工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的原理及其實(shí)現(xiàn)

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)控制行業(yè)中的研究熱點(diǎn)。EtherCAT技術(shù)以其高速、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)正在獲得越來越多的研發(fā)人員的關(guān)注。本文詳細(xì)介紹了EtherCAT技術(shù)的原理和協(xié)議形式，并結(jié)合TMS320LF2407給出了一種具體的EtherCAT從站實(shí)現(xiàn)方式。
【關(guān)鍵詞】　工業(yè)以太網(wǎng)， EtherCAT， TMS320LF2407.
The principle of Industry Ethernet-EtherCAT
and its implementation
WANG Wei-jian 
（Research Center of Shang Hai Xin Hua Control Technology Group Co.Ltd）
 Industry Ethernet is becoming researching hot. EtherCAT as a kind of industry Ethernet is getting much more attention with its high speed, simplicity and easy availability. This paper introduces the principle of EtherCAT and its protocol, in addition, this paper tells how to implement EtherCAT slave with TMS320LF2407.
Key words  Industry Ethernet， EtherCAT，TMS320LF2407.

一、引言

過去十幾年中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化領(lǐng)域中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊系統(tǒng)的主流解決方案。但隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在許多應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)難以滿足用戶不斷增長(zhǎng)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(gè)企業(yè)的信息系統(tǒng)中，以太網(wǎng)已經(jīng)非常成功的應(yīng)用于市場(chǎng)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)上引入以太網(wǎng)不僅可以使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)備在水平層面上的集成成本。
目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，多家自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有應(yīng)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(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接等諸多優(yōu)點(diǎn)。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動(dòng)控制公司Beckhoff開發(fā)的一種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)以其高速、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)正在獲得越來越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的關(guān)注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負(fù)責(zé)EtherCAT技術(shù)的推廣和宣傳。目前，該組織目前已經(jīng)擁有700多個(gè)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(shù)原理

EtherCAT是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)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(dá)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(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可以任意編址。
作為一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，EtherCAT從站的OSI模型可以用圖1簡(jiǎn)單描述。在圖1中，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用層的3層模型。物理層為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸提供了物理鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是在特定的“時(shí)間窗”內(nèi)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(nèi)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校驗(yàn)。如果動(dòng)作在特定的時(shí)間窗內(nèi)不能完成，就會(huì)認(rèn)為動(dòng)作失敗。應(yīng)用層的作用是處理數(shù)據(jù)鏈路層的請(qǐng)求，并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

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(fù)制到各個(gè)設(shè)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(bào)文在I/O從站間傳遞，每個(gè)從站用極短的時(shí)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(yīng)位置，然后將報(bào)文傳遞給下一個(gè)從站。最后一個(gè)從站處理結(jié)束后，將報(bào)文傳遞回EtherCAT主站。

EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)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(shè)備數(shù)據(jù)，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可用的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)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(gè)數(shù)字量I/O只需30微秒，處理200個(gè)l6位模擬量信號(hào)只需50微秒，即取樣頻率達(dá)到20kHz。這種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議非常適合要求實(shí)現(xiàn)快速控制的應(yīng)用場(chǎng)合，可以做到真正把以太網(wǎng)應(yīng)用于傳感器/執(zhí)行器級(jí)。EtherCAT協(xié)議本身決定了它幾乎支持任何拓?fù)漕愋?，包括線型、樹型、星型等，并且不受限于級(jí)聯(lián)交換機(jī)或集線器的數(shù)量。
在故障診斷方面，EtherCAT通過CRC校驗(yàn)，可以有效地檢測(cè)出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障，EtherCAT通過匹配性檢查可以進(jìn)行斷線檢測(cè)和故障定位。另外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議還可以對(duì)各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)視，與錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動(dòng)評(píng)估還可以對(duì)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進(jìn)行精確定位。

三、EtherCAT的實(shí)現(xiàn)
 

EtherCAT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)包括主站實(shí)現(xiàn)和從站實(shí)現(xiàn)。EtherCat主站不需要專用的通訊處理器，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，完全采用軟件方式在主機(jī)CPU中實(shí)現(xiàn)協(xié)議的識(shí)別和封裝。EtherCat可以在單個(gè)以太網(wǎng)幀中最多實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊。為了方便主站的開發(fā)，EtherCat組織現(xiàn)在提供主站樣本代碼，可以方便的把該代碼嵌入到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，加快項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)程。本文采用的EtherCAT主站的人機(jī)界面如圖3所示。

圖3   測(cè)試用EtherCAT主站人機(jī)界面
EtherCat從站是通過專用硬件實(shí)現(xiàn)的，目前，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器，也可以一次性購買獲取授權(quán)的二進(jìn)制代碼，通過價(jià)格低廉的FPGA實(shí)現(xiàn)從站控制器的功能。實(shí)現(xiàn)從站的專用硬件都具有兩個(gè)MAC地址，可以很容易的擴(kuò)展兩個(gè)網(wǎng)口，目的是便于實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本文采用TI公司的16位處理器TMS320LF2407作為微處理器，采用Beckhoff公司的ET1100作為工業(yè)以太網(wǎng)Ethercat協(xié)議通訊控制器。TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)了EtherCat協(xié)議的應(yīng)用層，可以通過16位并口對(duì)ET1100內(nèi)部的DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。ET1100帶有兩個(gè)MII接口，它們?cè)谟布蠈?shí)現(xiàn)了EtherCat協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，外擴(kuò)的兩個(gè)物理層芯片實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)的的物理層。網(wǎng)絡(luò)變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)隔離和阻抗匹配。主站PC與從站的數(shù)據(jù)通訊速率達(dá)到100Mbit/s，具體的實(shí)現(xiàn)從站的原理框圖如圖4所示。