基于S3C2440的Ethercat實時工業以太網

1 引言
工業以太網由于低成本、易于組網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[1]，使其在工業中應用越來越多。Ethercat技術是德國BECKHOFF公司提出的實時工業以太網技術，它基于標準的以太網技術，具備靈活的網絡拓撲結構。系統配置簡單，具有高速、有效數據率高等特點，全雙工特性完全得以利用[2]。
2 Ethercat技術介紹
2.1 Ethercat的系統組成及運行原理

Ethercat采用了主從介質訪問方式，在基于Ethercat的通信系統中，主站控制從站發送或接收數據。主站發送數據幀，從站在數據幀經過從站時讀取相應報文中的輸出數據。同時，從站的輸入數據插入到同一數據幀的相關報文中。當該數據幀經過所有從站并與從站進行數據交換后，由Ethecat系統中末端從站將數據幀返回[3]。圖1由一個主站和3個從站組成的線性拓撲結構的簡單Ethercat系統。
2.2 Ethercat協議
Ethercat以標準以太網技術為基礎，在MAC(媒體訪問層)增加了一個確定性調度的軟件層，該軟件層實現了通信周期內的數據幀的傳輸。Ethercat采用標準的IEEE802-3以太網幀，幀結構如圖2。Ethercat在標準以太網幀結構中使用了一個特殊的以太網幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數據直接寫入以太網幀內，并且可以與遵守其它協議的以太網幀在同一網絡中并行。一個Ethercat幀中可以包含若干個Ethercat子報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，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16位的WKC(Working Count)結束，其數據區最大長度可達1486個字節。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從站進行任意的編址[4]。

圖2 Ethercat幀結構

2.3 Ethercat性能
Ethercat整個協議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。100個伺服軸的通訊只需100μs[5]。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1μs [6]。
3 基于ARM的從站節點控制器的硬件設計
Ethercat從站節點的協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來選擇。
表1 接口規范