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

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)現正在獲得越來(lái)越多的研發(fā)人員的關(guān)注。本文詳細介紹了EtherCAT技術(shù)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(shí)現方式。
【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(guò)去十幾年中，現場(chǎng)總線(xiàn)是工廠(chǎng)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中現場(chǎng)級通訊系統的主流解決方案。但隨著(zhù)自動(dòng)化控制系統的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在許多應用場(chǎng)合已經(jīng)難以滿(mǎn)足用戶(hù)不斷增長(cháng)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)的信息系統中，以太網(wǎng)已經(jīng)非常成功的應用于市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理層、生產(chǎn)管理層和過(guò)程監控層。如果能夠在底層設備網(wǎng)絡(luò )上引入以太網(wǎng)不僅可以使現場(chǎng)設備層、過(guò)程控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠(chǎng)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(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。與傳統控制網(wǎng)絡(luò )相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有應用廣泛、為所有的編程語(yǔ)言所支持、 軟硬件資源豐富、易于與Internet連接、可實(shí)現辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的無(wú)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(kāi)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)現正在獲得越來(lái)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，負責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(kāi)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)現場(chǎng)總線(xiàn)系統，該協(xié)議可以用于過(guò)程數據的優(yōu)化傳輸。EtherCAT協(xié)議可以包括幾個(gè)EtherCAT報文，每個(gè)報文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。要發(fā)送和接收的數據順序不依賴(lài)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國際標準組織所定義的開(kāi)放系統互連七層OSI模型被壓縮成了具有物理層、數據鏈路層和應用層的3層模型。物理層為網(wǎng)絡(luò )信號的傳輸提供了物理鏈路。數據鏈路層的主要任務(wù)是在特定的“時(shí)間窗”內從以太網(wǎng)幀中提取數據并把要輸出的數據插入到以太網(wǎng)幀內，同時(shí)對數據進(jìn)行檢查校驗。如果動(dòng)作在特定的時(shí)間窗內不能完成，就會(huì )認為動(dòng)作失敗。應用層的作用是處理數據鏈路層的請求，并作出適當的反應。

圖1 EtherCAT的OSI模型

EtherCAT協(xié)議本身決定了它無(wú)需接收以太網(wǎng)數據包，將其解碼，之后再將過(guò)程數據復制到各個(gè)設備。它具有主從數據交換原理，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從站數據，報文在I/O從站間傳遞，每個(gè)從站用極短的時(shí)間獲取數據并將要發(fā)出的數據寫(xiě)入到以太網(wǎng)幀的相應位置，然后將報文傳遞給下一個(gè)從站。最后一個(gè)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據，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進(jìn)行數據傳輸，可用的數據傳輸速率可達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(gè)數字量I/O只需30微秒，處理200個(gè)l6位模擬量信號只需50微秒，即取樣頻率達到20kHz。這種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議非常適合要求實(shí)現快速控制的應用場(chǎng)合，可以做到真正把以太網(wǎng)應用于傳感器/執行器級。EtherCAT協(xié)議本身決定了它幾乎支持任何拓撲類(lèi)型，包括線(xiàn)型、樹(shù)型、星型等，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線(xiàn)器的數量。
在故障診斷方面，EtherCAT通過(guò)CRC校驗，可以有效地檢測出數據傳送期間的位故障，EtherCAT通過(guò)匹配性檢查可以進(jìn)行斷線(xiàn)檢測和故障定位。另外，EtherCAT系統的協(xié)議還可以對各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監視，與錯誤計數器關(guān)聯(lián)的自動(dòng)評估還可以對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò )段進(jìn)行精確定位。

三、EtherCAT的實(shí)現

EtherCAT技術(shù)的實(shí)現包括主站實(shí)現和從站實(shí)現。EtherCat主站不需要專(zhuān)用的通訊處理器，只需使用無(wú)源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設備即可，完全采用軟件方式在主機CPU中實(shí)現協(xié)議的識別和封裝。EtherCat可以在單個(gè)以太網(wǎng)幀中最多實(shí)現1486字節的分布式過(guò)程數據通訊。為了方便主站的開(kāi)發(fā)，EtherCat組織現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)操作系統中，加快項目開(kāi)發(fā)進(jìn)程。本文采用的EtherCAT主站的人機界面如圖3所示。

圖3 測試用EtherCAT主站人機界面
EtherCat從站是通過(guò)專(zhuān)用硬件實(shí)現的，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(mǎi)獲取授權的二進(jìn)制代碼，通過(guò)價(jià)格低廉的FPGA實(shí)現從站控制器的功能。實(shí)現從站的專(zhuān)用硬件都具有兩個(gè)MAC地址，可以很容易的擴展兩個(gè)網(wǎng)口，目的是便于實(shí)現級聯(lián)，構成各種拓撲結構。
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)現了EtherCat協(xié)議的應用層，可以通過(guò)16位并口對ET1100內部的DPRAM進(jìn)行數據存取。ET1100帶有兩個(gè)MII接口，它們在硬件上實(shí)現了EtherCat協(xié)議的數據鏈路層，外擴的兩個(gè)物理層芯片實(shí)現了工業(yè)以太網(wǎng)的的物理層。網(wǎng)絡(luò )變壓器的作用是實(shí)現隔離和阻抗匹配。主站PC與從站的數據通訊速率達到100Mbit/s，具體的實(shí)現從站的原理框圖如圖4所示。

圖4 從站原理框圖

四、結論與展望

EtherCAT作為工業(yè)自動(dòng)化以太網(wǎng)解決方案，以其高速、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現正在獲得越來(lái)越多的研發(fā)人員的青睞，國際上已經(jīng)有多個(gè)廠(chǎng)家研發(fā)出自己的主站產(chǎn)品和從站芯片，國內也有多個(gè)廠(chǎng)家開(kāi)始著(zhù)力于該技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。新華集團研發(fā)中心已經(jīng)在國內率先實(shí)現了EtherCAT技術(shù)的產(chǎn)品化，成功研發(fā)了國內第一套基于EtherCAT的DCS TisNet－E1000，在國內引領(lǐng)了基于EtherCAT技術(shù)的自動(dòng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：基于16位處理器TMS320LF2407和ET100實(shí)現了EtherCAT從站，搭建了EtherCAT技術(shù)驗證平臺，在國內引領(lǐng)了EtherCAT技術(shù)的的產(chǎn)品化。

參考文獻