EtherCAT簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一種用于確定性以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，它擴展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，使得數據傳輸中具有可預測性定時(shí)及高精度同步等特點(diǎn)。這個(gè)開(kāi)放性標準作為IEC 61158的組成部分，常用于機械設計及運動(dòng)控制等應用中。

EtherCAT在標準的以太網(wǎng)電纜上應用主/從式的構架。美國國家儀器公司的EtherCAT主設備由帶有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)控制器構成，如NI CompactRIO及PXI。每個(gè)NI從設備同樣包含兩個(gè)端口，允許以菊花鏈模式與主控制器連接。

圖1. 采用NI硬件的EtherCAT主/從構架

EtherCAT協(xié)議基礎

EtherCAT協(xié)議直接以標準以太網(wǎng)的幀格式傳輸數據，并不修改其基本結構。當主控制器和從設備處于同一子網(wǎng)時(shí)，EtherCAT協(xié)議僅替換以太網(wǎng)幀中的Internet 協(xié)議(IP)。

圖2. EtherCAT中的以太網(wǎng)幀結構

數據以過(guò)程數據對象(PDOs)形式在主從設備之間傳輸。每個(gè)PDO都包含單個(gè)或多個(gè)從設備的地址，這種數據加地址的結構（附帶用于校驗的傳輸計數位）組成了EtherCAT的報文。每個(gè)Ethernet幀可能包含數個(gè)報文，而一個(gè)控制周期中可能需要多幀來(lái)傳送所需的所有報文。

數據傳輸

對于某些實(shí)時(shí)協(xié)議，主控制器發(fā)送數據包后必須等待每個(gè)從節點(diǎn)完成對數據的解析和復制。然而這種確定性方法很難維持，因為主控制器必須添加并管理一定量的處理時(shí)間及每個(gè)從設備的抖動(dòng)。

EtherCAT技術(shù)能夠在工作中處理每個(gè)以太網(wǎng)幀，從而克服了上述系統限制。舉例來(lái)說(shuō)，設想以太網(wǎng)的幀就像行駛中的火車(chē)，EtherCAT報文是每節火車(chē)車(chē)廂，PDO數據的比特就是車(chē)廂內的乘客，這些數據可以被提取并插入到合適的從設備中。整輛火車(chē)不停止地穿越所有從設備，在末端從設備處又掉頭，重新反向穿越所有從設備。

圖3. EtherCAT數據傳輸

同樣道理，當設備1收到主設備發(fā)出的以太網(wǎng)數據包后，將自動(dòng)開(kāi)始將數據包發(fā)送到設備2，其間對數據包的讀寫(xiě)延遲僅為數納秒。由于數據包不斷地在從設備之間傳遞，數據就能同時(shí)存在于數個(gè)設備上。

上述方法有什么實(shí)際意義呢？我們假設有50臺從設備，需要向每個(gè)從設備發(fā)送不同數據。對于非EtherCAT的網(wǎng)絡(luò )，需要發(fā)送50個(gè)不同的數據包；而對于EtherCAT，只需發(fā)送一個(gè)包含所有從設備數據的長(cháng)數據包就行了，該數據包將遍歷所有從設備。如果所有從設備需要接受相同的數據，那么只需要發(fā)送一個(gè)短數據包，所有從設備接收數據包的同一部分便可獲得該數據，從而優(yōu)化了數據傳輸速度及帶寬。

高速性能

EtherCAT專(zhuān)為例如控制之類(lèi)的單點(diǎn)應用（）實(shí)現高性能、高通道數而設計。由于使從設備的讀寫(xiě)可在同一幀中完成，因此EtherCAT報文結構針對于分散的I/O是一種優(yōu)化結構。此外，由于整個(gè)協(xié)議處理由硬件完成，從而獨立于協(xié)議棧運行時(shí)間、CPU性能或軟件執行。例如，通過(guò)直接存儲器存取(DMA)，數據在網(wǎng)卡與主處理器或從設備I/O間傳輸時(shí)，能夠實(shí)現最低的CPU使用率。同時(shí)，每個(gè)NI從設備均使用若干專(zhuān)用于PDO傳輸及地址解析的現場(chǎng)總線(xiàn)存儲管理單元(FMMUs)。從設備（而非主設備）獨立進(jìn)行相應報文的映射，從而降低了主設備的復雜性，釋放更多資源。

定時(shí)及同步

實(shí)現確定性網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)因素是主控制器通過(guò)分布式時(shí)鐘同步從設備的能力。從設備中必須有一臺輸出主時(shí)鐘用于與其它從設備時(shí)鐘進(jìn)行同步。在NI的設計實(shí)現中，第一臺從設備包含了主時(shí)鐘，主控制器發(fā)送的特殊同步報文在每個(gè)掃描周期中讀取主時(shí)鐘。該報文更新并調整所有其它從設備時(shí)鐘，以消除時(shí)鐘偏移。

精確同步非常重要，尤其是在大范圍分布式處理應用中要求同步執行時(shí)，如運動(dòng)軸間的協(xié)調運動(dòng)。NI采用時(shí)間戳來(lái)衡量發(fā)送與返回幀之間的時(shí)差。利用這種方式，可以計算節點(diǎn)間的傳輸延時(shí)，通過(guò)準確調節分布式時(shí)鐘便可實(shí)現精確同步（小于1 µs）。

使用NI的EtherCAT硬件

美國國家儀器公司提供多種在EtherCAT上兼容確定性分布式I/O的平臺。對于主控制器，用戶(hù)可選用帶兩端口的CompactRIO控制器或插有NI PXI-8231/8232以太網(wǎng)接口卡的PXI系統，配合適用NI-Industrial Communications for EtherCAT軟件驅動(dòng)。用戶(hù)可通過(guò)菊花鏈方式在控制器上連接多臺NI 9144從設備機箱完成時(shí)間確定性應用，以最小的處理器資源，維持硬件的高確定性。

NI 9144是堅固的8槽機箱，可支持30多種模擬、數字C系列模塊。這些I/O模塊能提供直接連接各類(lèi)傳感器性，并能重用于其它NI硬件平臺。最重要的是，創(chuàng )新性的技術(shù)使得NI9144的配置過(guò)程最簡(jiǎn)化，在LabVIEW 8.6 Real-Time軟件中能夠自動(dòng)識別所有連接的從設備及其模塊。使用LabVIEW，您可以通過(guò) I/O 變量拖曳、實(shí)時(shí)測試面板、I/O 強制等功能輕松實(shí)現與物理通道連接，實(shí)現調試功能。