基于S3C2440的Ethercat實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)

1 引言
工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當高的數據傳輸速率、資源共享能力強以及易于Internet連接等特點(diǎn)[1]，使其在工業(yè)中應用越來(lái)越多。Ethercat技術(shù)是德國B(niǎo)ECKHOFF公司提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標準的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。系統配置簡(jiǎn)單，具有高速、有效數據率高等特點(diǎn)，全雙工特性完全得以利用[2]。
2 Ethercat技術(shù)介紹
2.1 Ethercat的系統組成及運行原理

Ethercat采用了主從介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式，在基于Ethercat的通信系統中，主站控制從站發(fā)送或接收數據。主站發(fā)送數據幀，從站在數據幀經(jīng)過(guò)從站時(shí)讀取相應報文中的輸出數據。同時(shí)，從站的輸入數據插入到同一數據幀的相關(guān)報文中。當該數據幀經(jīng)過(guò)所有從站并與從站進(jìn)行數據交換后，由Ethecat系統中末端從站將數據幀返回[3]。圖1由一個(gè)主站和3個(gè)從站組成的線(xiàn)性拓撲結構的簡(jiǎn)單Ethercat系統。
2.2 Ethercat協(xié)議
Ethercat以標準以太網(wǎng)技術(shù)為基礎，在MAC(媒體訪(fǎng)問(wèn)層)增加了一個(gè)確定性調度的軟件層，該軟件層實(shí)現了通信周期內的數據幀的傳輸。Ethercat采用標準的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結構如圖2。Ethercat在標準以太網(wǎng)幀結構中使用了一個(gè)特殊的以太網(wǎng)幀類(lèi)型0x88A4，采用這種方式可以使控制數據直接寫(xiě)入以太網(wǎng)幀內，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò )中并行。一個(gè)Ethercat幀中可以包含若干個(gè)Ethercat子報文，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，由FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)寄存器和SM (SyncManager)寄存器定義，該區域最大可達4GB字節。Ethercat報文由一個(gè)16位的WKC(Working Count)結束，其數據區最大長(cháng)度可達1486個(gè)字節。在報文頭中由8位命令區數據決定主站對從站的尋址方式，由于數據鏈獨立于物理順序，因此可以對Ethercat從站進(jìn)行任意的編址[4]。

圖2 Ethercat幀結構

2.3 Ethercat性能
Ethercat整個(gè)協(xié)議處理過(guò)程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò )性能上達到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節的過(guò)程數據，幾乎相當于12000個(gè)數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs[5]。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1μs [6]。
3 基于A(yíng)RM的從站節點(diǎn)控制器的硬件設計
Ethercat從站節點(diǎn)的協(xié)議部分可以直接利用BECKHOFF公司的從站控制器ESC。ESC從站控制器提供3種接口規范如表1，具體采用哪一種方式可以設置控制器的EEPROM來(lái)選擇。
表1 接口規范