1. 引言 

現場(chǎng)總線已成爲自動化(huà)技術的(de)集成組件，通(tōng)過大(dà)量的(de)實踐試驗和(hé)測試，如今已獲得(de)廣泛應用(yòng)。正是由于現場(chǎng)總線技術的(de)普及，才使基于PC的(de)控制系統得(de)以廣泛應用(yòng)。然而，雖然控制器CPU的(de)性能（尤其是IPC的(de)性能）發展迅猛，但傳統的(de)現場(chǎng)總線系統正日趨成爲控制系統性能發展的(de)“瓶頸”。急需技術革新的(de)另一個(gè)因素則是由于傳統的(de)解決方案并不十分(fēn)理(lǐ)想。傳統的(de)方案是，按層劃分(fēn)的(de)控制體系通(tōng)常都由幾個(gè)輔助系統所組成（周期系統）：即實際控制任務、現場(chǎng)總線系統、I/O系統中的(de)本地擴展總線或外圍設備的(de)簡單本地固件周期。正常情況下(xià)，系統響應時(shí)間是控制器周期時(shí)間的(de)3-5倍。在現場(chǎng)總線系統之上的(de)層面（即網絡控制器）中，以太網往往在某種程度上代表著(zhe)技術發展的(de)水(shuǐ)平。該方面目前較新的(de)技術是驅動或I/O級的(de)應用(yòng)，即過去普遍采用(yòng)現場(chǎng)總線系統的(de)這(zhè)些領域。這(zhè)些應用(yòng)類型要求系統具備良好的(de)實時(shí)能力、适應小數據量通(tōng)訊，并且價格經濟。EtherCAT可(kě)以滿足這(zhè)些需求，并且還(hái)可(kě)以在I/O級實現因特網技術 （參見圖1）。

圖1: 傳統現場(chǎng)總線系統響應時(shí)間

在現場(chǎng)總線系統 之上的(de)層面（即網絡控制器）中，以太網往往在某種程度上代表著(zhe)技術發展的(de)水(shuǐ)平。該方面目前較新的(de)技術是驅動或I/O級的(de)應用(yòng)，即過去普遍采用(yòng)現場(chǎng)總線系統的(de)這(zhè)些領域。這(zhè)些應用(yòng)類型要求系統具備良好的(de)實時(shí)能力、适應小數據量通(tōng)訊，并且價格經濟。EtherCAT可(kě)以滿足這(zhè)些需求，并且還(hái)可(kě)以在I/O級實現因特網技術。

1.1 以太網和(hé)實時(shí)能力 

目前，有許多(duō)方案力求實現以太網的(de)實時(shí)能力。例如，CSMA/CD介質存取過程方案，即禁止高(gāo)層協議(yì)訪問過程，而由時(shí)間片或輪循方式所取代的(de)一種解決方案；另一種解決方案則是通(tōng)過專用(yòng)交換機精确控制時(shí)間的(de)方式來(lái)分(fēn)配以太網包。這(zhè)些方案雖然可(kě)以在某種程度上快(kuài)速準确地将數據包傳送給所連接的(de)以太網節點，但是，輸出或驅動控制器重定向所需要的(de)時(shí)間以及讀取輸入數據所需要的(de)時(shí)間都要受制于具體的(de)實現方式。

如果将單個(gè)以太網 幀用(yòng)于每個(gè)設備，那麽，理(lǐ)論上講，其可(kě)用(yòng)數據率非常低。例如，最短的(de)以太網幀爲84字節（包括内部的(de)包間隔IPG）。如果一個(gè)驅動器周期性地發送4字節的(de)實際值和(hé)狀态信息，并相應地同時(shí)接收4字節的(de)命令值和(hé)控制字信息，那麽，即便是總線負荷爲100%（即：無限小的(de)驅動響應時(shí)間)時(shí)，其可(kě)用(yòng)數據率也(yě)隻能達到4/84= 4.8%。如果按照(zhào)10 µs的(de)平均響應時(shí)間估計，則速率将下(xià)降到1.9%。對(duì)所有發送以太網 幀到每個(gè)設備(或期望幀來(lái)自每個(gè)設備)的(de)實時(shí)以太網方式而言，都存在這(zhè)些限制，但以太網幀内部所使用(yòng)的(de)協議(yì)則是例外。

2. EtherCAT 運行原理(lǐ) 

EtherCAT技術突破了(le)其他(tā)以太網解決方案的(de)系統限制：通(tōng)過該項技術，無需接收以太網數據包，将其解碼，之後再将過程數據複制到各個(gè)設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時(shí)讀取相應的(de)編址數據，同樣，輸入數據也(yě)是在報文經過時(shí)插入至報文中（參見圖2）。整個(gè)過程中，報文隻有幾納秒的(de)時(shí)間延遲。

圖 2: 過程數據插入至報文中

由于發送和(hé)接收的(de)以太網幀壓縮了(le)大(dà)量的(de)設備數據，所以有效數據率可(kě)達90%以上。100 Mb/s TX的(de)全雙工特性完全得(de)以利用(yòng)，因此，有效數據率可(kě) 大(dà)于100 Mb/s（即大(dà)于2 x 100 Mb/s的(de)90%）（參見圖3）。

圖 3: 帶寬利用(yòng)率的(de)比較

符合IEEE 802.3标準的(de)以太網協議(yì)無需附加任何總線即可(kě)訪問各個(gè)設備。耦合設備中的(de)物(wù)理(lǐ)層可(kě)以将雙絞線或光(guāng)纖轉換爲LVDS（一種可(kě)供選擇的(de)以太網物(wù)理(lǐ)層标準[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化(huà)設備的(de)需求。這(zhè)樣，就可(kě)以非常經濟地對(duì)模塊化(huà)設備進行擴展了(le)。之後，便可(kě)以如普通(tōng)以太網一樣，随時(shí)進行從底闆物(wù)理(lǐ)層LVDS到100 Mb/s TX物(wù)理(lǐ)層的(de)轉換。

3. EtherCAT 技術特征 

3.1 協議(yì) 

EtherCAT是用(yòng)于過程數據的(de)優化(huà)協議(yì)，憑借特殊的(de)以太網類型，它可(kě)以在以太網幀内直接傳送。EtherCAT幀可(kě)包括幾個(gè)EtherCAT報文，每個(gè)報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的(de)特定内存區(qū)域，該區(qū)域最大(dà)可(kě)達4GB字節。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的(de)物(wù)理(lǐ)順序，可(kě)任意編址。從站之間的(de)廣播、多(duō)播和(hé)通(tōng)訊均得(de)以實現。當需要實現最佳性能，且要求EtherCAT組件和(hé)控制器在同一子網操作時(shí)，則直接以太網幀傳輸就将派上用(yòng)場(chǎng)。

然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網的(de)應用(yòng)。EtherCAT UDP将EtherCAT協議(yì)封裝爲UDP/IP數據報文（參見圖4），這(zhè)就意味著(zhe)，任何以太網協議(yì)堆棧的(de)控制均可(kě)編址到EtherCAT系統之中，甚至通(tōng)訊還(hái)可(kě)以通(tōng)過路由器跨接到其它子網中。顯然，在這(zhè)種變體結構中，系統性能取決于控制的(de)實時(shí)特性和(hé)以太網協議(yì)的(de)實現方式。因爲UDP數據報文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網絡自身的(de)響應時(shí)間基本不受影(yǐng)響。

圖 4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的(de)标準幀

另外，根據主/從數據交換原理(lǐ)，EtherCAT也(yě)非常适合控制器之間（主/從）的(de)通(tōng)訊。自由編址的(de)網絡變量可(kě)用(yòng)于過程數據以及參數、診斷、編程和(hé)各種遠(yuǎn)程控制服務，滿足廣泛的(de)應用(yòng)需求。主站/從站與主站/主站之間的(de)數據通(tōng)訊接口也(yě)相同。

從站到從站的(de)通(tōng)訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上遊設備和(hé)下(xià)遊設備可(kě)以在同一周期内實現通(tōng)訊，速度非常快(kuài)。由于這(zhè)種方法與拓撲結構相關，因此适用(yòng)于由設備架構設計所決定的(de)從站到從站的(de)通(tōng)訊，如打印或包裝應用(yòng)等。而對(duì)于自由配置的(de)從站到從站的(de)通(tōng)訊，則可(kě)以采用(yòng)第二種機制—數據通(tōng)過主站進行中繼。這(zhè)種機制需要兩個(gè)周期才能完成，但由于EtherCAT的(de)性能非常卓越，因此該過程耗時(shí)仍然快(kuài)于采用(yòng)其他(tā)方法所耗費的(de)時(shí)間。

按照(zhào)文獻[3]所述，EtherCAT僅使用(yòng)标準的(de)以太網幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網幀可(kě)以通(tōng)過任何以太網MAC發送，并可(kě)以使用(yòng)标準工具（如：監視器）。

3.2 拓撲 

EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等（參見圖5）。通(tōng)過現場(chǎng)總線而得(de)名的(de)總線結構或線型結構也(yě)可(kě)用(yòng)于以太網，并且不受限于級聯交換機或集線器的(de)數量。

圖 5: 靈活的(de)拓撲結構：線型、樹型或星型拓撲

最有效的(de)系統連線方法是對(duì)線型、分(fēn)支或樹叉結構進行拓撲組合。因爲所需接口在I/O 模塊等很多(duō)設備中都已存在，所以無需附加交換機。當然，仍然可(kě)以使用(yòng)傳統的(de)、基于以太網的(de)星型拓撲結構。

還(hái)可(kě)以選擇不同的(de)電纜以提升連線的(de)靈活性：靈活、經濟的(de)标準超五類以太網電纜可(kě)采用(yòng)100BASE-TX模式傳送信号；塑封光(guāng)纖（PFO）則可(kě)用(yòng)于特殊應用(yòng)場(chǎng)合；還(hái)可(kě)通(tōng)過交換機或介質轉換器實現不同以太網連線（如：不同的(de)光(guāng)纖和(hé)銅電纜）的(de)完整組合。

快(kuài)速以太網的(de)物(wù)理(lǐ)層（100BASE-TX ）允許兩個(gè)設備之間的(de)最大(dà)電纜長(cháng)度爲100米。由于連接的(de)設備數量可(kě)高(gāo)達65535，因此，網絡的(de)容量幾乎沒有限制。

3.3. 分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng) 

精确同步對(duì)于同時(shí)動作的(de)分(fēn)布式過程而言尤爲重要。例如，幾個(gè)伺服軸同時(shí)執行協調運動時(shí)，便是如此。

最有效的(de)同步方法是精确排列分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng)（請參閱IEEE 1588标準[6]）。與完全同步通(tōng)訊中通(tōng)訊出現故障會立刻影(yǐng)響同步品質的(de)情況相比，分(fēn)布排列的(de)時(shí)鐘(zhōng)對(duì)于通(tōng)訊系統中可(kě)能存在的(de)相關故障延遲具有極好的(de)容錯性。

采用(yòng)EtherCAT，數據交換就完全基于純硬件機制。由于通(tōng)訊采用(yòng)了(le)邏輯環結構 （借助于全雙工快(kuài)速以太網的(de)物(wù)理(lǐ)層），主站時(shí)鐘(zhōng)可(kě)以簡單、精确地确定各個(gè)從站時(shí)鐘(zhōng)傳播的(de)延遲偏移，反之亦然。分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng)均基于該值進行調整，這(zhè)意味著(zhe)可(kě)以在網絡範圍内使用(yòng)非常精确的(de)、小于1 微秒的(de)、确定性的(de)同步誤差時(shí)間基（參見圖6）。而跨接工廠等外部同步則可(kě)以基于IEEE 1588 标準。

圖 6: 同步性與一緻性：相距電纜長(cháng)度爲有120米的(de)兩個(gè)分(fēn)布系統，帶有300個(gè)節點的(de)示波器比較

此外，高(gāo)分(fēn)辨率的(de)分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng)不僅可(kě)以用(yòng)于同步，還(hái)可(kě)以提供數據采集的(de)本地時(shí)間精确信息。當采樣時(shí)間非常短暫時(shí)，即使是出現一個(gè)很小的(de)位置測量瞬時(shí)同步偏差，也(yě)會導緻速度計算(suàn)出現較大(dà)的(de)階躍變化(huà)，例如，運動控制器通(tōng)過順序檢測的(de)位置計算(suàn)速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時(shí)間戳數據類型作爲一個(gè)邏輯擴展，以太網所提供的(de)巨大(dà)帶寬使得(de)高(gāo)分(fēn)辨率的(de)系統時(shí)間得(de)以與測量值進行鏈接。這(zhè)樣，速度的(de)精确計算(suàn)就不再受到通(tōng)訊系統的(de)同步誤差值影(yǐng)響，其精度要高(gāo)于基于自由同步誤差的(de)通(tōng)訊測量技術。

3.4 性能 

EtherCAT使網絡性能達到了(le)一個(gè)新境界。借助于從站硬件集成和(hé)網絡控制器主站的(de)直接内存存取，整個(gè)協議(yì)的(de)處理(lǐ)過程都在硬件中得(de)以實現，因此，完全獨立于協議(yì)堆棧的(de)實時(shí)運行系統、CPU 性能或軟件實現方式。1000個(gè)I/O的(de)更新時(shí)間隻需30 µs，其中還(hái)包括I/O周期時(shí)間（參見表1）。單個(gè)以太網幀最多(duō)可(kě)進行1486字節的(de)過程數據交換，幾乎相當于12000個(gè)數字輸入和(hé)輸出，而傳送這(zhè)些數據耗時(shí)僅爲300 µs。

表 1: EtherCAT性能概貌

100個(gè)伺服軸的(de)通(tōng)訊也(yě)非常快(kuài)速：可(kě)在每100µs中更新帶有命令值和(hé)控制數據的(de)所有軸的(de)實際位置及狀态，分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng)技術使軸的(de)同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這(zhè)種性能的(de)情況下(xià)，帶寬仍足以實現異步通(tōng)訊，如TCP/IP、下(xià)載參數或上載診斷數據。

超高(gāo)性能的(de)EtherCAT技術可(kě)以實現傳統的(de)現場(chǎng)總線系統無法迄及的(de)控制理(lǐ)念。EtherCAT使通(tōng)訊技術和(hé)現代工業PC所具有的(de)超強計算(suàn)能力相适應，總線系統不再是控制理(lǐ)念的(de)瓶頸，分(fēn)布式I/O可(kě)能比大(dà)多(duō)數本地I/O接口運行速度更快(kuài)。EtherCAT技術原理(lǐ)具有可(kě)塑性，并不束縛于100 M bps的(de)通(tōng)訊速率，甚至有可(kě)能擴展爲1000 M bps的(de)以太網。 

3.5 診斷 

現場(chǎng)總線系統的(de)實際應用(yòng)經驗表明(míng)，有效性和(hé)試運行時(shí)間關鍵取決于診斷能力。隻有快(kuài)速而準确地檢測出故障，并明(míng)确标明(míng)其所在位置，才能快(kuài)速排除故障。因此，在EtherCAT的(de)研發過程中，特别注重強化(huà)診斷特征。

試運行期間，驅動或I/O 端子等節點的(de)實際配置需要與指定的(de)配置進行匹配性檢查，拓撲結構也(yě)需要與配置相匹配。由于整合的(de)拓撲識别過程已延伸至各個(gè)端子，因此，這(zhè)種檢查不僅可(kě)以在系統啓動期間進行，也(yě)可(kě)以在網絡自動讀取時(shí)進行（配置上載）。

可(kě)以通(tōng)過評估CRC校驗，有效檢測出數據傳送期間的(de)位故障——32 位CRC多(duō)項式的(de)最小漢明(míng)距爲4。除斷線檢測和(hé)定位之外，EtherCAT系統的(de)協議(yì)、物(wù)理(lǐ)層和(hé)拓撲結構還(hái)可(kě)以對(duì)各個(gè)傳輸段分(fēn)别進行品質監視，與錯誤計數器關聯的(de)自動評估還(hái)可(kě)以對(duì)關鍵的(de)網絡段進行精确定位。此外，對(duì)于電磁幹擾、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或突變的(de)錯誤源而言，即便它們尚未過度應變到網絡自恢複能力的(de)範圍，也(yě)可(kě)對(duì)其進行檢測與定位。

3.6 高(gāo)可(kě)靠性 

選擇冗餘電纜可(kě)以滿足快(kuài)速增長(cháng)的(de)系統可(kě)靠性需求，以保證設備更換時(shí)不會導緻網絡癱瘓。您可(kě)以很經濟地增加冗餘特性，僅需在主站設備端增加使用(yòng)一個(gè)标準的(de)以太網端口（無需專用(yòng)網卡或接口），并将單一的(de)電纜從總線型拓撲結構轉變爲環型拓撲結構即可(kě)（見圖7）。當設備或電纜發生故障時(shí)，也(yě)僅需一個(gè)周期即可(kě)完成切換。因此，即使是針對(duì)運動控制要求的(de)應用(yòng)，電纜出現故障時(shí)也(yě)不會有任何問題。EtherCAT也(yě)支持熱(rè)備份的(de)主站冗餘。由于在環路中斷時(shí)EtherCAT從站控制器芯片将立刻自動返回數據幀，一個(gè)設備的(de)失敗不會導緻整個(gè)網絡的(de)癱瘓。例如，拖鏈設備可(kě)以配置爲分(fēn)支拓撲以防線纜斷開。

圖 7: 使用(yòng)标準從站設備的(de)低成本線纜冗餘

3.7 安全性 

爲了(le)實現EtherCAT安全數據通(tōng)信，EtherCAT安全通(tōng)信協議(yì)已經在ETG組織内部公開。EtherCAT被用(yòng)作傳輸安全和(hé)非安全數據的(de)單一通(tōng)道。傳輸介質被認爲是“黑(hēi)色通(tōng)道”而不被包括在安全協議(yì)中（見圖8）。EtherCAT過程數據中的(de)安全數據報文包括安全過程數據和(hé)所要求的(de)數據備份。這(zhè)個(gè)“容器”在設備的(de)應用(yòng)層被安全地解析。通(tōng)信仍然是單一通(tōng)道的(de)。這(zhè)符合IEC61784-3附件中的(de)模型A。

圖 8: 使用(yòng)黑(hēi)色通(tōng)道的(de)EtherCAT安全通(tōng)信軟件構件

EtherCAT安全協議(yì)已經由德國技術監督局（TÜV SÜD Rail）評估爲滿足IEC61508定義的(de)SIL3等級的(de)安全設備之間傳輸過程數據的(de)通(tōng)信協議(yì)。設備上實施EtherCAT安全協議(yì)必須滿足安全目标的(de)需求。相應的(de)産品相關要求也(yě)必須考慮進來(lái)。

圖 9: EtherCAT安全系統

圖9中的(de)應用(yòng)示例受益于這(zhè)種技術。安全元件在自動化(huà)系統中所需要的(de)任意地方都可(kě)以使用(yòng)。系統中可(kě)以使用(yòng)不同規模的(de)本地輸入和(hé)輸出元件。可(kě)以根據需求使用(yòng)安全或非安全總線端子擴展額外的(de)輸入和(hé)輸出。安全邏輯也(yě)嵌入到網絡當中。這(zhè)樣不用(yòng)安全擴展的(de)标準PLC可(kě)以繼續處理(lǐ)控制任務。安全輸入和(hé)輸出功能需要的(de)本地安全邏輯由智能化(huà)的(de)安全總線端子實現。這(zhè)節約了(le)昂貴的(de)安全PLC所帶來(lái)的(de)成本，并可(kě)以根據當前任務随意裁剪邏輯功能。隻有安全EtherCAT主站和(hé)所分(fēn)配的(de)安全從站通(tōng)過非安全的(de)标準PLC路由。

• 本協議(yì)在安全數據長(cháng)度，通(tōng)信介質或波特率方面麽有限制。

• EtherCAT被用(yòng)作“黑(hēi)色通(tōng)道”，即，通(tōng)信系統在安全處理(lǐ)中沒有任何作用(yòng)。

• 協議(yì)被鑒定符合IEC61508定義的(de)SIL3等級

• 提供EtherCAT安全功能的(de)産品已經于2005年就上市了(le)。

3.8 EtherCAT 取代PCI 

随著(zhe)PC組件急劇向小型化(huà)方向發展，工業PC的(de)體積日趨取決于插槽的(de)數目。而快(kuài)速以太網的(de)帶寬和(hé)EtherCAT通(tōng)訊硬件的(de)過程數據長(cháng)度則爲該領域的(de)發展提供了(le)新的(de)可(kě)能性——IPC 中的(de)傳統接口現在可(kě)以轉變爲集成的(de)EtherCAT接口端子（參見圖10）。除了(le)可(kě)以對(duì)分(fēn)布式I/O進行編址，還(hái)可(kě)以對(duì)驅動和(hé)控制單元以及現場(chǎng)總線主站、快(kuài)速串行接口、網關和(hé)其它通(tōng)訊接口等複合系統進行編址。

圖 10: 分(fēn)布式現場(chǎng)總線接口

即使是其他(tā)無協議(yì)限制的(de)以太網設備變體，也(yě)可(kě)以通(tōng)過分(fēn)布式交換機端口設備進行連接。由于一個(gè)以太網接口足以滿足整個(gè)外圍設備的(de)通(tōng)訊 （參見圖11），因此，這(zhè)不僅極大(dà)地精簡了(le)IPC主機的(de)體積和(hé)外觀，而且也(yě)降低了(le)IPC主機的(de)成本。

圖 11: EtherCAT使控制器的(de)體積顯著減小

3.9 設備行規 

設備行規描述了(le)設備的(de)應用(yòng)參數和(hé)功能特性，如設備類别相關的(de)機器狀态等。現場(chǎng)總線技術已經爲I/O設備、驅動、閥等許多(duō)設備類别提供了(le)可(kě)利用(yòng)的(de)設備行規。用(yòng)戶非常熟悉這(zhè)些行規以及相關的(de)參數和(hé)工具，因此，EtherCAT無需爲這(zhè)些設備類别重新開發設備行規，而是爲現有的(de)設備行規提供了(le)簡單的(de)接口。該特性使得(de)用(yòng)戶和(hé)設備制造商可(kě)以輕松完成從現有的(de)現場(chǎng)總線到EtherCAT技術的(de)轉換過程。

3.9.1 EtherCAT實現CANopen (CoE) 

CANopen©設備和(hé)應用(yòng)行規廣泛用(yòng)于多(duō)種設備類别和(hé)應用(yòng)，如I/O組件、驅動、編碼器、比例閥、液壓控制器，以及用(yòng)于塑料或紡織行業的(de)應用(yòng)行規等。EtherCAT可(kě)以提供與CANopen機制[7]相同的(de)通(tōng)訊機制，包括對(duì)象字典、PDO（過程數據對(duì)象）、SDO（服務數據對(duì)象），甚至于網絡管理(lǐ)。因此，在已經安裝了(le)CANopen的(de)設備中，僅需稍加變動即可(kě)輕松實現EtherCAT，絕大(dà)部分(fēn)的(de)CANopen©固件都得(de)以重複利用(yòng)。并且，可(kě)以選擇性地擴展對(duì)象，以便利用(yòng)EtherCAT所提供的(de)巨大(dà)帶寬。

3.9.2 EtherCAT實施伺服驅動 設備行規IEC 61491 (SoE) 

SERCOS interface™ 是全球公認的(de)、用(yòng)于高(gāo)性能實時(shí)運行系統的(de)通(tōng)訊接口，尤其适用(yòng)于運動控制的(de)應用(yòng)場(chǎng)合。用(yòng)于伺服驅動和(hé)通(tōng)訊技術的(de)SERCOS™框架屬于IEC 61491标準[8] 的(de)範疇。該伺服驅動框架可(kě)以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅動中的(de)服務通(tōng)道、全部參數存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（參見圖12）。在此，關注焦點還(hái)是EtherCAT與現有協議(yì)的(de)兼容性（IDN的(de)存取值、屬性、名稱、單位等），以及與數據長(cháng)度限制相關的(de)擴展性。過程數據，即形式爲AT和(hé)MDT的(de)SERCOS™數據，都使用(yòng)EtherCAT從站控制器機制進行傳送，其映射與SERCOS映射相似。并且，EtherCAT從站的(de)設備狀态也(yě)可(kě)以非常容易地映射爲SERCOS™協議(yì)狀态。EtherCAT從站狀态機可(kě)以很容易地映射到SERCOS™協議(yì)的(de)通(tōng)信階段。EtherCAT爲這(zhè)種在CNC行業中廣泛使用(yòng)的(de)設備行規提供了(le)先進的(de)實時(shí)以太網技術。這(zhè)種設備行規的(de)優點與EtherCAT分(fēn)布時(shí)鐘(zhōng)提供的(de)優點相結合，保證了(le)網絡範圍内精确時(shí)鐘(zhōng)同步。可(kě)以任意傳輸位置命令，速度命令或扭矩命令。取決于實現方式，甚至可(kě)能繼續使用(yòng)相同的(de)設備配置工具。

圖 12: 同時(shí)并存的(de)多(duō)個(gè)設備行規和(hé)協議(yì)

3.10 EtherCAT實現以太網(EoE) 

EtherCAT技術不僅完全兼容以太網，而且在“設計”之初就具備良好的(de)開放性特征——該協議(yì)可(kě)以在相同的(de)物(wù)理(lǐ)層網絡中包容其它基于以太網的(de)服務和(hé)協議(yì)，通(tōng)常可(kě)将其性能損失降到最小。對(duì)以太網的(de)設備類型沒有限制，設備可(kě)通(tōng)過交換機端口在EtherCAT段内進行連接。以太網幀通(tōng)過EtherCAT協議(yì)開通(tōng)隧道，這(zhè)也(yě)正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特網應用(yòng)所普遍采取的(de)方法。EtherCAT網絡對(duì)以太網設備而言是完全透明(míng)的(de)，其實時(shí)特性也(yě)不會發生畸變（參見圖13）。

圖 13: 對(duì)所有以太網協議(yì)完全透明(míng)

EtherCAT設備可(kě)以包容其它的(de)以太網協議(yì)，因此具備标準以太網設備的(de)一切特性。主站的(de)作用(yòng)與第2層交換機所起的(de)作用(yòng)一樣，可(kě)按照(zhào)編址信息将以太網幀重新定向到相應的(de)設備。因此，集成萬維網服務器、電子郵件和(hé)FTP 傳送等所有的(de)因特網技術都可(kě)以在EtherCAT的(de)環境中得(de)以應用(yòng)。

3.11 EtherCAT實現文件讀取(FoE) 

這(zhè)種簡單的(de)協議(yì)與TFTP類似，允許存取設備中的(de)任何數據結構。因此，無論設備是否支持TCP/IP，都有可(kě)能将标準化(huà)固件上載到設備上。

3.12 ADS over EtherCAT (AoE) 

ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT規範定義的(de)客戶端-服務器郵箱協議(yì)。盡管CoE協議(yì)提供了(le)詳盡的(de)描述，但AoE則更适合路由與并行服務的(de)應用(yòng)：通(tōng)過網關設備訪問子網絡，如EtherCAT至CANopen® 或 EtherCAT至IO-Link™ 網關設備。AoE使EtherCAT主站應用(yòng)（如PLC程序）可(kě)以訪問所屬CANopen® 或 IO-Link™從站的(de)各個(gè)參數。AoE路由機制開銷遠(yuǎn)低于因特網協議(yì)（IP）所定義的(de)開銷，并且發送方和(hé)接收方尋址參數始終包含在AoE報文中。因此，EtherCAT主站和(hé)從站端的(de)實施更爲精簡。AoE也(yě)通(tōng)過EtherCAT自動化(huà)協議(yì)（EAP）進行非周期通(tōng)信的(de)标準化(huà)，從而爲上位機MES系統或主計算(suàn)機、EtherCAT主站及其從屬的(de)現有設備之間提供無縫通(tōng)信。同時(shí)，AoE也(yě)提供了(le)從遠(yuǎn)程診斷工具獲取EtherCAT網絡診斷信息的(de)标準化(huà)方法。

4. 基礎設施成本 

由于EtherCAT無需集線器和(hé)交換機，因此，在環境條件允許的(de)情況下(xià)，可(kě)以節省電源、安裝費用(yòng)等設備方面的(de)投資，隻需使用(yòng)标準的(de)以太網電纜和(hé)價格低廉的(de)标準連接器即可(kě)。如果環境條件有特殊要求，則可(kě)以依照(zhào)IEC标準，使用(yòng)增強密封保護等級的(de)連接器。

5. EtherCAT 實施 

EtherCAT技術是面向經濟的(de)設備而開發的(de)，如I/O 端子、傳感器和(hé)嵌入式控制器等。EtherCAT使用(yòng)遵循IEEE802.3标準的(de)以太網幀。這(zhè)些幀由主站設備發送，從站設備隻是在以太網幀經過其所在位置時(shí)才提取和(hé)/或插入數據。因此，EtherCAT 使用(yòng)标準的(de)以太網MAC，這(zhè)正是其在主站設備方面智能化(huà)的(de)表現。同樣，EtherCAT在從站控制器中使用(yòng)專用(yòng)芯片，這(zhè)也(yě)是其在從站設備方面智能化(huà)的(de)表現——無論本地處理(lǐ)能力是否強大(dà)或軟件品質好壞與否，專用(yòng)芯片均可(kě)在硬件中處理(lǐ)過程數據協議(yì)，并提供最佳實時(shí)性能。

5.1 主站 

EtherCAT可(kě)以在單個(gè)以太網幀中最多(duō)實現1486字節的(de)分(fēn)布式過程數據通(tōng)訊。其它解決方案一般是，主站設備需要在每個(gè)網絡周期中爲各個(gè)節點處理(lǐ)、發送和(hé)接收幀。而EtherCAT系統與此不同之處在于，在通(tōng)常情況下(xià)，每周期僅需要一個(gè)或兩個(gè)幀即可(kě)完成所有節點的(de)全部通(tōng)訊，因此，EtherCAT主站不需要專用(yòng)的(de)通(tōng)訊處理(lǐ)器。主站功能幾乎不會給主機CPU帶來(lái)任何負擔，輕松處理(lǐ)這(zhè)些任務的(de)同時(shí)，還(hái)可(kě)以處理(lǐ)應用(yòng)程序，因此EtherCAT 無需使用(yòng)昂貴的(de)專用(yòng)有源插接卡，隻需使用(yòng)無源的(de)NIC卡或主闆集成的(de)以太網MAC設備即可(kě)。EtherCAT主站很容易實現，尤其适用(yòng)于中小規模的(de)控制系統和(hé)有明(míng)确規定的(de)應用(yòng)場(chǎng)合。

例如，如果某個(gè)單個(gè)過程映像的(de)PLC沒有超過1486 字節，那麽在其周期時(shí)間内循環發送這(zhè)個(gè)以太網幀就足夠了(le)。因爲報文頭運行時(shí)不會發生變化(huà)，所以隻需将常數報文頭插入到過程映像中，并将結果傳送到以太網控制器即可(kě)。

EtherCAT映射不是在主站産生，而是在從站産生（外圍設備将數據插入所經以太網幀的(de)相應位置），因此，此時(shí)過程映像已經完成排序。該特性進一步減輕了(le)主機CPU的(de)負擔。可(kě)以看到，EtherCAT主站完全在主機CPU中采用(yòng)軟件方式實現，相比之下(xià)，傳統的(de)慢(màn)速現場(chǎng)總線系統通(tōng)過有源插接卡方可(kě)實現主站的(de)方式則要占用(yòng)更多(duō)的(de)資源，甚至服務于DPRAM的(de)有源卡本身也(yě)将占用(yòng)可(kě)觀的(de)主機資源。

系統配置工具（通(tōng)過生産商獲取）可(kě)提供包括相應的(de)标準 XML 格式啓動順序在内的(de)網絡和(hé)設備參數。

圖 14: 主站實施的(de)單個(gè)過程映像

5.1.1 主站實施服務 

已經在各種實時(shí)操作系統上實現了(le)EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9, MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux, PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.

可(kě)以獲得(de)開源主站協議(yì)棧，作爲示例代碼或商業軟件。也(yě)有各種公司提供各種硬件平台上的(de)實施服務。可(kě)以在EtherCAT網站上的(de)産品區(qū)找到快(kuài)速增長(cháng)的(de)供應商信息[1]。

5.1.2 主站樣本代碼 

另一種EtherCAT主站的(de)實現方式是使用(yòng)樣本代碼，花費不高(gāo)。軟件以源代碼形式提供，包括所有的(de)EtherCAT主站功能，甚至還(hái)包括EoE（EtherCAT實現以太網）功能（見圖15）。開發人(rén)員(yuán)隻要把這(zhè)些應用(yòng)于Windows環境的(de)代碼與目标硬件及所使用(yòng)的(de)RTOS加以匹配就可(kě)以了(le)。該軟件代碼已經成功應用(yòng)于多(duō)個(gè)系統。

圖 15: 主站樣本代碼結構

5.2 從站 

EtherCAT從站設備使用(yòng)一個(gè)價格低廉的(de)從站控制器芯片ESC。從站不需要微處理(lǐ)器就可(kě)以實現EtherCAT通(tōng)信。可(kě)以通(tōng)過I/O接口實現的(de)簡單設備可(kě)以隻由ESC和(hé)其下(xià)的(de)PHY，變壓器和(hé)RJ45接頭。給從站的(de)過程數據接口是32位的(de)I/O接口。這(zhè)種從站沒有可(kě)配置的(de)參數，所以不需要軟件或郵箱協議(yì)。EtherCAT狀态機由ESC處理(lǐ)。ESC的(de)啓動信息從EEPROM中讀取，它也(yě)支持從站的(de)身份識别。更複雜(zá)的(de)可(kě)配置從站有使用(yòng)一個(gè)CPU。這(zhè)個(gè)CPU和(hé)ESC之間使用(yòng)8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的(de)CPU性能取決于從站的(de)應用(yòng)，EtherCAT協議(yì)軟件在其上運行。EtherCAT協議(yì)棧管理(lǐ)EtherCAT狀态機和(hé)應用(yòng)層協議(yì)，可(kě)以實現CoE協議(yì)和(hé)支持固件下(xià)載的(de)FoE協議(yì)。EoE協議(yì)也(yě)可(kě)以實施。

5.2.1 EtherCAT Slave Controller 

目前，有多(duō)家制造商均提供EtherCAT從站控制器。通(tōng)過價格低廉的(de)FPGA，也(yě)可(kě)實現從站控制器的(de)功能，可(kě)以購(gòu)買授權以獲取相應的(de)二進制代碼。

• 從站控制器通(tōng)常都有一個(gè)内部的(de)DPRAM，并提供存取這(zhè)些應用(yòng)内存的(de)接口範圍：

• 串行SPI（串行外圍接口）主要用(yòng)于數量較小的(de)過程數據設備，如模拟量I/O模塊、傳感器、編碼器和(hé)簡單驅動等。該接口通(tōng)常使用(yòng)8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(見圖16)。

• 8/16位微控制器并行接口與帶有DPRAM接口的(de)傳統現場(chǎng)總線控制器接口相對(duì)應，尤其适用(yòng)于數據量較大(dà)的(de)複雜(zá)設備。通(tōng)常情況下(xià)，微控制器使用(yòng)的(de)接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和(hé)TI TMS320等系列(見圖16)。

• 32位并行I/O接口不僅可(kě)以連接多(duō)達32位數字輸入/輸出，而且也(yě)适用(yòng)于簡單的(de)傳感器或執行器的(de)32位數據操作。這(zhè)類設備無需主機CPU(見圖17)。

圖 16: 從站硬件：帶主機CPU的(de)FPGA

 17: 從站硬件：帶直接I/O的(de)FPGA

關于EtherCAT從站控制器的(de)最新信息，請登錄EtherCAT網站[1]。

5.2.2 從站評估工具包 

倍福公司提供的(de)從站評估工具包使接口操作變得(de)簡便易行。由于采用(yòng)了(le)EtherCAT，無需功能強大(dà)的(de)通(tōng)訊處理(lǐ)器，因此，可(kě)将從站評估工具包中的(de)8位微處理(lǐ)器作爲主機CPU使用(yòng)。該工具包還(hái)包括源代碼形式的(de)從站主機軟件（相當于協議(yì)堆棧）和(hé)參考主站軟件包（TwinCAT）。

6. 小結 

EtherCAT 擁有傑出的(de)通(tōng)訊性能，接線非常簡單，并對(duì)其它協議(yì)開放。傳統的(de)現場(chǎng)總線系統已達到了(le)極限，而EtherCAT則突破建立了(le)新的(de)技術标準——30 µs内可(kě)以更新1000個(gè)I/O數據，可(kě)選擇雙絞線或光(guāng)纖，并利用(yòng)以太網和(hé)因特網技術實現垂直優化(huà)集成。使用(yòng) EtherCAT，可(kě)以用(yòng)簡單的(de)線型拓撲結構替代昂貴的(de)星型以太網拓撲結構，無需昂貴的(de)基礎組件。EtherCAT還(hái)可(kě)以使用(yòng)傳統的(de)交換機連接方式，以集成其它的(de)以太網設備。其它的(de)實時(shí)以太網方案需要與控制器進行特殊連接，而EtherCAT隻需要價格低廉的(de)标準以太網卡(NIC) 便可(kě)實現。

EtherCAT擁有多(duō)種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的(de)通(tōng)訊（參見圖18）。它實現了(le)安全功能，采用(yòng)技術可(kě)行且經濟實用(yòng)的(de)方法，使以太網技術可(kě)以向下(xià)延伸至I/O級。EtherCAT功能優越，可(kě)以完全兼容以太網，可(kě)将因特網技術嵌入到簡單設備中，并最大(dà)化(huà)地利用(yòng)了(le)以太網所提供的(de)巨大(dà)帶寬，是一種實時(shí)性能優越且成本低廉的(de)網絡技術。

圖 19: 網絡結構形式多(duō)樣

7. 參考文獻 

[1]EtherCAT Technology Group (ETG) 

http://www.ethercat.org

[2] IEC 61158-3/4/5/6-12 (Ed.1.0), Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Part 4-12: Data-link layer protocol specification – Part 5-12: Application layer service definition – Part 6-12: Application layer protocol specification – Type 12 elements (EtherCAT)

[3] IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications

[4] IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation

[5] ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits

[6] IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

[7] EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. Part 4: CANopen

[8] IEC 61800-7-301/304 (Ed.1.0), Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-301: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 1 to network technologies– Part 7-304: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 4 to network technologies

[9]SEMI E54.20: Standard for Sensor/Actuator Network Communications for EtherCAT.