EtherCAT - 以太網現場總線
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1. 引言

現場總線已成為自動化技術的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應用。正是由于現場總線技術的普及，才使基于PC的控制系統得以廣泛應用。然而，雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發展迅猛，但傳統的現場總線系統正日趨成為控制系統性能發展的“瓶頸”。急需技術革新的另一個因素則是由于傳統的解決方案并不十分理想。傳統的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統所組成（周期系統）：即實際控制任務、現場總線系統、I/O系統中的本地擴展總線或外圍設備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統響應時間是控制器周期時間的3-5倍。在現場總線系統之上的層面（即網絡控制器）中，以太網往往在某種程度上代表著技術發展的水平。該方面目前較新的技術是驅動或I/O級的應用，即過去普遍采用現場總線系統的這些領域。這些應用類型要求系統具備良好的實時能力、適應小數據量通訊，并且價格經濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現因特網技術（參見圖1）。

圖1: 傳統現場總線系統響應時間
在現場總線系統之上的層面（即網絡控制器）中，以太網往往在某種程度上代表著技術發展的水平。該方面目前較新的技術是驅動或I/O級的應用，即過去普遍采用現場總線系統的這些領域。這些應用類型要求系統具備良好的實時能力、適應小數據量通訊，并且價格經濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現因特網技術。

1.1 以太網和實時能力

目前，有許多方案力求實現以太網的實時能力。例如，CSMA/CD介質存取過程方案，即禁止高層協議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數據包傳送給所連接的以太網節點，但是，輸出或驅動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數據所需要的時間都要受制于具體的實現方式。如果將單個以太網幀用于每個設備，那么，理論上講，其可用數據率非常低。例如，最短的以太網幀為84字節（包括內部的包間隔IPG）。如果一個驅動器周期性地發送4字節的實際值和狀態信息，并相應地同時接收4字節的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負荷為100%（即：無限小的驅動響應時間)時，其可用數據率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發送以太網幀到每個設備(或期望幀來自每個設備)的實時以太網方式而言，都存在這些限制，但以太網幀內部所使用的協議則是例外。

2. EtherCAT 運行原理

EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制：通過該項技術，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。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經過時插入至報文中（參見圖2）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。

圖2: 過程數據插入至報文中
由于發送和接收的以太網幀壓縮了大量的設備數據，所以有效數據率可達90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數據率可大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）（參見圖3）。

圖3: 帶寬利用率的比較
符合IEEE 802.3標準的以太網協議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉換為LVDS（一種可供選擇的以太網物理層標準[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設備的需求。這樣，就可以非常經濟地對模塊化設備進行擴展了。之后，便可以如普通以太網一樣，隨時進行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉換。

3. EtherCAT 技術特征

3.1 協議

EtherCAT是用于過程數據的優化協議，憑借特殊的以太網類型，它可以在以太網幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個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。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現。當需要實現最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網操作時，則直接以太網幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協議封裝為UDP/IP數據報文（參見圖4），這就意味著，任何以太網協議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網中。顯然，在這種變體結構中，系統性能取決于控制的實時特性和以太網協議的實現方式。因為UDP數據報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網絡自身的響應時間基本不受影響。

圖4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的標準幀
另外，根據主/從數據交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網絡變量可用于過程數據以及參數、診斷、編程和各種遠程控制服務，滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數據通訊接口也相同。

從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設備和下游設備可以在同一周期內實現通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結構相關，因此適用于由設備架構設計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機制—數據通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費的時間。

按照文獻[3]所述，EtherCAT僅使用標準的以太網幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網幀可以通過任何以太網MAC發送，并可以使用標準工具（如：監視器）。

3.2 拓撲

EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等（參見圖5）。通過現場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網，并且不受限于級聯交換機或集線器的數量。