工業(yè)以太網(wǎng)技術是工業(yè)控制行業(yè)中的研究熱點。EtherCAT技術以其高速、簡單、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的研發(fā)人員的關注。本文詳細介紹了EtherCAT技術的原理和協(xié)議形式，并結合TMS320LF2407給出了一種具體的EtherCAT從站實現(xiàn)方式。.
一、引言
過去十幾年中，現(xiàn)場總線是工廠自動化和過程自動化領域中現(xiàn)場級通訊系統(tǒng)的主流解決方案。但隨著自動化控制系統(tǒng)的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術在許多應用場合已經(jīng)難以滿足用戶不斷增長的需求。以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)和Internet上取得了巨大的成功，在整個企業(yè)的信息系統(tǒng)中，以太網(wǎng)已經(jīng)非常成功的應用于市場經(jīng)營管理層、生產(chǎn)管理層和過程監(jiān)控層。如果能夠在底層設備網(wǎng)絡上引入以太網(wǎng)不僅可以使現(xiàn)場設備層、過程控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本。
目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術已經(jīng)成為工業(yè)控制領域中的一個研究熱點，多家自動化公司推出了自己的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。目前主要的工業(yè)以太網(wǎng)標準有以下幾種： Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、 Powerlink、EtherCAT以及我國研制的EPA等。與傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有應用廣泛、為所有的編程語言所支持、 軟硬件資源豐富、易于與Internet連接、可實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡的無縫連接等諸多優(yōu)點。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動控制公司Beckhoff開發(fā)的一種工業(yè)以太網(wǎng)技術，該技術以其高速、簡單、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的關注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負責EtherCAT技術的推廣和宣傳。目前，該組織目前已經(jīng)擁有700多個成員，很多成員組織已經(jīng)開發(fā)出基于EtherCAT的產(chǎn)品。
二、EtherCAT技術原理
EtherCAT是一種實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，該協(xié)議可以用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化傳輸。EtherCAT協(xié)議可以包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡中以太網(wǎng)端子的物理順序，可以任意編址。
作為一種實時以太網(wǎng)協(xié)議，EtherCAT從站的OSI模型可以用圖1簡單描述。在圖1中，ISO國際標準組織所定義的開放系統(tǒng)互連七層OSI模型被壓縮成了具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的3層模型。物理層為網(wǎng)絡信號的傳輸提供了物理鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務是在特定的“時間窗”內從以太網(wǎng)幀中提取數(shù)據(jù)并把要輸出的數(shù)據(jù)插入到以太網(wǎng)幀內，同時對數(shù)據(jù)進行檢查校驗。如果動作在特定的時間窗內不能完成，就會認為動作失敗。應用層的作用是處理數(shù)據(jù)鏈路層的請求，并作出適當?shù)姆磻?/p>
圖1 EtherCAT的OSI模型
EtherCAT協(xié)議本身決定了它無需接收以太網(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。它具有主從數(shù)據(jù)交換原理，需要主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT非常適合主從控制器之間的通訊。EtherCAT主站傳遞的以太網(wǎng)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，報文在I/O從站間傳遞，每個從站用極短的時間獲取數(shù)據(jù)并將要發(fā)出的數(shù)據(jù)寫入到以太網(wǎng)幀的相應位置，然后將報文傳遞給下一個從站。最后一個從站處理結束后，將報文傳遞回EtherCAT主站。
EtherCAT協(xié)議結構如圖2所示。圖2表明，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)，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，可用的數(shù)據(jù)傳輸速率可達90%以上，100 Mbit/s的全雙工特性完全得以利用。有資料表明其處理1000個數(shù)字量I/O只需30微秒，處理200個l6位模擬量信號只需50微秒，即取樣頻率達到20kHz。這種實時以太網(wǎng)協(xié)議非常適合要求實現(xiàn)快速控制的應用場合，可以做到真正把以太網(wǎng)應用于傳感器/執(zhí)行器級。EtherCAT協(xié)議本身決定了它幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。
