一種實時以太網EtherCAT介紹

1.引言

為滿足控制系統數據量劇增和企業“一網到底”的控制需求，工業以太網技術逐漸向控制底層滲透，開始廣泛地應用于現場級的通信控制。已成為工控領域一個熱門的研究內容，目前，應用比較廣泛的幾種工業以太網標準包括：Profinet、Powerlink、Modbus/TCP、EtherNet/IP、EtherCAT以及我國自主研發的EPA等。其中本文將要介紹的EtherCAT網絡是一種實時工業以太網技術，最初由德國倍福公司開發，于2003年成立了ETG（EtherCAT TECHNOLOGY GROUP）負責推廣這種工業以太網。2007年7月，ETG成立了中國代表處，旨在推廣EtherCAT技術在中國的應用，幾年之間，EtherCAT已經在多個領域取得了廣泛的應用。

EtherCAT采用移位、位尋址的方式獲取數據，相比傳統的以太網數據包傳輸方式，極大的提高了傳輸效率，兩個設備間的延遲僅為微秒級。EtherCAT網絡的通信結構采用主從方式，通信方法使用集總幀，實現實時傳輸的方式是采用等時傳輸，非實時數據的傳輸按協議運行，以太網通信速率可達100MBit/s。EtherCAT網絡具有 以下幾個方面的特點：

（1）與標準以太網完全兼容的幀結構，使用標準的IEEE802.3以太網幀；

（2）直接內存存取技術使EtherCAT具有超高的性能特性；

（3）高精度時鐘同步，能夠使用非常精確的、微妙級別的同步誤差時間基；

（4）開放性良好，EtherCAT技術標準與以太網完全兼容。

本文將從網絡結構、尋址模式、通信幀格式、網絡層協議等幾個方面對EtherCAT網絡做一個簡單介紹。

2.EtherCAT網絡結構

EtherCAT協議通過主站來管理連接到網絡上的從站設備。主站可以是通用PC機或者是嵌入式設備，從站是帶有EtherCAT網絡接口的控制器設備。網絡連接結構包括開發模式和直接連接兩種模式，開放模式如圖1所示，在這種模式下整個網絡包括多個EtherCAT段，各個段通過以太網交換機相連，在每個段中第一個從站的物理地址被定義為整個網段的地址，該從站程序可以通過對標準以太網幀的源、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，網絡只有一個EtherCAT網段構成，多個EtherCAT從站連接在具有標準以太網口的主站上，直接連接成線性結構。

3.EtherCAT尋址模式

EtherCAT協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備的物理地址在4GB的邏輯地址空間統一編址，通過接口芯片中的現場存儲器管理單元實現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16位二進制的數值，被稱作ADP和ADO。其中ADP用來確定站地址，ADO確定數據在從站存儲器中存儲的實際物理地址。對于物理尋址來說，又分為兩種模式即：自動增量地址和配置站點地址。

①自動增量尋址

數據包將已編址的從站的位置地址設為負值。經過每個從站時地址都加1。讀到地址等于零的從站將會在收到這個幀時執行相應的命令。

②配置站點地址

配置站點地址是在啟動時由主站分配，EtherCAT從站無權更改。配置站別名地址存儲在EEPROM中，EtherCAT從站可以更改。

4.EtherCAT幀結構

EtherCAT使用標準的IEEE802.3以太網幀，在主站一側使用標準的以太網控制器，因此，EtherCAT可以和其他以太網協議平行地運行在一條線路上。標準的IEEE802.3以太網幀中數據部分為EtherCAT的數據，數據幀關系如圖3所示。其中，ECAT域為EtherCAT總線類型標志位，為固定16進制值88A4H；PAD域和FCS域分別為以太網的填充位和校驗位；Ethernet Header域為標準以太網幀頭；EtherCAT Telegram域為EtherCAT數據報文，可以包含多個子報文；Datagrams Header域為EtherCAT子報文頭；Data域為要傳送的數據值；WKC域為從站計數器。由于一個EtherCAT數據幀可以包含多個子報文，所以可以將多個設備的數據裝載到一個標準以太網幀上，從而達到更高的傳輸效率。

5.EtherCAT網絡層協議

EtherCAT協議棧，針對標準以太網協議七層協議，自上至下實現了精簡，完成了其中三層的功能即：物理層、數據鏈路層和應用層。如圖4所示。

在應用層部分，根據控制應用行規，能夠實現相應控制。對于實時控制的應用任務，定義了對象數據字典。在數據字典中將周期性的、實時的任務定義為PDO(過程數據對象)，非實時的參數、診斷等數據定義為SDO（服務數據對象），采用郵箱機制完成此類數據的傳輸。它們與具體數據的映像關系在XML文件中給出，并被存儲在從站的EEPROM中。通過設計FMMU(現場存儲器管理單元)、SyncManger(同步管理器)等硬件單元，協議在數據鏈路層實現了實時處理，支持具有時限約束的實時數據通訊。該層主要負責完成實時任務的計算，比較以及產生幀校驗序列碼，根據預先存貯在存儲器里的參數信息，通過有關的硬件電路實現數據在標準以太網幀相關位置的插入和抽取，完成數據輸出和輸入操作。完成存取的數據都存儲在數據鏈路層存儲器的用戶區部分。而協議的物理層則采用標準的以太網硬件，實現數據幀與二進制位流數據的轉換。

圖3 EtherCAT數據幀結構

圖4 EtherCAT協議棧

6.總結

本文詳細介紹了EtherCAT技術的性能特點、系統組成、工作原理、EtherCAT的協議規則。目前，國際上已經有多個廠家研發出自己的主站產品和從站芯片，國內也有多個廠家開始著力于該技術的產品開發。EtherCAT作為工業以太網的一種解決方案，以其高效、簡單和易于實現等優點正在獲得越來越多的工控人的青睞。

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