工業以太網EtherCAT技術的原理及其實現

工業以太網技術是工業控制行業中的研究熱點。EtherCAT技術以其高速、簡單、易于實現正在獲得越來越多的研發人員的關注。本文詳細介紹了EtherCAT技術的原理和協議形式，并結合TMS320LF2407給出了一種具體的EtherCAT從站實現方式。
【關鍵詞】　工業以太網， 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

過去十幾年中，現場總線是工廠自動化和過程自動化領域中現場級通訊系統的主流解決方案。但隨著自動化控制系統的不斷進步和發展，傳統的現場總線技術在許多應用場合已經難以滿足用戶不斷增長的需求。以太網已經在局域網和Internet上取得了巨大的成功，在整個企業的信息系統中，以太網已經非常成功的應用于市場經營管理層、生產管理層和過程監控層。如果能夠在底層設備網絡上引入以太網不僅可以使現場設備層、過程控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本。
目前，工業以太網技術已經成為工業控制領域中的一個研究熱點，多家自動化公司推出了自己的工業以太網解決方案。目前主要的工業以太網標準有以下幾種： Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、 Powerlink、EtherCAT以及我國研制的EPA等。與傳統控制網絡相比，工業以太網具有應用廣泛、為所有的編程語言所支持、 軟硬件資源豐富、易于與Internet連接、可實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接等諸多優點。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動控制公司Beckhoff開發的一種工業以太網技術，該技術以其高速、簡單、易于實現正在獲得越來越多的產品研發人員的關注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負責EtherCAT技術的推廣和宣傳。目前，該組織目前已經擁有700多個成員，很多成員組織已經開發出基于EtherCAT的產品。

二、EtherCAT技術原理

EtherCAT是一種實時以太網現場總線系統，該協議可以用于過程數據的優化傳輸。EtherCAT協議可以包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。要發送和接收的數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可以任意編址。
作為一種實時以太網協議，EtherCAT從站的OSI模型可以用圖1簡單描述。在圖1中，ISO國際標準組織所定義的開放系統互連七層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。物理層為網絡信號的傳輸提供了物理鏈路。數據鏈路層的主要任務是在特定的“時間窗”內從以太網幀中提取數據并把要輸出的數據插入到以太網幀內，同時對數據進行檢查校驗。如果動作在特定的時間窗內不能完成，就會認為動作失敗。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協議本身決定了它無需接收以太網數據包，將其解碼，之后再將過程數據復制到各個設備。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，每個從站用極短的時間獲取數據并將要發出的數據寫入到以太網幀的相應位置，然后將報文傳遞給下一個從站。最后一個從站處理結束后，將報文傳遞回EtherCAT主站。

EtherCAT協議結構如圖2所示。圖2表明，由于發送和接收的以太網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協議進行數據傳輸，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個數字量I/O只需30微秒，處理200個l6位模擬量信號只需50微秒，即取樣頻率達到20kHz。這種實時以太網協議非常適合要求實現快速控制的應用場合，可以做到真正把以太網應用于傳感器/執行器級。EtherCAT協議本身決定了它幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等，并且不受限于級聯交換機或集線器的數量。
在故障診斷方面，EtherCAT通過CRC校驗，可以有效地檢測出數據傳送期間的位故障，EtherCAT通過匹配性檢查可以進行斷線檢測和故障定位。另外，EtherCAT系統的協議還可以對各個傳輸段分別進行品質監視，與錯誤計數器關聯的自動評估還可以對關鍵的網絡段進行精確定位。

三、EtherCAT的實現

EtherCAT技術的實現包括主站實現和從站實現。EtherCat主站不需要專用的通訊處理器，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網MAC設備即可，完全采用軟件方式在主機CPU中實現協議的識別和封裝。EtherCat可以在單個以太網幀中最多實現1486字節的分布式過程數據通訊。為了方便主站的開發，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時操作系統中，加快項目開發進程。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從站是通過專用硬件實現的，目前，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器，也可以一次性購買獲取授權的二進制代碼，通過價格低廉的FPGA實現從站控制器的功能。實現從站的專用硬件都具有兩個MAC地址，可以很容易的擴展兩個網口，目的是便于實現級聯，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作為工業以太網Ethercat協議通訊控制器。TMS320LF2407實現了EtherCat協議的應用層，可以通過16位并口對ET1100內部的DPRAM進行數據存取。ET1100帶有兩個MII接口，它們在硬件上實現了EtherCat協議的數據鏈路層，外擴的兩個物理層芯片實現了工業以太網的的物理層。網絡變壓器的作用是實現隔離和阻抗匹配。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作為工業自動化以太網解決方案，以其高速、簡單、易于實現正在獲得越來越多的研發人員的青睞，國際上已經有多個廠家研發出自己的主站產品和從站芯片，國內也有多個廠家開始著力于該技術的產品開發。新華集團研發中心已經在國內率先實現了EtherCAT技術的產品化，成功研發了國內第一套基于EtherCAT的DCS TisNet－E1000，在國內引領了基于EtherCAT技術的自動化產品開發。

本文作者的創新點：基于16位處理器TMS320LF2407和ET100實現了EtherCAT從站，搭建了EtherCAT技術驗證平臺，在國內引領了EtherCAT技術的的產品化。

參考文獻