EtherCAT 電報(bào)

如圖 2 所示，EtherCAT 報(bào)文封裝在以太網(wǎng)幀中，并包含一個(gè)或多個(gè)發(fā)往 EtherCAT 從站的 EtherCAT 數(shù)據(jù)報(bào)。這樣的以太網(wǎng)幀在報(bào)頭中使用 EtherCAT 類型，也可

圖 1 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)示例。

圖 2 EtherCAT 電報(bào)。

具備很多 IP/UDP 報(bào)頭。使用 IP 報(bào)頭時(shí)，也能夠在網(wǎng)絡(luò)路由器之間使用 EtherCAT 協(xié)議。

每個(gè) EtherCAT 數(shù)據(jù)電報(bào)都是一個(gè)包含報(bào)頭、數(shù)據(jù)和工作計(jì)數(shù)器的命令。報(bào)頭和數(shù)據(jù)用于指定從站必須執(zhí)行的操作，并且由從站更新工作計(jì)數(shù)器，從而使主站知曉從站已處理該命令。

協(xié)議

每個(gè)從設(shè)備都會(huì)“動(dòng)態(tài)”地處理 EtherCAT 數(shù)據(jù)包，因?yàn)樗鼤?huì)接收幀，對(duì)其進(jìn)行解析，如果 EtherCAT 數(shù)據(jù)電報(bào)中指定的地址與它自己的地址匹配，則采取措施，并從其第二個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)數(shù)據(jù)電報(bào)，同時(shí)還更新數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和 CRC。通過數(shù)據(jù)電報(bào)，EtherCAT 主站可尋址多達(dá) 4GB 的整個(gè)地址空間，其中最多可放置 65,536 個(gè) EtherCAT 從站，每個(gè)從站具有 65,536 個(gè)地址。EtherCAT 數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)從站相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中從站節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置的尋址順序沒有任何限制。

有不同的 EtherCAT 數(shù)據(jù)傳輸類型 – 循環(huán)和非循環(huán)。循環(huán)數(shù)據(jù)是按周期性間隔或周期時(shí)間傳輸?shù)奶幚頂?shù)據(jù)。非循環(huán)數(shù)據(jù)通常是對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格的數(shù)據(jù)，其大小可能很大，并且通常會(huì)響應(yīng)控制器命令進(jìn)行交換。某些非循環(huán)數(shù)據(jù)（例如診斷數(shù)據(jù)）可能很關(guān)鍵，并且對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格的要求。EtherCAT 通過優(yōu)化的尋址方案（物理尋址、邏輯尋址、多重尋址和廣播尋址）來(lái)滿足這些不同的數(shù)據(jù)傳輸要求。

為了處理各種尋址方案，每個(gè)從站都有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線存儲(chǔ)器管理單元 (FMMU)。

每個(gè)從站中的 FMMU 單元支持 EtherCAT 協(xié)議將各種從設(shè)備視為 4GB 大內(nèi)存空間的一部分，而從站空間映射在其中。EtherCAT 主站在初始化階段組裝完整的處理映像，然后通過單個(gè) EtherCAT 命令對(duì)從設(shè)備進(jìn)行位級(jí)訪問。這種功能可實(shí)現(xiàn)通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜，在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的大型和小型設(shè)備上與任何數(shù)量的輸入/輸出 (I/O) 通道進(jìn)行實(shí)際通信。

性能

由于基于硬件的 FMMU 和即時(shí)處理，EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的效率非常高。它使微秒級(jí)循環(huán)時(shí)間能夠從控制器傳遞到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。通信效率不再是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸，并實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)代工業(yè) PC 一樣的計(jì)算速度。例如，提高的性能可使基于 EtherCAT 的分布式驅(qū)動(dòng)器同時(shí)運(yùn)行電流環(huán)路和位置環(huán)路。

拓?fù)?/h2>

EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)支持任何拓?fù)洌ň€形、星形或樹形），并且也能夠通過使用 EtherCAT 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中常見的總線結(jié)構(gòu)。由于 EtherCAT 接口存在于 I/O 器件上，因此不需要任何以太網(wǎng)交換硬件。憑借 100m 長(zhǎng)的銅纜鏈路以及更長(zhǎng)的光纜鏈路，EtherCAT 能夠跨越大范圍地理區(qū)域在數(shù)千種器件間進(jìn)行通信。對(duì)于較短的距離，例如在背板上，EtherCAT 使用差分信號(hào)技術(shù) E-bus。

器件配置文件

在工業(yè)自動(dòng)化中，使用器件配置文件是描述器件功能和參數(shù)的一種較為常用的方法。EtherCAT 提供與現(xiàn)有器件配置文件的接口，以便在輕松升級(jí)舊版現(xiàn)場(chǎng)總線器件后使用 EtherCAT。其中一些接口是 EtherCAT (CoE) 上的 CAN 應(yīng)用層和 EtherCAT (SoE) 上的伺服驅(qū)動(dòng)器配置文件，它們通過利用其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到 EtherCAT 的映射來(lái)啟用 CANOpen? 和 SERCOS?。

EtherCAT 節(jié)點(diǎn)的組成部分

每個(gè) EtherCAT 節(jié)點(diǎn) (圖 3) 具有三個(gè)組件：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

物理層使用 100BASETX 銅纜、100BASE-FX 光纖或基于 LVDS 信令的 E-bus 來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAC 層根據(jù) EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在專用 ASIC 或 FPGA 中實(shí)現(xiàn)。工業(yè)應(yīng)用

圖 3 EtherCAT 節(jié)點(diǎn)的組成部分。

不在 MAC 層，該應(yīng)用負(fù)責(zé)處理應(yīng)用特定行為以及標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 和 UDP/IP 協(xié)議棧，從而支持基于以太網(wǎng)的器件配置文件。根據(jù)器件的復(fù)雜性，EtherCAT 節(jié)點(diǎn)能夠在硬件中實(shí)現(xiàn)，也可以是嵌入式 CPU 中運(yùn)行的硬件和軟件的組合。

合規(guī)性

為了確保使用 EtherCAT 接口設(shè)計(jì)的器件之間具有廣泛的互操作性，EtherCAT Technology Group (ETG) 制定了多個(gè)程序來(lái)確保符合技術(shù)規(guī)范。這些程序包括一致性測(cè)試工具 (CTT)，它是用于測(cè)試一致性的軟件程序；成員了解并測(cè)試各自器件的互操作性測(cè)試活動(dòng)；以及在德國(guó)和日本進(jìn)行正式認(rèn)證測(cè)試的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室。為了滿足最低一致性要求，器件必須在首次投放市場(chǎng)前借助一致性測(cè)試工具通過協(xié)議測(cè)試。供應(yīng)商可選擇在任何授權(quán)的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室中對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。ETG 網(wǎng)站提供了有關(guān)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的程序和位置的詳細(xì)信息。