EtherCAT簡介

1、EtherCAT 一種新的工業(yè)以太網(wǎng)標準概述近年來，在自動化控制技術領域，EtherCAT已經(jīng)成為一種全球范圍內(nèi)先進的技術 標準。EtherCAT技術組（ETG成立于2003年11月，截至2009年1月已經(jīng)有來自于 45個國家的 900個成員加入該技術組。自上世紀 90年代末，以太網(wǎng)技術已經(jīng)被認 為是現(xiàn)場總線技術的一個補充， 但并非完全取代了現(xiàn)場總線技術。 現(xiàn)場總線技術 適合于大數(shù)據(jù)量傳輸， 但不適合于測控工程領域中的確定性進程通訊以及高速數(shù) 據(jù)傳輸。因此，EtherCAT的設計目標是支持標準的以太網(wǎng)， 并且能夠以最小的硬 件成本在實時控制領域開展使用，更新周期快，穩(wěn)定性高。這些特點，使得Et

2、herCAT成為分布式測量應用的理想選擇。 本文的重點是測量數(shù) 據(jù)的采集，并闡明EtherCAT作為分布式測量系統(tǒng)基礎技術的可能性一一包括替代 CANE者Profibus的可能性。EtherCAT的工作原理為了理解EtherCAT作為通信總線在測量工程中的優(yōu)勢，我們需要了解數(shù)據(jù)是如何 傳輸?shù)摹；谝蕴W(wǎng)的總線包括在主 / 從系統(tǒng)中接收器通常由發(fā)送器分 配一個地址。 數(shù)據(jù)包被發(fā)送到接收器， 接收器必須在能夠發(fā)送任何應答之前， 接 收全部的數(shù)據(jù)。 在網(wǎng)絡中的每一個用戶都要遵循這樣的過程。 相比之下， 當主站 發(fā)送的數(shù)據(jù)報文傳輸經(jīng)過其節(jié)點時，EtherCAT從站設備僅接收為其發(fā)送的數(shù)據(jù)， 此外，在報

3、文傳輸過程中輸入數(shù)據(jù)即被添加到報文中。 因此， 一幀數(shù)據(jù)可以不必 等到全部接收完才進行數(shù)據(jù)處理， 相反地， 數(shù)據(jù)處理可以盡早開始。 消息也僅延 時幾位發(fā)送。分布式測量系統(tǒng)近年來，測量數(shù)據(jù)的采集已經(jīng)趨向于分散化。 這個趨勢的一個重要方面是試圖盡 可能近地在傳感器端將輸出的模擬信號數(shù)字化， 以避免信號在傳輸線路中受到干 擾的影響。 對于這種類型的數(shù)據(jù)采集， 一個主要的前提條件是測量模塊要離傳感 器近并且能夠能夠?qū)崟r進行總線連接。 在這方面， 允許更多獨立用戶的標準化總 線連接將在普遍適用性和制造商獨立性上發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。 就低速采樣而言 （帶 寬達到20kB/s），CAN-bus已經(jīng)成為測量工程領

4、域公認的標準。 除了 CAN-bus在自 動化和安裝工程領域外，像Profibus、In terbus、Modbus等總線（在這里僅舉幾 例），其應用已經(jīng)很普遍。特別是針對動態(tài)量測量和多通道測量應用，更高的帶 寬和最優(yōu)化的總線加載是必不可少的。 如前所述，以太網(wǎng)技術平臺能夠提供這些 功能 測量系統(tǒng)和EtherCAT下面通過幾個例子說明EtherCAT的應用，尤其是在測量工程中。第一個重要的應 用是通過EtherCAT連接數(shù)字轉(zhuǎn)換器與高層系統(tǒng)。EtherCAT measurcFncnt tnodulcs (staves) fast, nvarby censor* and dtgitAlizali

5、onmflasurcment modules - . i AUlCfTliltlOl在這個應用中，數(shù)據(jù)接收者（主站）可以是測量系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)/開環(huán)控制系統(tǒng)。但在這里，動態(tài)進程通訊也要求測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有必要的組件支持?！皞鹘y(tǒng)”測量系統(tǒng)的任務通常遠遠超過了單純的數(shù)據(jù)收集，正因為如此，當然值得考慮將配備EtherCAT接口的系統(tǒng)集成到網(wǎng)絡中。這樣就形成了一個完全一體化的智 能子系統(tǒng)，這個子系統(tǒng)能夠執(zhí)行比如前處理、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分析與保存（即使 是高動態(tài)）等任務，而不會額外增加 EtherCAT網(wǎng)絡或者是主站的負擔。Inlelltgertt measurement cyslem as Gonfi

6、gurabFe d<it source (slaves! in an automation network在隨后的階段，該智能測量系統(tǒng)增加了一個或更多的 EtherCAT主站，這樣反過來, 可以連接更多的EtherCAT數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在此基礎上，可以建立一個可擴展的網(wǎng)絡， 這個網(wǎng)絡幾乎不受限于級聯(lián)計算能力和存儲深度。Intelligcnt mcatiromcrrt system as master formcmuremcnt modules andin 和1 akdotnabon nctworiinMMurcmeni modutei l 嶽 n技術背景EtherCAT是一種完全開放的技術，

7、它已經(jīng)被納入國際標準IEC61158 IEC61784以及ISO15745-4。利用EtherCAT，無需在每次激活時再接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，之后再進行過程數(shù)據(jù)提取、解碼。EtherCAT從站設備提取發(fā)給它們的數(shù)據(jù)，同時，數(shù) 據(jù)報文在傳輸過程中流經(jīng)從站設備。同樣，輸入數(shù)據(jù)也在報文經(jīng)過時插至報文中。 整個過程中，報文僅有幾納秒的時間延遲。因為以太網(wǎng)幀在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方向 上有許多數(shù)據(jù)流經(jīng)過，所以有效的數(shù)據(jù)傳輸速率增加了90%通常情況下，EtherCAT作為一個環(huán)形結(jié)構被配置，數(shù)據(jù)可以通過半雙工或者全雙工的方式進行 發(fā)送。但是對于樹形或星型拓撲結(jié)構，EtherCAT也是可以進行數(shù)據(jù)通訊。EtherCA

8、T協(xié)議直接通過以太網(wǎng)幀進行傳輸。 為此，它使用了一種特殊的以太類型（EtherType ），可以包括多個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程 映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達 4GB?節(jié)。16 Bit盯悴 1514 Ryto48 Lit48 Bit32 Bll1 r n EtherCAT DatagramEmbedded in standard Ethernet Frame, EtherType 0x88A4/ 11 ex4EtherCAT UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）可以將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文， 這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到 Ethe

9、rCAT系統(tǒng)中，甚至還可 以通過路由器使通訊跨接到其他子網(wǎng)。使用CANope協(xié)議，設備就可以集成到一個EtherCAT網(wǎng)絡中，而不需要額外的驅(qū) 動器。CANope設備及應用行規(guī)廣泛用于多種設備類別和應用領域，例如，從I/O部件到執(zhí)行器，編碼器，比例閥和液壓控制器，一直到測量工程的應用行規(guī)。EtherCAT可以提供與CANope機制相同的通訊機制：包括對象數(shù)據(jù)目錄，PD（進 程數(shù)據(jù)對象）和SDO（服務數(shù)據(jù)對象），甚至網(wǎng)絡管理也毫不遜色。這意味著， 在已經(jīng)安裝了 CANope的設備中，僅需稍加變動即可實現(xiàn)EtherCATo除了 CANopen 之外，其他的協(xié)議也被定義了，它們可以完成比如基于TCP/IP協(xié)議的通訊等標準 服務。這些包括：1. EtherCAT實現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE2. EtherCAT實現(xiàn)文件存取（FoE3. EtherCAT實現(xiàn)安全性（FSoEEtherCAT能夠滿足其作為測量工程領域“理想”數(shù)據(jù)總線的要求:1. 帶寬即其利用率極高2. 分布式拓