式I/O进展编址，还可以对驱动和控制单元和现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进展编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变
17、体，可以以通过分布式交换机端口设备进展连接。由于一个以太网接口足以知足整个外围设备的通讯图8见书，因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的本钱。设备框架设备框架描绘了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备框架。用户非常熟悉这些框架和相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备框架，而是为现有的设备框架提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换经过。EtherCAT实现CANopenCoECANo
18、pen设备和应用框架广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，和用于塑料或者纺织行业的应用框架等。EtherCAT可以提供与CANopen机制7一样的通讯机制，包括对象字典、PDO经过数据对象、SDO效劳数据对象，甚至于网络管理。因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大局部的CANopen固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的宏大带宽。EtherCAT实现遵循IEC61491的伺服驱动框架SoESERCOSinterface是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，
19、尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC61491标准8的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到EtherCAT中，嵌入于驱动中的效劳通道、全部参数存取和功能都基于EtherCAT邮箱图9见书。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性IDN的存取值、属性、名称、单位等，和与数据长度限制相关的扩展性。经过数据，即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进展传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态可以以非常容易地映射为SERCOS协议状态。这些伺服驱动框架应用了EtherCAT先进的
20、实时以太网技术，并广泛采纳于CNC的应用之中。设备框架的优势与EtherCAT的优势相结合：分布时钟保证了网络范围的准确同步，并且，可以选择性地传送位置、速度或者转矩命令。根据详细的施行方法，驱动还有可能继续使用现有的配置工具。EtherCAT实现以太网EoEEtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计之初就具备良好的开放性特征该协议可以在一样的物理层网络中包容其它基于以太网的效劳和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进展连接。以太网祯通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、PPPoEDSL等因特网应用所普遍
21、采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变图10见书。EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网祯重新定向到相应的设备。因此，集成万维网效劳器、电子邮件和FTP传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。EtherCAT实现文件存取FoE这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据构造。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。根底设施投资由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件
22、允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。假如环境条件有特殊要求，那么可以按照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。EtherCAT的实现层面EtherCAT技术是面向价格低廉的设备而开发的，如I/O端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网祯。这些祯由主站设备发送，从站设备只是在以太网祯经过其所在位置时才提取和/或者插入数据。因此，EtherCAT使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化
23、的表现无论本地处理才能是否强大或者软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理经过数据协议，并提供最正确实时性能。EtherCAT可以在单个以太网祯中最多实现1486字节的分布式经过数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收祯。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或者两个祯即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或者主板集成的以
24、太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。例如，假如某个单个经过映像的PLC没有超过1486字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网祯就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到经过映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生外围设备将数据插入所经以太网祯的相应位置，因此，此时经过映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式那
25、么要占用更多的资源，甚至效劳于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具通过消费商获取可提供包括相应的标准XML格式启动顺序在内的网络和设备参数。主站实现效劳可通过消费商获取主站代码、实现效劳和技术支持，可用于多种硬件平台与操作系统。可登陆EtherCAT网站1，解析该方面信息。EtherCAT网站还提供开放的源代码实现方式和相应的RTOS开放源代码。主站样本代码另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoEEtherCAT实现以太网功能。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与
26、目的硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，可以实现从站控制器的功能，可以购置受权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：串行SPI串行外围接口主要用于数量较小的经过数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel80C51等。8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器
27、使用的接口包括Infineon80C16x、Intel80x86、HitachiSH1、ST10、ARM和TITMS320等系列。32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或者执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU。从站评估工具包从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT，无需功能强大的通讯处理器，因此，可将从站评估工具包中的8位微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件相当于协议堆栈和主站软件样本包。EtherCAT拥有出色的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已到达了极限，
28、而EtherCAT那么打破建立了新的技术标准30s内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或者光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用EtherCAT，可以用简单的线型拓扑构造替代昂贵的星型以太网拓扑构造，无需昂贵的根底组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进展特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡NIC便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站和主站到主站之间的通讯图11见书。它实现了平安功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。Et
29、herCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的宏大带宽，是一种实时性能优越且本钱低廉的网络技术。1EtherCATTechnologyGroup,:/ethercat.org2IEC/PAS62407:Real-TimeEthernetControlAutomationTechnologyEtherCAT3IEEE802.3:CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetectionCSMA/CDAccessMethodandPhysicalLayerSpecifications.4IEEE802.
30、3ae-2002:CSMA/CDAccessMethodandPhysicalLayerSpecifications:MediaAccessControlMACParameters,PhysicalLayers,andManagementParametersfor10Gb/sOperation.5ANSI/TIA/EIA-644-A,ElectricalCharacteristicsofLowVoltageDifferentialSignalingLVDSInterfaceCircuits6IEEE1588-2002:IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems7EN50325-4:IndustrialcommunicationssubsystembasedonISO11898CANforcontroller-deviceinterfaces.Part4:CANopen.8IEC61491:ElectricalequipmentofindustrialmachinesSerialdatalinkforreal-timecommunicationbetweencontrolsanddrives