实时以太网EtherCAT的技术和应用

('实时以太网EtherCAT的技术和应用目录摘要：............................................................................................................................................3关键词：..........................................................................................................................................3前言..................................................................................................................................................3一．实时以太网..............................................................................................................................31.1实时以太网的发展历史.....................................................................................................31.2实时以太网的发展现状.....................................................................................................41.2.1通信确定性与实时性..............................................................................................41.2.2稳定性与可靠性......................................................................................................41.2.3安全性.....................................................................................................................41.2.4总线供电问题.........................................................................................................51.3实时以太网的技术优势.....................................................................................................51.3.1应用广泛.................................................................................................................51.3.2通信速率高.............................................................................................................51.3.3成本低廉.................................................................................................................51.3.4资源共享能力强......................................................................................................51.3.5可持续发展潜力大..................................................................................................61.4实时以太网的关键技术.....................................................................................................61.4.1实时通信技术.........................................................................................................61.4.2总线供电技术.........................................................................................................61.4.3远距离传输技术......................................................................................................61.4.4网络安全技术.........................................................................................................61.4.5可靠性技术.............................................................................................................61.5实时以太网的未来技术.....................................................................................................71.5.1工业以太网的防爆保护..........................................................................................71.5.2未来的网络拓扑结构..............................................................................................71.5.3让交换机学习自动化语言......................................................................................71.5.4安全增长的重要性..................................................................................................71.5.5无线网络提供新的应用可能..................................................................................71.5.6更高的网络带宽......................................................................................................71.6实时以太网的主流五种标准.............................................................................................81.6.1EtherCAT标准..........................................................................................................81.6.2Ethernet/IP标准......................................................................................................81.6.3PowerLink标准........................................................................................................81.6.4Profinet标准............................................................................................................91.6.5Sercos-III标准..........................................................................................................91.7实时以太网的五种标准比较.............................................................................................91.7.1硬件和软件的差异..................................................................................................91.7.2实现确定性的方案................................................................................................101.7.3实现实时性的异同................................................................................................111.7.4纵向IT集成的实现...............................................................................................111/31二．EtherCAT实时以太网技术.....................................................................................................112.1传统现场总线及以太网的实时能力...............................................................................112.2EtherCAT运行原理...........................................................................................................122.3EtherCAT技术特征...........................................................................................................142.3.1协议.......................................................................................................................142.3.2帧结构...................................................................................................................152.3.3拓扑.......................................................................................................................162.3.4分布时钟...............................................................................................................172.3.5实时性...................................................................................................................172.3.6故障诊断...............................................................................................................182.3.7可靠性...................................................................................................................192.3.8安全性...................................................................................................................192.3.9EtherCAT实现CANopen（CoE）..........................................................................192.3.10EtherCAT实现伺服驱动（SoE）........................................................................202.3.11EtherCAT实现以太网（EoE）............................................................................202.3.12EtherCAT实现文件读取（FoE）........................................................................212.4EtherCAT成本...................................................................................................................212.5EtherCAT实施...................................................................................................................212.5.1主站.......................................................................................................................222.5.2主站实施...............................................................................................................222.5.3从站.......................................................................................................................232.5.4从站控制器...........................................................................................................232.6EtherCAT总结...................................................................................................................24三．基于EtherCAT的多轴运动控制卡实现...............................................................................253.1系统概述..........................................................................................................................253.2EtherCAT主站程序...........................................................................................................263.3EtherCAT从站结构...........................................................................................................263.4数据通信..........................................................................................................................27结语................................................................................................................................................282/31摘要：分析了实时以太网技术的发展现状和发展趋势，并比较了当前主流的五种以太网标准的技术特点。针对EtherCAT实时以太网技术进行了细致的介绍和分析，并介绍了一种基于EtherCAT技术构建的多轴运动控制卡的实现。关键词：以太网EthernetEtherCAT运动控制前言长期以来，现场总线技术争论不休，工业网络通信的互连、互通与互操作问题很难解决，严重阻碍了现场总线技术的发展和推广应用，于是现场总线开始转向三十年来最成功的以太网网络技术。经过近几年的努力，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案，以太网的实时响应时间可以提高到低于1ms，从而产生了实时以太网(RealTimeEthernet，简称RTE)。经过多年的努力，实时以太网已经取得了多项关键技术的突破，可以通过实时以太网对底层的控制器和传感器进行操作，实现E网到底。一．实时以太网按照国际电工委员会IEC/sc65的定义，实时以太网是建立在IEEE802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网完全无缝连接的工业以太网。1.1实时以太网的发展历史以太网(Ethernet)这个名字来自于无线电技术。19世纪时，很多科学家认为电磁波的传输需要一种媒介，这种媒介被称为”Ether”。在20世纪70年代中期美国XEROX公司提出了以太网这个新概念，采用了CSMA／CD(载波侦听多路存取／冲突检测)的访问方法。第一个以太网系统，能够通过1000多米的同轴电缆，连接超过100个站点，实现3Mbps的数据传输速率。70年代后期，由DEC、Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输速率提高到了10MB／s。1995年，IEEE正式通过802．3u快速以太网标准。快速以太网仍然采用CSMA／CD协议，但物理层则提供1OOM／s传输速率。随后以太网技术进一步发展到1000MB／s(千兆网)和l0000MB／s(万兆网)。在这些网络中，不仅仅使用同轴电缆，也可采用双绞线电缆、光纤以及无线传输。传输速度高达100GB／s及以上的以太网网络也正在规划中。3/312003年5月，为了规范RTE的工作，1EC／sc65c专门成立了WG11实时以太网工作组，负责制定IEC61784—2“基于ISO/lEC8802.3的实时应用系统中工业通信网络行规”国际标准，该标准包括l1种实时以太网行规集。1.2实时以太网的发展现状Ethernet过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于：(1)Ethernet的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰撞检侧的载波侦听多址访问(CSMA／CD)方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场亚劣环境要求；(3)在工厂环境中，Ethernet抗干扰(EMI)性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；(4)Ethernet不能通过信号线向现场设备供电问题。随着IT技术和总线技术的发展，上述问题在实时以太网中正在迅速得到解决，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。1.2.1通信确定性与实时性快速以太网、交换式以太网技术和全双工通信的发展给解决以太网的非确定性和非实时性问题提供了契机和可能。首先，Ethernet的通信速率从1OM、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞。再次，全双工通信又使得端口闻两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。1.2.2稳定性与可靠性由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，德国Hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电。4/311.2.3安全性工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成实现数据的共享，提高工厂的运作效率。但同时也引入了一系列的网络安全问题工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。1.2.4总线供电问题总线供电(或称总线馈电)是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法：(1)在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。(2)不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。1.3实时以太网的技术优势1.3.1应用广泛以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。1.3.2通信速率高目前，10、100Mb／s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb／s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb／s。显然，以太网的速率要比传统现场总结要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。5/311.3.3成本低廉以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1／10)；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。1.3.4资源共享能力强随着Internet／Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。1.3.5可持续发展潜力大以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。1.4实时以太网的关键技术针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术。1.4.1实时通信技术其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信站软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。1.4.2总线供电技术采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能网络代电或总线供电的6/31以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。1.4.3远距离传输技术采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。1.4.4网络安全技术采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。1.4.5可靠性技术采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。1.5实时以太网的未来技术1.5.1工业以太网的防爆保护目前工业以太网的本质安全的问题还没有很好解决。未来这个技术解决后，第一台用双绞线连接的本质安全的以太网交换机的问世将具有重大意义。1.5.2未来的网络拓扑结构现在大部分的工业网络都支持菊花链型的拓扑结构，但是这个存在安全隐患的不稳定。同时，当流量突发时，以句话两式连接的交换机在吞吐量和带宽将受到限制。而环形拓扑结构就可以很好的解决这个问题，当其中一个节点失效时，不影响其他节点的正常工作。7/311.5.3让交换机学习自动化语言大型的自动化厂商都有自己定义的工业以太网协议，因此交换机学习自动化语言后，就可以用自己熟悉的自动化工具配置网络。1.5.4安全增长的重要性工业以太网能够实现从管理级到现场级的数据传输，因此用户只需要掌握一种网络技术即可。但是网络的透明度的增加也同时带来了安全隐患。分布式安全体系的建立，能够将内部网络分为一个个独立的安全单元，通过相应的协议规则通信。1.5.5无线网络提供新的应用可能如今的无线网络技术WLAN(WirelessLAN)被广泛的应用于办公环境中。移动性、灵活性、易于安装、低成本，无线通信的这些优点渐渐被应用于工业环境中。无线网络有很多不同技术特点的技术标准，WiMAX技术的传输距离在70公里以内，适合于大厂区范围内的数据通信，通信速率可达到640Mb/s。BlueTooth技术的传输半径在10m以内，适合于办公环境内的通信。ZigBee技术是一种超低功耗的无线通信标准，很灵活，可以用于传感器级别的数据通信。1.5.6更高的网络带宽随着互联网技术的发展，网络带宽将会越来越大，现在千兆以太网技术已经比较成熟并应用广泛，万兆以太网技术也正在完善和普及，十万兆以太网技术也开始崭露头角。随着以太网速率的增加，将来可能更多的设备和信息都会连接到以太网上，真正实现E网通天下。1.6实时以太网的主流五种标准2005年IEC标准化组织公布了11种实时以太网标准，这11种实时以太网标准成为当前获得国际承认的标准，每个标准都有自己的公司联盟和组织提供技术制定、推广、开发等支持。这11种标准分别为Ethernet/IP、Profinet、P-Net、InterBus、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT、PowerLink、EPA、Modbus-RTPS、Sercos-III。下面只选择市场及技术较成熟的5种主流实时以太网标准分别介绍。8/311.6.1EtherCAT标准EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG(EtherCATTechnologyGroup)国际组织的支持。EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，传输媒体可为双绞线或光纤。传统以太网技术用于现场级的最大问题是通信效率低，仅为0．77％，为了提高通信效率，EtherCAT采用了类似Interbus现场总线的集总帧等时通讯原理。EtherCAT开发了专用ASIC芯片FMMU(现场总线内存管理单元)用于I／0模块，这样一来，EtherCAT可采用标准以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据，在FMMU单元的控制下，网络上的每个站(或I/O单元)均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或者插入该站要输出的数据。EtherCAT还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其它数据帧有较高的优先级。EtherCAT几乎支持任何拓扑结构，包括线性、树型与星型等，在l00Mbps时允许两个设备之间最大电缆长度为100米，可连接多至65535个设备。1.6.2Ethernet/IP标准2000年3月，ControlNet国际组织(ControlNetInternational，CI)和DeviceNet供应商协会(OpenDeviceVendorAssociation，ODVA)共同开发了Ethernet／IP实时以太网，IP代表是工业协议(IndustrialProtoco1)。Ethernet／IP是一种开放的工业网络标准，它充分采用现成商用的EthernetTCP／IP芯片、物理媒体和协议组，支持显性和隐性报文。作为实时控制网络，Ethernet／IP在TCP／IP之上附加一个公共的应用层CIP(CommonIndustrialProtoco1)，CIP的控制部分用于实时I/O报文，信息部分用于报文交换。1.6.3PowerLink标准ETHERNETPowerlink(简称EPL)实时以太网标准是由奥地利贝加莱公司(B&R)于2001年11月创议和开发的，得到了EPSG(EPL标准化)协会的支持。世界上已有300多个制造厂、供应商和用户使用这项技术。ETHERNETPowerlink标准是在CANopen协议基础上发展而来的，它基于高速以太网，建立了一种特殊的时序机制SCNM(时间片通信管理机制)，因此保证了数据传输的确定性。EPL系统中MN(ManagingNode)节点作为主控制器去管理SCNM，CN(ControledNode)由一些现场设备构成，它们通过以太网HUB相连，路由器则负责IP地址转换和IP报文的信息安全。9/311.6.4Profinet标准Profinet实时以太网是由PI(ProfibusInternationa1)组织于2001年8月提出的基于以太网的自动化标准。Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术以及有线通信与无线通信技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。Profinet构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案。Profinet用于实现基于实时以太网的各种应用集成，Profinet-I/0支持简单分散式现场设备集成，Profinet-IRT支持苛求时间要求的运动控制集成以及Profinet-CBA支持基于组件的分布式自动化系统的集成。1.6.5Sercos-III标准SERCOS(SerialRealtimeCOmmunicationSystem)数字运动控制总线是运动控制领域的专用总线。该总线由SI（SERCOSInternational）集团提供支持该集团包括50家控制器生产商和30家驱动器生产商。Sercos-III是第三代基于以太网的运动控制高速总线接口。它将以太网的物理层和协议与Sercos接口机理有机的结合在一起，该总线采用TDMA时分多路时间片通信机制实现实时性和确定性。1.7实时以太网的五种标准比较1.7.1硬件和软件的差异各种实时方案从他们符合或不符合以太网TCP/IP标准来说，是各不相同的。关于硬件，Profinet-IRT、Sercos-III和EtherCAT(在从站中)的使用不是建立在标准以太网控制器上的，而是需要特殊硬件(专用集成电路或FPGA现场可编订阵列)。这意味着这些实时方案在操作时，依赖于制造商定制的硅器件。相反，PowerLink和Ethernet／IP使用标准的以太网控制器作为硬件平台。至于网络软件(OSI层3和层4)，Profinet-IRT、Sercos-III、EtherCAT和PowerLink使用专门的软件栈。仅Ethernet/IP是完全建立在同时满足硬件和软件两方面的以太网TCP/IP之上的。1.7.2实现确定性的方案为了使以太网具有实时性能，它必须以一种确定性的方法进行响应。为此，10/31各种基于以太网实时方法采用了不同的机制。\uf06cPowerlink是一种基于循环的实时系统。它在CSMA/CD机制中叠加了一个时间槽机制。主站(控制器)在一段分配的通讯循环时期内，连续轮询从站(驱动器)。其剩余的循环时间是留为异步数据的传输，如设备的配置通过一个标准以太网报文，传输数据对PowerLink，实时数据采用Ethertype，普通数据采用IP。通过标准以太网网络集线器，在一个实时段相互连接所有站点(主站与从站)。\uf06cProfinet-IRT，为了达到硬实时，也可使用时间槽机制。因此，某带宽保留以用于实时数据传输(IRT=等时实时同步)，并且异步通讯也可使用保留的带宽。通过优于标准集成在现场设备的专用交换机来连接站点而不是通过标准的以太网交换机。这些专用集成交换机包含一个专用集成电路，以100Mbps的数据速率控制或四个端口。\uf06cSercos-III使用以太网物理层(1OOMbps)和以太网报文，同时，保留现有的Sercos机制。同样的，Sercos-III是基于带宽，用于等时同步(实时信道)和异步(1P信道)数据传输的时间空挡机制。Sercos-III运行无需网络集线器或交换机。每个站点都具有专用的集成电路或带有两个通讯端口的FPGA，使它能够通过线形或环形拓扑图进行连接。\uf06cEtherCAT使用以太网报文结构，但是采用一种完全不同的基本运行模式。在一个通讯循环内，报文不会分别发送到每个站点，而是一个单一以太网报文贯穿所有站点/从站。以太网报文中的数据区分为若干实时和普通数据段。在实时数据区，连续的子报文定义了所有站点的首部及过程数据，从而增加了协议中的用户数据率(在运动控制应用中，64字节最短的以太网结构的用户数据率通常低于15％)。从站具有专用集成电路或FPGA，可将输入的以太网格式数据转换为一个内部名为E总线。由于EtherCAT从站仅能够解释EtherCAT帧，为了能够引导通用数据通过从站，故将通用数据封装在EtherCAT帧中。如果通用数据包太大，无法在一个循环中传输，则将被分别传送，从而通过多个EtherCAT帧。封装信道及打开封装信道采用网关功能，发生在主站(虚拟以太网交换机)或从站中。整个协议处理是基于硬件的。从站不会以常规模式处理输入的以太网报文一一揭示其内容，之后为转发而复制过程数据。取而代之的是，在报文通过从站的同时，EtherCAT从站在读写报文中来自和到达预定站点的过程数据。EtherCAT机制允许执行非常短的循\uf06cEthernet/IP是完全基于以太网标准仅有的一个实时方案。和其他协议相比，Ethernet/IP并不是基于循环，而是基于时间，这意味着它仅需要通过现场站点及时接收指令，还意味着整个系统的性能能够独立于网络性能来完成。通过这三个均基于标准的机制：UDP，服务品质QoS(优先站点)和IEEE1588来保证实时传送。1.7.3实现实时性的异同下表对比五种标准在一个需要同步控制1OO根轴的应用的实时行为。依照性能测试的两个分析标准为响应时间(循环时间)和抖动(也就是响应时间钟的变11/31化)。以太网方案响应时间（100轴）抖动数据速率Ethernet/IP=1ms<1ms100MbpsPowerLink<1ms<1ms100MbpsProfinet-IRT<1ms<1ms100MbpsSercos-III<0.5ms<0.1ms100MbpsEtherCAT=0.1ms<0.1ms100Mbps通过观察此表，首先是感叹这五个实时方案强大的性能，它们都具有较短的响应时间，或达到1ms。Ethernet/IP、Powerlink和Profinet-IRT在数量级上相似；在数量级上，Sercos-III和EtherCAT同其他三个实时方案相比则更快和更精确。1.7.4纵向IT集成的实现Ethernet/IP和Profinet是通用的通讯系统，并且它们的专用附件分别为ClPsvnc和Profinet-IRT可用于运动控制应用。基于Powerlink和Sercos-III的系统特别适合多轴应用。EtherCAT提供一个高效的路径,可实现极速的I/O传送和操作。这五个基于以太网的实时方案优于传统的运动控制现场总线，具有一个决定性的优势：即它们支持互联网技术，因而允许纵向IT集成，特别是Web技术在自动化行业中起到越来越重要的作用。二．EtherCAT实时以太网技术2.1传统现场总线及以太网的实时能力现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术（参见图12/311）。图1：传统现场总线系统响应时间目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84=4.8%。如果按照10µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。2.2EtherCAT运行原理EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见图2）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。13/31图2：过程数据插入至报文中由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。100Mb/sTX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于100Mb/s（即大于2x100Mb/s的90%）（参见图3）。图3：带宽利用率的比较符合IEEE802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS（一种可供选择的以太网物理层标准[4，5]），以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了。之后，便可以如普通以太网一样，随时进行从底板物理层LVDS到100Mb/sTX物理层的转换。14/312.3EtherCAT技术特征2.3.1协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文（参见图4），这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。图4：EtherCAT：符合IEEE802.3[3]的标准帧另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具（如：监视器）。15/312.3.2帧结构EtherCAT以标准以太网技术为基础，在MAC(媒体访问层)增加了一个确定性调度的软件层，实现了通信周期内的数据帧的传输。EtherCAT采用标准的IEEE802．3以太网帧，帧结构如图5，各部分含义见表1.图5：EtherCAT帧结构表1：帧结构定义名称含义目的地址接收方MAC地址源地址发送方MAC地址以太类型0x88A4EtherCAT头：长度数据区长度，即子报文长度加和EtherCAT头：类型1代表与从站通信，其余保留CRC循环冗余校验和一个EtherCAT帧中可以包含若干个EtherCAT子报文，报文结构如图6，各部分含义见表2。每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，由FMMU(FieldbusMemoryManagementUnit,负责逻辑地址与物理地址的映射)寄存器和SM(SyncManager，负责对通信数据内存的读写)寄存器定义，该区域最大可达4GB字节。EtherCAT报文由一个16位的WKC结束，其数据区最大长度可达1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的寻址方式。图6：子报文的帧结构16/31表2：子报文的帧结构含义名称含义命令寻址方式及读写方式索引号帧编码代号子报文地址从站地址长度报文数据区长度M此报文后是否还有报文状态位中断到来标志数据区子报文数据结构，用户定义WKCWorkingcount工作计数器，报文寻址次数2.3.3拓扑EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等（参见图7）。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。图7：灵活的拓扑结构：线型、树型或星型拓扑最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASE-TX模式传送信号；塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合；还可通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线（如：不同的光纤和铜电缆）的完整组合。17/31快速以太网的物理层（100BASE-TX）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米。由于连接的设备数量可高达65535，因此，网络的容量几乎没有限制。2.3.4分布时钟精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。最有效的同步方法是精确排列分布时钟（IEEE1588标准[6]）。与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1微秒的、确定性的同步误差时间基（参见图8）。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE1588标准。图8：同步性与一致性：相距电缆长度为有120米的两个分布系统，带有300个节点的示波器比较此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。18/312.3.5实时性EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30µs，其中还包括I/O周期时间（参见图9）。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300µs。图9：EtherCAT性能概貌100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100Mbps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000Mbps的以太网。2.3.6故障诊断现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。试运行期间，驱动或I/O端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至各19/31个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行（配置上载）。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外，对于电磁干扰、连接器破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。2.3.7可靠性选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口（无需专用网卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可（如图10所示）。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题图10：带标准从站的低耗费电缆冗余2.3.8安全性不管是使用硬件还是使用专用的安全总线系统，传统观念总是认为，自动化网络应与安全功能相分离。但EtherCAT所实现的安全功能可以在同一网络中将安全相关的通讯和控制通讯融合为一体。安全协议基于EtherCAT应用层，不受低层协议的影响，并遵循IEC61508标准认证，满足安全集成级（SIL）4的要求。数据长度可以变化的，因此该协议既完全适合于安全I/O数据，也适合于安全驱动技术。和其它EtherCAT数据一样，安全数据可以通过无安全功能的路由器或网关实现路由。20/312.3.9EtherCAT实现CANopen（CoE）CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。2.3.10EtherCAT实现伺服驱动（SoE）SERCOSinterfaceTM是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC61491标准[8]的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图11）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议状态。21/31图11：同时并存的多个设备行规和协议2.3.11EtherCAT实现以太网（EoE）EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、PPPoE(DSL)等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变（参见图12）。22/31图12：对所有以太网协议完全透明EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。2.3.12EtherCAT实现文件读取（FoE）这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。2.4EtherCAT成本由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。2.5EtherCAT实施EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件23/31中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。2.5.1主站EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准XML格式启动顺序在内的网络和设备参数。图13：主站实施的单个过程映像2.5.2主站实施可通过生产商获取主站代码、实现服务和技术支持，可用于多种硬件平台与操作系统。另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实24/31现以太网）功能。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。图14：主站样本代码结构2.5.3从站一个从站设备由低成本的EtherCAT从站控制器构建。有EtherCAT的从站控制器时可以不需要任何微控制器。简单的设备可以仅仅通过ESC和底层的PHY、RJ45接头就可以读取IO接口的数据。从站应用的过程数据接口（PDI）是一个32位的IO接口。没有任何配置参数的从站不需要任何软件或邮箱协议。EtherCAT状态机集成在ESC中。2.5.4从站控制器目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，可以购买授权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：\uf06c串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器如微型芯片PIC、DSP、Intel80C51等。\uf06c8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口25/31相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon80C16x、Intel80x86、HitachiSH1、ST10、ARM和TITMS320等系列。\uf06c32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU。图15：从站硬件：带主机CPU的FPGA图16：从站硬件：带直接I/O的FPGA26/312.6EtherCAT总结EtherCAT拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC)便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯（参见图16）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。图17：形式多样灵活的网络结构27/31三．基于EtherCAT的多轴运动控制卡实现3.1系统概述本例设计和实现了基于EtherCAT的多轴运动控制器，如图18所示。图中，一个EtherCAT主站通过EtherCAT可以连接若干从站运动控制器单元，一个运动控制器单元由从站控制底板、通信卡和1～8块运动控制卡组成，每个运动控制卡控制一个伺服轴。从站控制底板采用Atmega128芯片作为处理器；通信卡使用BECKHOFF公司提供的ESC20控制器。图18：多轴运动控制器系统组成图3.2EtherCAT主站程序EtherCAT技术在主站方面只需在一块标准的NIC网卡，主站功能完全由软件实现。EtherCAT可以用一个以太网帧发送1486字节的有效数据，所以在通常情况下，每个通信周期只需要一个或两个帧就能完成所有结点的全部通信。EtherCAT28/31主站程序应该包含以下几个方面：\uf06c读取XML配置文件，根据配置文件信息构造主站与从站设备；\uf06c管理EtherCAT从站，发送配置文件中定义的初始化帧，初始化从站，为通信做准备；\uf06c使用邮箱操作实现非周期性数据传输，配置系统参数，处理通信过程中某些偶然性事件；\uf06c实现过程数据通信，完成主站与从站之间的实时数据交换，达到主站控制从站运行，并处理从站实时状态的功能。3.3EtherCAT从站结构可以利用BECKHOFF公司开发的从站控制器ESC(EtherCATSlaveController)根据实际需要设计从站设备。从站硬件原理如图19所示。图19：从站硬件结构图从站控制器与主站交换的数据有两种：一种是周期性数据，另一种是非周期性数据。周期性数据传输可以采用缓冲区方式，任何一方在任何时问都可以访问此方式定义的内存，得到最新数据；非周期性数据传输采用握手方式(邮箱方式)实现，一方写入数据到定义的内存，只有完成定义内存的最后一个字节的写入，另一方才能开始从定义内存中读出数据，而且只有在读出定义内存的最后一个字节数据后，才能重新写入数据。3.4数据通信本系统在应用层自定义了数据模块结构。数据模块分为两种，一种是指令数据模块，由主站写给从站，控制伺服运动，另一种是状态数据模块，主站从从29/31站读取，表示伺服轴状态反馈。一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成，如图20所示。图20：通信子报文结构主站和从站之间进行周期性的通信来完成伺服控制，其通信时序如图21所示。数据帧传输完成后，从站在T1时刻前从通信控制卡读取指令数据，并经过运算后输出到运动控制卡；在T2时刻之前读取运动控制卡实际状态，并写入通信控制卡，等待下个数据帧读取。图21：EtherCAT运动控制器通信时序结语通过分析实时以太网的发展路程，可以看到经过短短几年的发展，实时以太网已经迅速的成为工业总线的有力竞争者。短时间内还会有实时以太网和工业现场总线的互相竞争互相依存，同时实时以太网的内部各个标准之间也会存在长时间的竞争和完善。但是可以预见实时以太网的未来应用前景非常广阔，成长速度和潜力都很强。通过比较几种主流的实时以太网的技术特点和原理，可以看到各有千秋，在特定的应用领域都有各自的优势。如果综合考虑成本和效率，EtherCAT技术具有更大的优势。经过详细分析EtherCAT技术的原理和实施，此技术可以支持低成本的配置和标准高成本配置两种方式，且拓扑结构灵活安全，同时通信效率可30/31以达到90%是5种标准中最高的，在IO传输和运动控制时的速度也是5种标准中最快的。最后在多轴运动控制卡中的应用，证明了EtherCAT技术开发简单易行，配置灵活，操作简单。31/31',)