【摘要】 本文深入闡述了基于以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的EtherCAT技術(shù)。EtherCAT為現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域樹立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡單，和現(xiàn)場總線系統(tǒng)一樣操作直觀簡便。另外，由于EtherCAT實現(xiàn)成本低廉，因此使系統(tǒng)得以在過去無法應(yīng)用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合中選用現(xiàn)場總線。 引言 現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。 雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實際控制任務(wù)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、 I/O 系統(tǒng)中的本地擴展總線或外圍設(shè)備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3-5倍。（圖1見書） 在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)。 以太網(wǎng)和實時能力 目前，有許多方案力求實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實現(xiàn)方式。 如果將單個以太網(wǎng)禎用于每個設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)禎為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個驅(qū)動器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負(fù)荷為100%（即：無限小的驅(qū)動響應(yīng)時間）時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均響應(yīng)時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng)禎到每個設(shè)備（或期望禎來自每個設(shè)備）的實時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)禎內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。 EtherCAT工作原理 EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中（圖2見書）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。 由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)禎壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以可用數(shù)據(jù)率可達90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可以達到> 100 Mb/s （> 2 x 100 Mb/s的90%） （圖3見書）。 符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個設(shè)備。耦合設(shè)備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉(zhuǎn)換為LVDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設(shè)備的需求。這樣，就可以非常經(jīng)濟地對模塊化設(shè)備進行擴展了。之后，便可以如普通以太網(wǎng)一樣，隨時進行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉(zhuǎn)換。 協(xié)議 EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，可以在以太網(wǎng)禎內(nèi)直接傳送。EtherCAT協(xié)議可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現(xiàn)。如果需要實現(xiàn)最大化性能，并且需要將EtherCAT組件作為同一子網(wǎng)控制器進行操作，則可直接傳送以太網(wǎng)禎。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為 UDP/IP數(shù)據(jù)報文（圖4見書），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。 另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)交換原理，EtherCAT 也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。同理，主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口相同。 從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊，速度非?？?。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機制——數(shù)據(jù)通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時仍然小于采用其他方法所耗費的時間。 按照文獻[3]所述，EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)禎，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網(wǎng)禎可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具（如：monitor）。 拓?fù)?/b> EtherCAT幾乎支持任何拓?fù)漕愋?，包括線型、樹型、星型等（圖5見書）。通過現(xiàn)場總線而得名的總線或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。 最有效的系統(tǒng)連線方法是對線型、分支或樹叉結(jié)構(gòu)進行拓?fù)浣M合。因為所需接口在I/O 模塊等很多設(shè)備中都已存在，所以無需附加交換機。當(dāng)然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、廉價的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)補償電纜可采用 100 Mb/s TX模式傳送信號；塑封光纖（POF）可補充用于特殊應(yīng)用場合；還可以通過交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。 快速以太網(wǎng)的物理層（100 M b/s-TX）允許兩個設(shè)備之間的最大電纜長度達到100米。由于連接的設(shè)備數(shù)量可達65535，因此，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒有限制。 分布時鐘 精確同步對于同時動作的分布式過程而言尤為重要。例如，幾個伺服軸同時執(zhí)行協(xié)調(diào)運動時，便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時鐘（請參閱IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)[6]）。與完全同步通訊中容易出現(xiàn)通訊故障，立即影響同步品質(zhì)的情況相比，分布排列的時鐘對于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關(guān)故障延遲具有極好的容錯性。 采用EtherCAT，數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環(huán)結(jié)構(gòu) （借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層），主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移，反之亦然。分布時鐘均基于該值進行調(diào)整，這意味著可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時間基（圖6見書）。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)。 此外，高分辨率的分布時鐘不僅可以用于同步，還可以提供數(shù)據(jù)采集的本地時間精確信息。當(dāng)采樣時間非常短暫時，即使是出現(xiàn)一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導(dǎo)致速度計算出現(xiàn)較大的階躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數(shù)據(jù)類型作為一個邏輯擴展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統(tǒng)的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術(shù)。 性能 EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達到了一個新境界。借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡(luò)控制器主站的直接內(nèi)存存取，整個協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實現(xiàn)，因此，完全獨立于協(xié)議堆棧的實時運行系統(tǒng)、CPU 性能或軟件實現(xiàn)方式。1000個I/O的更新時間只需30 µs，其中還包括I/O周期時間（參見表1）。單個以太網(wǎng)禎最多可進行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300 µs。 100個伺服軸的通訊也非?？焖伲嚎稍诿?00µs中更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實際位置及狀態(tài)，分布時鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在這種節(jié)奏下，帶寬仍足以實現(xiàn)異步通訊，如TCP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。 超高性能的EtherCAT技術(shù)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強計算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運行速度更快。EtherCAT技術(shù)原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000 M bps的以太網(wǎng)。 診斷 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，有效性和試運行時間關(guān)鍵取決于診斷能力。只有快速而準(zhǔn)確地檢測出故障，并明確標(biāo)明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重強化診斷特征。 試運行期間，驅(qū)動或I/O 端子等節(jié)點的實際配置需要與指定的配置進行匹配性檢查，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也需要與配置相匹配。由于整合的拓?fù)渥R別過程已延伸至各個端子，因此，這種檢查不僅可以在系統(tǒng)啟動期間進行，也可以在網(wǎng)絡(luò)自動讀取時進行（配置上載）。 可以通過評估CRC校驗，有效檢測出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障——32 位CRC多項式的最小漢明距為4。除斷線檢測和定位之外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議、物理層和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以對各個傳輸段分別進行品質(zhì)監(jiān)視，與錯誤計數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動評估還可以對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進行精確定位。此外，對于EMI影響、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或變化的錯誤源而言，即便它們尚未過度應(yīng)變到網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)能力的范圍，也可對其進行檢測與定位。 高可靠性 選擇冗余電纜可以滿足快速增長的系統(tǒng)可靠性需求，以保證設(shè)備更換時不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。增加冗余特性耗費不高，僅需在主站設(shè)備端增加使用一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口（無需專用網(wǎng)卡或接口），并將單一的電纜從總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)備或電纜發(fā)生故障時，也僅需一個周期即可完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應(yīng)用，電纜出現(xiàn)故障時也不會有任何問題。 EtherCAT還支持主站在線待機冗余功能。一旦出現(xiàn)中斷、設(shè)備故障等問題，EtherCAT從站控制器可以立即自動返回以太網(wǎng)禎，所以不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰。例如：應(yīng)用冗余鏈就可以指定分支配置，防止電纜斷線。 安全 不管是使用硬件還是使用專用的安全總線系統(tǒng)，傳統(tǒng)觀念總是認(rèn)為，自動化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與安全功能相分離。但EtherCAT所實現(xiàn)的安全功能可以在同一網(wǎng)絡(luò)中將安全相關(guān)的通訊和控制通訊融合為一體。安全協(xié)議基于EtherCAT應(yīng)用層，不受低層協(xié)議的影響，并遵循IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，滿足安全集成級（SIL）4的要求。數(shù)據(jù)長度可以變化的，因此該協(xié)議既完全適合于安全 I/O 數(shù)據(jù)，也適合于安全驅(qū)動技術(shù)。和其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)可以通過無安全功能的路由器或網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)路由。目前，首批獲得完全認(rèn)證的EtherCAT安全產(chǎn)品已經(jīng)上市。 EtherCAT取代PCI 隨著PC組件急劇向小型化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積日趨取決于插槽的數(shù)目。而快速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長度則為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性——IPC 中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻腅therCAT接口端子（圖7見書）。 除了可以對分布式I/O進行編址，還可以對驅(qū)動和控制單元以及現(xiàn)場總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)合系統(tǒng)進行編址。 即使是其他無協(xié)議限制的以太網(wǎng)設(shè)備變體，也可以通過分布式交換機端口設(shè)備進行連接。由于一個以太網(wǎng)接口足以滿足整個外圍設(shè)備的通訊 （圖8見書），因此，這不僅極大地精簡了IPC主機的體積和外觀，而且也降低了IPC主機的成本。 設(shè)備框架 設(shè)備框架描述了設(shè)備的應(yīng)用參數(shù)和功能特性，如設(shè)備類別相關(guān)的機器狀態(tài)等。現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)為I/O設(shè)備、驅(qū)動、閥等許多設(shè)備類別提供了可利用的設(shè)備框架。用戶非常熟悉這些框架以及相關(guān)的參數(shù)和工具，因此，EtherCAT無需為這些設(shè)備類別重新開發(fā)設(shè)備框架，而是為現(xiàn)有的設(shè)備框架提供了簡單的接口。該特性使得用戶和設(shè)備制造商可以輕松完成從現(xiàn)有的現(xiàn)場總線到EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)換過程。 EtherCAT實現(xiàn)CANopen（CoE） CANopen設(shè)備和應(yīng)用框架廣泛用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用，如I/O組件、驅(qū)動、編碼器、比例閥、液壓控制器，以及用于塑料或紡織行業(yè)的應(yīng)用框架等。EtherCAT可以提供與CANopen機制[7]相同的通訊機制，包括對象字典、PDO（過程數(shù)據(jù)對象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象），甚至于網(wǎng)絡(luò)管理。因此，在已經(jīng)安裝了CANopen的設(shè)備中，僅需稍加變動即可輕松實現(xiàn)EtherCAT，絕大部分的CANopen固件都得以重復(fù)利用。并且，可以選擇性地擴展對象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。 EtherCAT實現(xiàn)遵循IEC 61491的伺服驅(qū)動框架（SoE） SERCOS interface™是全球公認(rèn)的、用于高性能實時運行系統(tǒng)的通訊接口，尤其適用于運動控制的應(yīng)用場合。用于伺服驅(qū)動和通訊技術(shù)的SERCOS框架屬于IEC 61491標(biāo)準(zhǔn)[8] 的范疇。該伺服驅(qū)動框架可以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅(qū)動中的服務(wù)通道、全部參數(shù)存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（圖9見書）。在此，關(guān)注焦點還是EtherCAT與現(xiàn)有協(xié)議的兼容性（IDN的存取值、屬性、名稱、單位等），以及與數(shù)據(jù)長度限制相關(guān)的擴展性。過程數(shù)據(jù)，即形式為AT和MDT的SERCOS數(shù)據(jù)，都使用EtherCAT從站控制器機制進行傳送，其映射與SERCOS映射相似。并且，EtherCAT從站的設(shè)備狀態(tài)也可以非常容易地映射為SERCOS協(xié)議狀態(tài)。 這些伺服驅(qū)動框架應(yīng)用了EtherCAT先進的實時以太網(wǎng)技術(shù)，并廣泛采納于CNC的應(yīng)用之中。設(shè)備框架的優(yōu)勢與EtherCAT的優(yōu)勢相結(jié)合：分布時鐘保證了網(wǎng)絡(luò)范圍的精確同步，并且，可以選擇性地傳送位置、速度或轉(zhuǎn)矩命令。根據(jù)具體的實施方法，驅(qū)動還有可能繼續(xù)使用現(xiàn)有的配置工具。 EtherCAT 實現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE） EtherCAT技術(shù)不僅完全兼容以太網(wǎng)，而且在“設(shè)計”之初就具備良好的開放性特征——該協(xié)議可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議，通?？蓪⑵湫阅軗p失降到最小。對以太網(wǎng)的設(shè)備類型沒有限制，設(shè)備可通過交換機端口在EtherCAT段內(nèi)進行連接。以太網(wǎng)禎通過EtherCAT協(xié)議開通隧道，這也正是VPN、 PPPoE （DSL） 等因特網(wǎng)應(yīng)用所普遍采取的方法。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)對以太網(wǎng)設(shè)備而言是完全透明的，其實時特性也不會發(fā)生畸變（圖10見書）。 EtherCAT設(shè)備可以包容其它的以太網(wǎng)協(xié)議，因此具備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的一切特性。主站的作用與第2層交換機所起的作用一樣，可按照編址信息將以太網(wǎng)禎重新定向到相應(yīng)的設(shè)備。因此，集成萬維網(wǎng)服務(wù)器、電子郵件和FTP 傳送等所有的因特網(wǎng)技術(shù)都可以在EtherCAT的環(huán)境中得以應(yīng)用。 EtherCAT實現(xiàn)文件存?。‵oE） 這種簡單的協(xié)議與TFTP類似，允許存取設(shè)備中的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，無論設(shè)備是否支持TCP/IP，都有可能將標(biāo)準(zhǔn)化固件上載到設(shè)備上。 基礎(chǔ)設(shè)施投資 由于EtherCAT無需集線器和交換機，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費用等設(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，使用增強密封保護等級的連接器。 EtherCAT的實現(xiàn)層面 EtherCAT技術(shù)是面向價格低廉的設(shè)備而開發(fā)的，如I/O 端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)禎。這些禎由主站設(shè)備發(fā)送，從站設(shè)備只是在以太網(wǎng)禎經(jīng)過其所在位置時才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)。同樣，EtherCAT在從站控制器中使用專用芯片，這也是其在從站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)——無論本地處理能力是否強大或軟件品質(zhì)好壞與否，專用芯片均可在硬件中處理過程數(shù)據(jù)協(xié)議，并提供最佳實時性能。 主站 EtherCAT可以在單個以太網(wǎng)禎中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個網(wǎng)絡(luò)周期中為各個節(jié)點處理、發(fā)送和接收禎。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于，在通常情況下，每周期僅需要一個或兩個禎即可完成所有節(jié)點的全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會給主機CPU帶來任何負(fù)擔(dān)，輕松處理這些任務(wù)的同時，還可以處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT 無需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站很容易實現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場合。 例如，如果某個單個過程映像的PLC沒有超過1486 字節(jié)，那么在其周期時間內(nèi)循環(huán)發(fā)送這個以太網(wǎng)禎就足夠了。因為報文頭運行時不會發(fā)生變化，所以只需將常數(shù)報文頭插入到過程映像中，并將結(jié)果傳送到以太網(wǎng)控制器即可。 EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生，而是在從站產(chǎn)生（外圍設(shè)備將數(shù)據(jù)插入所經(jīng)以太網(wǎng)禎的相應(yīng)位置），因此，此時過程映像已經(jīng)完成排序。該特性進一步減輕了主機 CPU 的負(fù)擔(dān)。可以看到，EtherCAT主站完全在主機CPU中采用軟件方式實現(xiàn)，相比之下，傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過有源插接卡方可實現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務(wù)于 DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機資源。 系統(tǒng)配置工具（通過生產(chǎn)商獲?。┛商峁┌ㄏ鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn) XML 格式啟動順序在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)。 主站實現(xiàn)服務(wù) 可通過生產(chǎn)商獲取主站代碼、實現(xiàn)服務(wù)和技術(shù)支持，可用于多種硬件平臺與操作系統(tǒng)。可登陸EtherCAT網(wǎng)站[1]，了解該方面信息。EtherCAT網(wǎng)站還提供開放的源代碼實現(xiàn)方式和相應(yīng)的RTOS開放源代碼。 主站樣本代碼 另一種EtherCAT主站的實現(xiàn)方式是使用樣本代碼，花費不高。軟件以源代碼形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至還包括EoE（EtherCAT實現(xiàn)以太網(wǎng)）功能。開發(fā)人員只要把這些應(yīng)用于Windows環(huán)境的代碼與目標(biāo)硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。該軟件代碼已經(jīng)成功應(yīng)用于多個系統(tǒng)。 從站 目前，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器。通過價格低廉的FPGA，也可實現(xiàn)從站控制器的功能，可以購買授權(quán)以獲取相應(yīng)的二進制代碼。 從站控制器通常都有一個內(nèi)部的DPRAM，并提供存取這些應(yīng)用內(nèi)存的接口范圍： ·串行SPI（串行外圍接口）主要用于數(shù)量較小的過程數(shù)據(jù)設(shè)備，如模擬量I/O模塊、傳感器、編碼器和簡單驅(qū)動等。該接口通常使用8位微控制器，如微型芯片 PIC、DSP、Intel 80C51等。 ·8/16位微控制器并行接口與帶有DPRAM接口的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線控制器接口相對應(yīng)，尤其適用于數(shù)據(jù)量較大的復(fù)雜設(shè)備。通常情況下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列。 ·32位并行I/O接口不僅可以連接多達32位數(shù)字輸入/輸出，而且也適用于簡單的傳感器或執(zhí)行器的32位數(shù)據(jù)操作。這類設(shè)備無需主機CPU。 從站評估工具包 從站評估工具包使接口操作變得簡便易行。由于采用了EtherCAT，無需功能強大的通訊處理器，因此，可將從站評估工具包中的8位微處理器作為主機CPU使用。該工具包還包括源代碼形式的從站主機軟件（相當(dāng)于協(xié)議堆棧）和主站軟件樣本包。 小結(jié) EtherCAT 擁有杰出的通訊性能，接線非常簡單，并對其它協(xié)議開放。傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)已達到了極限，而EtherCAT則突破建立了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——30 µs內(nèi)可以更新1000個I/O數(shù)據(jù)，可選擇雙絞線或光纖，并利用以太網(wǎng)和因特網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)垂直優(yōu)化集成。 使用 EtherCAT，可以用簡單的線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代昂貴的星型以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無需昂貴的基礎(chǔ)組件。EtherCAT還可以使用傳統(tǒng)的交換機連接方式，以集成其它的以太網(wǎng)設(shè)備。其它的實時以太網(wǎng)方案需要與控制器進行特殊連接，而EtherCAT只需要價格低廉的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡 （NIC）便可實現(xiàn)。 EtherCAT擁有多種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊（圖11見書）。它實現(xiàn)了安全功能，采用技術(shù)可行且經(jīng)濟實用的方法，使以太網(wǎng)技術(shù)可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網(wǎng)，可將因特網(wǎng)技術(shù)嵌入到簡單設(shè)備中，并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，是一種實時性能優(yōu)越且成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 文獻 [1]EtherCAT Technology Group, http://www.ethercat.org [2]IEC/PAS 62407: Real-Time Ethernet Control Automation Technology （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 61491: Electrical equipment of industrial machines – Serial data link for real-time communication between controls and drives