實時以太網(wǎng)EtherCAT的技術和應用

實時以太網(wǎng)EtherCAT的技術和應用TOC\o"1-5"\h\z摘要： 3關鍵詞： 3前言 3\o"CurrentDocument"一.實時以太網(wǎng) 3\o"CurrentDocument"1.1實時以太網(wǎng)的發(fā)展歷史 3\o"CurrentDocument"1.2實時以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .4\o"CurrentDocument"1.2.1通信確定性與實時性 .4\o"CurrentDocument"1.2.2穩(wěn)定性與可靠性 .4\o"CurrentDocument"1.2.3安全性 4\o"CurrentDocument"1.2.4總線供電問題 5\o"CurrentDocument"1.3實時以太網(wǎng)的技術優(yōu)勢 51.3.1應用廣泛 51.3.2通信速率高 51.3.3成本低廉 5\o"CurrentDocument"1.3.4資源共享能力強 5\o"CurrentDocument"1.3.5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?.6\o"CurrentDocument"1.4實時以太網(wǎng)的關鍵技術 .6\o"CurrentDocument"1.4.1實時通信技術 6\o"CurrentDocument"1.4.2總線供電技術 6\o"CurrentDocument"1.4.3遠距離傳輸技術 .6\o"CurrentDocument"1.4.4網(wǎng)絡安全技術 6\o"CurrentDocument"1.4.5可靠性技術 61.5實時以太網(wǎng)的未來技術 .71.5.1工業(yè)以太網(wǎng)的防爆保護 .7\o"CurrentDocument"1.5.2未來的網(wǎng)絡拓撲結構 .7\o"CurrentDocument"1.5.3讓交換機學習自動化語言 7\o"CurrentDocument"1.5.4安全增長的重要性 .7\o"CurrentDocument"1.5.5無線網(wǎng)絡提供新的應用可能 7\o"CurrentDocument"1.5.6更高的網(wǎng)絡帶寬 .7\o"CurrentDocument"1.6實時以太網(wǎng)的主流五種標準 8\o"CurrentDocument"EtherCAT標準 8\o"CurrentDocument"Ethernet/IP標準 8\o"CurrentDocument"PowerLink標準 8\o"CurrentDocument"Profinet標準 9\o"CurrentDocument"Sercos-III標準 91.7實時以太網(wǎng)的五種標準比較 .91.7.1硬件和軟件的差異 9\o"CurrentDocument"1.7.2實現(xiàn)確定性的方案 10\o"CurrentDocument"1.7.3實現(xiàn)實時性的異同 11\o"CurrentDocument"1.7.4縱向IT集成的實現(xiàn) 11EtherCAT實時以太網(wǎng)技術 112.1傳統(tǒng)現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的實時能力 11\o"CurrentDocument"EtherCAT運行原理 12\o"CurrentDocument"EtherCAT技術特征 14協(xié)議 14\o"CurrentDocument"2.3.2幀結構 15\o"CurrentDocument"拓撲 16\o"CurrentDocument"2.3.4分布時鐘 17\o"CurrentDocument"2.3.5實時性 17\o"CurrentDocument"2.3.6故障診斷 18\o"CurrentDocument"2.3.7可靠性 19\o"CurrentDocument"2.3.8安全性 19\o"CurrentDocument"EtherCAT實現(xiàn)CANopen（CoE） 19\o"CurrentDocument"EtherCAT實現(xiàn)伺服驅(qū)動（SoE） 20\o"CurrentDocument"EtherCAT實現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE） 20\o"CurrentDocument"EtherCAT實現(xiàn)文件讀?。‵oE） 21\o"CurrentDocument"EtherCAT成本 21\o"CurrentDocument"EtherCAT實施 21\o"CurrentDocument"主站 22\o"CurrentDocument"2.5.2主站實施 22\o"CurrentDocument"從站 23\o"CurrentDocument"2.5.4從站控制器 23\o"CurrentDocument"EtherCAT總結 24\o"CurrentDocument"基于EtherCAT的多軸運動控制卡實現(xiàn) 253.1系統(tǒng)概述 25\o"CurrentDocument"EtherCAT主站程序 26\o"CurrentDocument"EtherCAT從站結構 26\o"CurrentDocument"3.4數(shù)據(jù)通信 27\o"CurrentDocument"結語 28摘要：分析了實時以太網(wǎng)技術的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并比較了當前主流關鍵詞:的五種以太網(wǎng)標準的技術特點。針對EtherCAT實時以太網(wǎng)技術進行了細致的介紹和分析，并介紹了一種基于EtherCAT技術構建的多軸運動控制卡的實現(xiàn)。關鍵詞:以太網(wǎng)EthernetEtherCAT運動控制刖言長期以來，現(xiàn)場總線技術爭論不休，工業(yè)網(wǎng)絡通信的互連、互通與互操作問題很難解決，嚴重阻礙了現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和推廣應用，于是現(xiàn)場總線開始轉向三十年來最成功的以太網(wǎng)網(wǎng)絡技術。經(jīng)過近幾年的努力，以太網(wǎng)技術已經(jīng)被工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛接受。為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術解決方案，以太網(wǎng)的實時響應時間可以提高到低于1ms，從而產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)（RealTimeEthernet，簡稱RTE）。經(jīng)過多年的努力，實時以太網(wǎng)已經(jīng)取得了多項關鍵技術的突破，可以通過實時以太網(wǎng)對底層的控制器和傳感器進行操作，實現(xiàn)E網(wǎng)到底。.實時以太網(wǎng)按照國際電工委員會IEC/sc65的定義，實時以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3標準的基礎上，通過對其和相關標準的實時擴展提高實時性，并且做到與標準以太網(wǎng)完全無縫連接的工業(yè)以太網(wǎng)。1.1實時以太網(wǎng)的發(fā)展歷史以太網(wǎng)（Ethernet）這個名字來自于無線電技術。19世紀時，很多科學家認為電磁波的傳輸需要一種媒介，這種媒介被稱為”Ether”。在20世紀70年代中期，美國XEROX公司提出了以太網(wǎng)這個新概念，采用了CSMA/CD（載波偵聽多路存取/沖突檢測）的訪問方法。第一個以太網(wǎng)系統(tǒng)，能夠通過1000多米的同軸電纜，連接超過100個站點，實現(xiàn)3Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。70年代后期，由DEC、Intel和XEROX公司組成的DIX工作組將以太網(wǎng)的傳輸速率提高到了10MB/s。1995年，IEEE正式通過802.3u快速以太網(wǎng)標準?？焖僖蕴W(wǎng)仍然采用CSMA/CD協(xié)議，但物理層則提供1OOM/s傳輸速率。隨后以太網(wǎng)技術進一步發(fā)展到1000MB/s（千兆網(wǎng)）和l0000MB/s（萬兆網(wǎng)）。在這些網(wǎng)絡中，不僅僅使用同軸電纜，也可采用雙絞線電纜、光纖以及無線傳輸。傳輸速度高達100GB/s及以上的以太網(wǎng)網(wǎng)絡也正在規(guī)劃中。2003年5月，為了規(guī)范RTE的工作，1EC/sc65c專門成立了WG11實時以太網(wǎng)工作組，負責制定IEC61784—2“基于ISO/lEC8802.3的實時應用系統(tǒng)中工業(yè)通信網(wǎng)絡行規(guī)”國際標準，該標準包括l1種實時以太網(wǎng)行規(guī)集。1.2實時以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀Ethernet過去被認為是一種“非確定性”的網(wǎng)絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發(fā)的，在工業(yè)控制領域只能得到有限應用，這是由于：(l)Ethernet的介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議采用帶碰撞檢側的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，當網(wǎng)絡負荷較重時，網(wǎng)絡的確定性不能滿足工業(yè)控制的實時性要求；(2)Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場亞劣環(huán)境要求；(3)在工廠環(huán)境中,Ethernet抗干擾(EMI)性能較差，若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；(4)Ethernet不能通過信號線向現(xiàn)場設備供電問題。隨著IT技術和總線技術的發(fā)展，上述問題在實時以太網(wǎng)中正在迅速得到解決，并使Ethernet全面應用于工業(yè)控制領域成為可能。1.2.1通信確定性與實時性快速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)技術和全雙工通信的發(fā)展給解決以太網(wǎng)的非確定性和非實時性問題提供了契機和可能。首先，Ethernet的通信速率從1OM、100M增大到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，交換機將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。Ethernet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞。再次，全雙工通信又使得端口聞兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。1.2.2穩(wěn)定性與可靠性由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定工作的問題，德國Hirschmann等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了工業(yè)以太網(wǎng)交換機等產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電。1.2.3安全性工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是工業(yè)以太網(wǎng)應用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運作效率。但同時也引入了一系列的網(wǎng)絡安全問題，工業(yè)網(wǎng)絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡安全威脅。一般情況下，可以采用網(wǎng)關或防火墻等對工業(yè)網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡進行隔離，還可以通過權限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機制加強網(wǎng)絡的安全管理。1.2.4總線供電問題總線供電(或稱總線饋電)是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供工作電源。對于現(xiàn)場設備供電可以采取以下方法：在目前以太網(wǎng)標準的基礎上適當?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到一個直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場設備端再將這兩路信號分離開來。不改變目前物理層的結構，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場設備提供電源。1.3實時以太網(wǎng)的技術優(yōu)勢1.3.1應用廣泛以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，幾乎所有的編程語言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應用開發(fā)。1.3.2通信速率高目前，10、100Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應用，1Gb/s以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總結要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡不斷增長的帶寬要求。1.3.3成本低廉以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多(約為1/10);另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應用多年，人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多經(jīng)驗，具有相當成熟的技術。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。1.3.4資源共享能力強隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。1.3.5可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笠蕴W(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術都是無法比擬的。1.4實時以太網(wǎng)的關鍵技術針對工業(yè)現(xiàn)場設備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經(jīng)過認真細致的調(diào)研和分析，以下技術基本解決了以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術。1.4.1實時通信技術其中采用以太網(wǎng)交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信站軟件層次、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性。1.4.2總線供電技術采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能網(wǎng)絡代電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。1.4.3遠距離傳輸技術采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問題。1.4.4網(wǎng)絡安全技術采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。1.4.5可靠性技術采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場設備可靠性，經(jīng)實驗室EMC測試，設備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。

1.5實時以太網(wǎng)的未來技術1.5.1工業(yè)以太網(wǎng)的防爆保護目前工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)安全的問題還沒有很好解決。未來這個技術解決后，第一臺用雙絞線連接的本質(zhì)安全的以太網(wǎng)交換機的問世將具有重大意義。1.5.2未來的網(wǎng)絡拓撲結構現(xiàn)在大部分的工業(yè)網(wǎng)絡都支持菊花鏈型的拓撲結構，但是這個存在安全隱患的不穩(wěn)定。同時，當流量突發(fā)時，以句話兩式連接的交換機在吞吐量和帶寬將受到限制。而環(huán)形拓撲結構就可以很好的解決這個問題，當其中一個節(jié)點失效時，不影響其他節(jié)點的正常工作。1.5.3讓交換機學習自動化語言大型的自動化廠商都有自己定義的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此交換機學習自動化語言后，就可以用自己熟悉的自動化工具配置網(wǎng)絡。1.5.4安全增長的重要性1.5.4安全增長的重要性匹

1=1工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從管理級到現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)傳輸，因此用戶只需要掌握一種網(wǎng)絡技術即可。但是網(wǎng)絡的透明度的增加也同時帶來了安全隱患。分布式安全體系的建立，能夠?qū)?nèi)部網(wǎng)絡分為一個個獨立的安全單元，通過相應的協(xié)議規(guī)則通信。1.5.5無線網(wǎng)絡提供新的應用可能如今的無線網(wǎng)絡技術WLAN(WirelessLAN)被廣泛的應用于辦公環(huán)境中。移動性、靈活性、易于安裝、低成本，無線通信的這些優(yōu)點漸漸被應用于工業(yè)環(huán)境中。無線網(wǎng)絡有很多不同技術特點的技術標準，WiMAX技術的傳輸距離在70公里以內(nèi)，適合于大廠區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，通信速率可達到640Mb/s。BlueTooth技術的傳輸半徑在10m以內(nèi)，適合于辦公環(huán)境內(nèi)的通信。ZigBee技術是一種超低功耗的無線通信標準，很靈活，可以用于傳感器級別的數(shù)據(jù)通信。1.5.6更高的網(wǎng)絡帶寬隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，網(wǎng)絡帶寬將會越來越大，現(xiàn)在千兆以太網(wǎng)技術已經(jīng)比較成熟并應用廣泛，萬兆以太網(wǎng)技術也正在完善和普及，十萬兆以太網(wǎng)技術也開始嶄露頭角。隨著以太網(wǎng)速率的增加，將來可能更多的設備和信息都會連接到以太網(wǎng)上，真正實現(xiàn)E網(wǎng)通天下。1.6實時以太網(wǎng)的主流五種標準2005年IEC標準化組織公布了11種實時以太網(wǎng)標準，這11種實時以太網(wǎng)標準成為當前獲得國際承認的標準，每個標準都有自己的公司聯(lián)盟和組織提供技術制定、推廣、開發(fā)等支持。這11種標準分別為Ethernet/IP、Profinet、P-Net、InterBus、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT、PowerLink、EPA、Modbus-RTPS、Sercos-III。下面只選擇市場及技術較成熟的5種主流實時以太網(wǎng)標準分別介紹。EtherCAT標準EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德國Beckhoff公司開發(fā)，并得到ETG(EtherCATTechnologyGroup)國際組織的支持。EtherCAT是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡，它使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，傳輸媒體可為雙絞線或光纖。傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術用于現(xiàn)場級的最大問題是通信效率低，僅為0.77%，為了提高通信效率，EtherCAT采用了類似Interbus現(xiàn)場總線的集總幀等時通訊原理。EtherCAT開發(fā)了專用ASIC芯片F(xiàn)MMU(現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元)用于I/0模塊，這樣一來，EtherCAT可采用標準以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓撲發(fā)送數(shù)據(jù)，在FMMU單元的控制下，網(wǎng)絡上的每個站(或I/O單元)均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關的數(shù)據(jù)，或者插入該站要輸出的數(shù)據(jù)。EtherCAT還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網(wǎng)幀比其它數(shù)據(jù)幀有較高的優(yōu)先級。EtherCAT幾乎支持任何拓撲結構，包括線性、樹型與星型等，在l00Mbps時允許兩個設備之間最大電纜長度為100米，可連接多至65535個設備。Ethernet/IP標準2000年3月，ControlNet國際組織(ControlNetInternational，CI)和DeviceNet供應商協(xié)會(OpenDeviceVendorAssociation，ODVA)共同開發(fā)了Ethernet/IP實時以太網(wǎng)，IP代表是工業(yè)協(xié)議(IndustrialProtoco1)。Ethernet/IP是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡標準，它充分采用現(xiàn)成商用的EthernetTCP/IP芯片、物理媒體和協(xié)議組，支持顯性和隱性報文。作為實時控制網(wǎng)絡，Ethernet/IP在TCP/IP之上附加一個公共的應用層CIP(CommonIndustrialProtoco1)，CIP的控制部分用于實時I/O報文，信息部分用于報文交換。PowerLink標準ETHERNETPowerlink(簡稱EPL)實時以太網(wǎng)標準是由奧地利貝加萊公司(B&R)8/28于2001年11月創(chuàng)議和開發(fā)的，得到了EPSG（EPL標準化）協(xié)會的支持。世界上已有300多個制造廠、供應商和用戶使用這項技術。ETHERNETPowerlink標準是在CANopen協(xié)議基礎上發(fā)展而來的，它基于高速以太網(wǎng)，建立了一種特殊的時序機制SCNM（時間片通信管理機制），因此保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。EPL系統(tǒng)中MN（ManagingNode）節(jié)點作為主控制器去管理SCNM，CN（ControledNode）由一些現(xiàn)場設備構成，它們通過以太網(wǎng)HUB相連，路由器則負責IP地址轉換和IP報文的信息安全。Profinet標準Profinet實時以太網(wǎng)是由PI（ProfibusInternationa。組織于2001年8月提出的基于以太網(wǎng)的自動化標準。Profinet將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術以及有線通信與無線通信技術有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開放性。Profinet構成從I/O級直至協(xié)調(diào)管理級的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結構方案。Profinet用于實現(xiàn)基于實時以太網(wǎng)的各種應用集成，ProfinetT/0支持簡單分散式現(xiàn)場設備集成，Profinet-IRT支持苛求時間要求的運動控制集成以及Profinet-CBA支持基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的集成。Sercos-III標準SERCOS（SerialRealtimeCOmmunicationSystem）數(shù)字運動控制總線是運動控制領域的專用總線。該總線由SI（SERCOSInternational）集團提供支持，該集團包括50家控制器生產(chǎn)商和30家驅(qū)動器生產(chǎn)商。Sercos-III是第三代基于以太網(wǎng)的運動控制高速總線接口。它將以太網(wǎng)的物理層和協(xié)議與Sercos接口機理有機的結合在一起，該總線采用TDMA時分多路時間片通信機制實現(xiàn)實時性和確定性。1.7實時以太網(wǎng)的五種標準比較1.7.1硬件和軟件的差異各種實時方案從他們符合或不符合以太網(wǎng)TCP/IP標準來說，是各不相同的。關于硬件，Profinet-IRT、Sercos-III和EtherCAT（在從站中）的使用不是建立在標準以太網(wǎng)控制器上的，而是需要特殊硬件（專用集成電路或FPGA現(xiàn)場可編訂陣列）。這意味著這些實時方案在操作時，依賴于制造商定制的硅器件。相反，PowerLink和Ethernet/IP使用標準的以太網(wǎng)控制器作為硬件平臺。至于網(wǎng)絡軟件（OSI層3和層4），Profinet-IRT、Sercos-III、EtherCAT和PowerLink使用專門的軟件棧。僅Ethernet/IP是完全建立在同時滿足硬件和軟件兩方面的以太網(wǎng)TCP/IP之上的。1.7.2實現(xiàn)確定性的方案為了使以太網(wǎng)具有實時性能，它必須以一種確定性的方法進行響應。為此，各種基于以太網(wǎng)實時方法采用了不同的機制。Powerlink是一種基于循環(huán)的實時系統(tǒng)。它在CSMA/CD機制中疊加了一個時間槽機制。主站（控制器）在一段分配的通訊循環(huán)時期內(nèi)，連續(xù)輪詢從站（驅(qū)動器）。其剩余的循環(huán)時間是留為異步數(shù)據(jù)的傳輸，如設備的配置。通過一個標準以太網(wǎng)報文，傳輸數(shù)據(jù)對PowerLink，實時數(shù)據(jù)采用Ethertype，普通數(shù)據(jù)采用IP。通過標準以太網(wǎng)網(wǎng)絡集線器，在一個實時段相互連接所有站點（主站與從站）。Profinet-IRT，為了達到硬實時，也可使用時間槽機制。因此，某帶寬保留以用于實時數(shù)據(jù)傳輸（IRT二等時實時同步），并且異步通訊也可使用保留的帶寬。通過優(yōu)于標準集成在現(xiàn)場設備的專用交換機來連接站點，而不是通過標準的以太網(wǎng)交換機。這些專用集成交換機包含一個專用集成電路，以100Mbps的數(shù)據(jù)速率控制或四個端口。Sercos-III使用以太網(wǎng)物理層（1OOMbps）和以太網(wǎng)報文，同時，保留現(xiàn)有的Sercos機制。同樣的，Sercos-III是基于帶寬，用于等時同步（實時信道）和異步（1P信道）數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間空擋機制。Sercos-III運行無需網(wǎng)絡集線器或交換機。每個站點都具有專用的集成電路或帶有兩個通訊端口的FPGA，使它能夠通過線形或環(huán)形拓撲圖進行連接。EtherCAT使用以太網(wǎng)報文結構，但是采用一種完全不同的基本運行模式。在一個通訊循環(huán)內(nèi)，報文不會分別發(fā)送到每個站點，而是一個單一以太網(wǎng)報文貫穿所有站點/從站。以太網(wǎng)報文中的數(shù)據(jù)區(qū)分為若干實時和普通數(shù)據(jù)段。在實時數(shù)據(jù)區(qū)，連續(xù)的子報文定義了所有站點的首部及過程數(shù)據(jù)，從而增加了協(xié)議中的用戶數(shù)據(jù)率（在運動控制應用中，64字節(jié)最短的以太網(wǎng)結構的用戶數(shù)據(jù)率通常低于15%）。從站具有專用集成電路或FPGA，可將輸入的以太網(wǎng)格式數(shù)據(jù)轉換為一個內(nèi)部名為E總線。由于EtherCAT從站僅能夠解釋EtherCAT幀，為了能夠引導通用數(shù)據(jù)通過從站，故將通用數(shù)據(jù)封裝在EtherCAT幀中。如果通用數(shù)據(jù)包太大，無法在一個循環(huán)中傳輸，則將被分別傳送，從而通過多個EtherCAT幀。封裝信道及打開封裝信道采用網(wǎng)關功能，發(fā)生在主站（虛擬以太網(wǎng)交換機）或從站中。整個協(xié)議處理是基于硬件的。從站不會以常規(guī)模式處理輸入的以太網(wǎng)報文一一揭示其內(nèi)容，之后為轉發(fā)而復制過程數(shù)據(jù)。取而代之的是，在報文通過從站的同時，EtherCAT從站在讀寫報文中來自和到達預定站點的過程數(shù)據(jù)。EtherCAT機制允許執(zhí)行非常短的循Ethernet/IP是完全基于以太網(wǎng)標準僅有的一個實時方案。和其他協(xié)議相比，Ethernet/IP并不是基于循環(huán)，而是基于時間，這意味著它僅需要通過現(xiàn)場站點及時接收指令，還意味著整個系統(tǒng)的性能能夠獨立于網(wǎng)絡性能來完成。通過這三個均基于標準的機制：UDP，服務品質(zhì)QoS（優(yōu)先站點）和IEEE1588來保證實時傳送。1.7.3實現(xiàn)實時性的異同下表對比五種標準在一個需要同步控制1OO根軸的應用的實時行為。依照性能測試的兩個分析標準為響應時間（循環(huán)時間）和抖動（也就是響應時間鐘的變化）。以太網(wǎng)方案響應時間（100軸）抖動數(shù)據(jù)速率Ethernet/IP=1ms<1ms100MbpsPowerLink<1ms<1ms100MbpsProfinet-IRT<1ms<1ms100MbpsSercos-III<0.5ms<0.1ms100MbpsEtherCAT=0.1ms<0.1ms100Mbps通過觀察此表，首先是感嘆這五個實時方案強大的性能，它們都具有較短的響應時間，或達到1ms。Ethernet/IP、Powerlink和Profinet-IRT在數(shù)量級上相似；在數(shù)量級上，Sercos-III和EtherCAT同其他三個實時方案相比則更快和更精確。1.7.4縱向IT集成的實現(xiàn)Ethernet/IP和Profinet是通用的通訊系統(tǒng)，并且它們的專用附件分別為ClPsvnc和Profinet-IRT可用于運動控制應用?；赑owerlink和Sercos-III的系統(tǒng)特別適合多軸應用。EtherCAT提供一個高效的路徑，可實現(xiàn)極速的I/O傳送和操作。這五個基于以太網(wǎng)的實時方案優(yōu)于傳統(tǒng)的運動控制現(xiàn)場總線，具有一個決定性的優(yōu)勢：即它們支持互聯(lián)網(wǎng)技術，因而允許縱向IT集成，特別是Web技術在自動化行業(yè)中起到越來越重要的作用。二.EtherCAT實時以太網(wǎng)技術2.1傳統(tǒng)現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的實時能力現(xiàn)場總線已成為自動化技術的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應用。正是由于現(xiàn)場總線技術的普及，才使基于pc的控制系統(tǒng)得以廣泛應用。然而，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、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備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應時間是控制器周期時間的3-5倍。在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術是驅(qū)動或I/O級的應用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領域。這些應用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應小數(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（參見圖1）。IPiCW(JIPuCTaskaIHCMuIPiCTaskoI Pl。間i Gbencasertxiiwilime g網(wǎng)M■弒血沖 .Input Input Output（worstcase）{bestcase）丁瑚：MasterPfocwsingMayTg:LocalI心UpdateTme（FirrnHrare）圖1：傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)響應時間目前，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)幀用于每個設備，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)幀為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，即便是總線負荷為100%（即：無限小的驅(qū)動響應時間）時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達到4/84=4.8%。如果按照10期的平均響應時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng)幀到每個設備（或期望幀來自每個設備）的實時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。EtherCAT運行原理EtherCAT技術突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術，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)復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入全報文中（參見圖2）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。

EthefnelWeadeT|順凹河1EthmwtEthefnelWeadeT|順凹河1EthmwtLogicalProcessImageLogit"ProcessImageLogiulProcessImagB荷敢1 Task； TaskJ圖2：過程數(shù)據(jù)插入全報文中由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達90%以上。100Mb/sTX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可大于100Mb/s（即大于2x100Mb/s的90%）（參見圖3）。At4At4BytedataFrom2Bitpernote userdatepernote圖3：帶寬利用率的比較符合IEEE802.3標準的以太網(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉換為LVDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標準［4,5］），以滿足電子端子塊等模塊化設備的需求。這樣，就可以非常經(jīng)濟地對模塊化設備進行擴展了。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100Mb/sTX物理層的轉換。EtherCAT技術特征2.3.1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，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務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)。當需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文（參見圖4），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，在這種變體結構中，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)絡自身的響應時間基本不受影響。ElhernelHeaderECATEtherCATTBlegramEltierretDA SATypeFrameHDRDatagram1Datagram2-DatagramnPad.FCS(6J 勵:Elhertype88A4h(?)■叩 004-[H4-^ +[fl.-32)Etheinet pHeaderUUPReaderECATHUREtherCATT&legramElhernelElhertypt030Qh捍明 (8)CDP-ftirt:&蜘li圖4：EtherCAT:符合IEEE802.3[3]的標準幀另外，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，滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設備和下游設備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結構相關，因此適用于由設備架構設計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應用等。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一數(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快于采用其他方法所耗費的時間。EtherCAT僅使用標準的以太網(wǎng)幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT以太網(wǎng)幀可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標準工具（如：監(jiān)視器）。

2.3.2幀結構EtherCAT以標準以太網(wǎng)技術為基礎，在MAC（媒體訪問層）增加了一個確定性調(diào)度的軟件層，實現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。EtherCAT采用標準的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，幀結構如圖5,各部分含義見表1.6Bytes6Bytes2Bytes2Bytea12^1458Bytea4Bytes住前增址［彰增址］啾羹墨fEthEAT頭子報文子蛟1一1政大做去 陵頭［UDIWI頭EthET用子抿?qū)RC長度嘛留拉奧基11BitLBit4Bit圖5：EtherCAT幀結構表1：幀結構定義名稱含義目的地址接收方MAC地址源地址發(fā)送方MAC地址以太類型0x88A4EtherCAT頭：長度數(shù)據(jù)區(qū)長度，即子報文長度加和EtherCAT頭：類型1代表與從站通信，其余保留CRC循環(huán)冗余校驗和一個EtherCAT幀中可以包含若干個EtherCAT子報文，報文結構如圖6,各部分含義見表2。每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，由FMMU（FieldbusMemoryManagementUnit,負責邏輯地址與物理地址的映射）寄存器和SM（SyncManager，負責對通信數(shù)據(jù)內(nèi)存的讀寫）寄存器定義，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。EtherCAT報文由一個16位的WKC結束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式。10Bytg（子報文臭兼揖區(qū)WKC1118BREBit命令螺引號孑機菱穌址長度|Res圖6：子報文的幀結構

表2：子報文的幀結構含義名稱含義命令尋址方式及讀寫方式索引號幀編碼代號子報文地址從站地址長度報文數(shù)據(jù)區(qū)長度M此報文后是否還有報文狀態(tài)位中斷到來標志數(shù)據(jù)區(qū)子報文數(shù)據(jù)結構，用戶定義WKCWorkingcount工作計數(shù)器，報文尋址次數(shù)2.3.3拓撲卜EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等（參見圖^）。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。圖7：靈活的拓撲結構：線型、樹型或星型拓撲最有效的系統(tǒng)連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需接口在I/O模塊等很多設備中都已存在，所以無需附加交換機。當然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓撲結構。還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經(jīng)濟的標準超五類以太網(wǎng)電纜可采用100BASE-TX模式傳送信號；塑封光纖（PFO）則可用于特殊應用場合；還可通過交換機或介質(zhì)轉換器實現(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（100BASE-TX）允許兩個設備之間的最大電纜長度為100米。由于連接的設備數(shù)量可高達65535,因此，網(wǎng)絡的容量幾乎沒有限制。2.3.4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（IEEE1588標準［6］）。與完全同步通訊中通訊出現(xiàn)故障會立刻影響同步品質(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)結構（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（參見圖8）。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE1588標準。圖8：同步性與一致性：相距電纜長度為有120米的兩個分布系統(tǒng)，帶有300個節(jié)點的示波器比較此外，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。2.3.5實時性EtherCAT使網(wǎng)絡性能達到了一個新境界。借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡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/0的更新時間只需30期，其中還包括I/O周期時間（參見圖9）。單個以太網(wǎng)幀最多可進行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300四s。ProcessData UpdateTimt256distributeddigitalI/O11ps=opoims1000distributeddigitalI/O200I/O(16bit]"20kHz100Seivo with&Bytesinputandoutput如，eachwops1FieldbusMaster-Cateway(148^BytesInputand1486BytesOutputData)1時JJ5圖9：EtherCAT性能概貌100個伺服軸的通訊也非?？焖伲嚎稍诿?00期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)，分布時鐘技術使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，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使通訊技術和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強計算能力相適應，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技術原理具有可塑性，并不束縛于100Mbps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000Mbps的以太網(wǎng)。2.3.6故障診斷現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實際應用經(jīng)驗表明，有效性和試運行時間關鍵取決于診斷能力。只有快速而準確地檢測出故障，并明確標明其所在位置，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，拓撲結構也需要與配置相匹配。由于整合的拓撲識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)絡自動讀取時進行（配置上載）?？梢酝ㄟ^評估CRC校驗，有效檢測出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障一一32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、物理層和拓撲結構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)器關聯(lián)的自動評估還可以對關鍵的網(wǎng)絡段進行精確定位。此外，對于電磁干擾、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或突變的錯誤源而言，即便它們尚未過度應變到網(wǎng)絡自恢復能力的范圍，也可對其進行檢測與定位。2.3.7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，以保證設備更換時不會導致網(wǎng)絡癱瘓。您可以很經(jīng)濟地增加冗余特性，僅需在主站設備端增加使用一個標準的以太網(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撲結構轉變?yōu)榄h(huán)型拓撲結構即可（如圖10所示）。當設備或電纜發(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用，電纜出現(xiàn)故障時也不會有任何問題圖10:帶標準從站的低耗費電纜冗余2.3.8安全性不管是使用硬件還是使用專用的安全總線系統(tǒng)，傳統(tǒng)觀念總是認為，自動化網(wǎng)絡應與安全功能相分離。但EtherCAT所實現(xiàn)的安全功能可以在同一網(wǎng)絡中將安全相關的通訊和控制通訊融合為一體。安全協(xié)議基于EtherCAT應用層，不受低層協(xié)議的影響，并遵循IEC61508標準認證，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。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)關實現(xiàn)路由。EtherCAT實現(xiàn)CANopen（CoE）CANopen設備和應用行規(guī)廣泛用于多種設備類別和應用，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)的應用行規(guī)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（服務數(shù)據(jù)對象），甚至于網(wǎng)絡管理。因此，在已經(jīng)安裝TCANopen的設備中，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)伺服驅(qū)動(SoE)SERCOSinterfaceT是全球公認的、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用場合。用于伺服驅(qū)動和通訊技術的SERCOS框架屬于IEC61491標準［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)動中的服務通道、全部參數(shù)存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（參見圖11）。在此，關注焦點還是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從站的設備狀態(tài)也可以非常容易地映射為SERCOS協(xié)議狀態(tài)。Alesystem,BootloaderHTTF!FTR..rIEC61SOO-7-2MApplkalion(SERCOS)CANopenApplicationProcessData1tcpm11州1ObieclDklionary1FileipSen/iceChannelSDOPDOATMappingMDTEthernettFoEJEoEtSoE[BEJ釘日如EMailboxProcessDataEltierCATSlaveContnolferPhysical代r圖11:同時并存的多個設備行規(guī)和協(xié)議EtherCAT實現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE）EtherCAT技術不僅完全兼容以太網(wǎng)，而且在“設計”之初就具備良好的開放性特征一一該協(xié)議可以在相同的物理層網(wǎng)絡中包容其它基于以太網(wǎng)的服務和協(xié)議，通?？蓪⑵湫阅軗p失降到最小。對以太網(wǎng)的設備類型沒有限制，設備可通過交換機端口在EtherCAT段內(nèi)進行連接。以太網(wǎng)幀通過EtherCAT協(xié)議開通隧道，這也正是VPN、PPPoE（DSL）等因特網(wǎng)應用所普遍采取的方法。EtherCAT網(wǎng)絡對以太網(wǎng)設備而言是完全透明的，其實時特性也不會發(fā)生畸變（參見圖12）。圖12:對所有以太網(wǎng)協(xié)議完全透明EtherCAT設備可以包容其它的以太網(wǎng)協(xié)議，因此具備標準以太網(wǎng)設備的一切特性。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)幀重新定向到相應的設備。因此，集成萬維網(wǎng)服務器、電子郵件和FTP傳送等所有的因特網(wǎng)技術都可以在EtherCAT的環(huán)境中得以應用。EtherCAT實現(xiàn)文件讀?。‵oE）這種簡單的協(xié)議與TFTP類似，允許存取設備中的任何數(shù)據(jù)結構。因此，無論設備是否支持TCP/IP，都有可能將標準化固件上載到設備上。EtherCAT成本由于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、安裝費用等設備方面的投資，只需使用標準的以太網(wǎng)電纜和價格低廉的標準連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標準，使用增強密封保護等級的連接器。EtherCAT實施EtherCAT技術是面向經(jīng)濟的設備而開發(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標準的以太網(wǎng)幀。這些幀由主站設備發(fā)送，從站設備只是在以太網(wǎng)幀經(jīng)過其所在位置時才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT使用標準的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設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。2.5.1主站EtherCAT可以在單個以太網(wǎng)幀中最多實現(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，主站設備需要在每個網(wǎng)絡周期中為各個節(jié)點處理、發(fā)送和接收幀。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幀即可完成所有節(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帶來任何負擔，輕松處理這些任務的同時，還可以處理應用程序，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)幀就足夠了。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（外圍設備將數(shù)據(jù)插入所經(jīng)以太網(wǎng)幀的相應位置），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的負擔?？梢钥吹?，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臉藴蔢ML格式啟動順序在內(nèi)的網(wǎng)絡和設備參數(shù)。圖13：主站實施的單個過程映像2.5.2主站實施可通過生產(chǎn)商獲取主站代碼、實現(xiàn)服務和技術支持，可用于多種硬件平臺與操作系統(tǒng)。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)人員只要把這些應用于Windows環(huán)境的代碼與目標硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。該軟件代碼已經(jīng)成功應用于多個系統(tǒng)。CcxiCrolTaskOvitBggtion(XML)Systeifl*OvitBggtion(XML)Systeifl*Confjgur?lioinToolf'PhM常Irn咿

DHCiipIiM(XML)NelworkDe&criplianincLBwt-UpfWL)ESherCATMasTer$1"心rdE.lliefnelMAC圖14:主站樣本代碼結構2.5.3從站一個從站設備由低成本的EtherCAT從站控制器構建。有EtherCAT的從站控制器時可以不需要任何微控制器。簡單的設備可以僅僅通過ESC和底層的PHY、RJ45接頭就可以讀取IO接口的數(shù)據(jù)。從站應用的過程數(shù)據(jù)接口（PDI）是一個32位的IO接口。沒有任何配置參數(shù)的從站不需要任何軟件或郵箱協(xié)議。EtherCAT狀態(tài)機集成在ESC中。2.5.4從站控制器目前，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，可以購買授權以獲取相應的二進制代碼。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、Intel80C51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，尤其適用于數(shù)據(jù)量較大的復雜設備。通常情況下，微控制器使用的接口包括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。這類設備無需主機CPU。

HostCPUHTTRFTEHostCPURAMlt>rKP?IPandcomplexApplicationsApplicationMappingEtherCATSlaveConlrolkrProemsDataMailt>oxDu^JPortnonvolatileDataEEPHOMSYNC FMMUAuto-ForwarderwithLcopBa出Regist郵EtherCATMAC1冒RAMlt>rKP?IPandcomplexApplicationsApplicationMappingEtherCATSlaveConlrolkrProemsDataMailt>oxDu^JPortnonvolatileDataEEPHOMSYNC FMMUAuto-ForwarderwithLcopBa出Regist郵EtherCATMAC1冒EtheKATMACMil圖15：從站硬件：帶主機CPU的FPGASH/OISH/OI81/0buo|a1^01^0ApplicationEth^rCATSlave1^0A