【摘要】 本文深入闡述了基于以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的EtherCAT技術(shù)。EtherCAT為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)領(lǐng)域樹(shù)立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)一樣操作直觀簡(jiǎn)便。另外，由于EtherCAT實(shí)現(xiàn)成本低廉，因此使系統(tǒng)得以在過(guò)去無(wú)法應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合中選用現(xiàn)場(chǎng)總線。 引言 現(xiàn)場(chǎng)總線已成為自動(dòng)化技術(shù)的集成組件，通過(guò)大量的實(shí)踐試驗(yàn)和測(cè)試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。 雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個(gè)因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個(gè)輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實(shí)際控制任務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、 I/O 系統(tǒng)中的本地?cái)U(kuò)展總線或外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是控制器周期時(shí)間的3-5倍。（圖1見(jiàn)書(shū)） 在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動(dòng)或I/O級(jí)的應(yīng)用，即過(guò)去普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類(lèi)型要求系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價(jià)格經(jīng)濟(jì)。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級(jí)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)。 以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)能力 目前，有許多方案力求實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過(guò)程方案，即禁止高層協(xié)議訪問(wèn)過(guò)程，而由時(shí)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(guò)專(zhuān)用交換機(jī)精確控制時(shí)間的方式來(lái)分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，但是，輸出或驅(qū)動(dòng)控制器重定向所需要的時(shí)間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間都要受制于具體的實(shí)現(xiàn)方式。 如果將單個(gè)以太網(wǎng)禎用于每個(gè)設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)禎為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實(shí)際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時(shí)接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負(fù)荷為100%（即：無(wú)限小的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間）時(shí)，其可用數(shù)據(jù)率也只能達(dá)到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均響應(yīng)時(shí)間估計(jì)，則速率將下降到1.9%。對(duì)所有發(fā)送以太網(wǎng)禎到每個(gè)設(shè)備（或期望禎來(lái)自每個(gè)設(shè)備）的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)禎內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。 EtherCAT工作原理 EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，無(wú)需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過(guò)程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過(guò)其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報(bào)文經(jīng)過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中（圖2見(jiàn)書(shū)）。整個(gè)過(guò)程中，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲。 由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)禎壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以可用數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可以達(dá)到> 100 Mb/s （> 2 x 100 Mb/s的90%） （圖3見(jiàn)書(shū)）。 符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議無(wú)需附加任何總線即可訪問(wèn)各個(gè)設(shè)備。耦合設(shè)備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設(shè)備的需求。這樣，就可以非常經(jīng)濟(jì)地對(duì)模塊化設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展了。之后，便可以如普通以太網(wǎng)一樣，隨時(shí)進(jìn)行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉(zhuǎn)換。 協(xié)議 EtherCAT是用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類(lèi)型，可以在以太網(wǎng)禎內(nèi)直接傳送。EtherCAT協(xié)議可包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)。如果需要實(shí)現(xiàn)最大化性能，并且需要將EtherCAT組件作為同一子網(wǎng)控制器進(jìn)行操作，則可直接傳送以太網(wǎng)禎。 然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為 UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)文（圖4見(jiàn)書(shū)），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過(guò)路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報(bào)文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時(shí)間基本不受影響。 另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)變量可用于過(guò)程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠(yuǎn)程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。同理，主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口相同。 從站到從站的通訊則有兩種機(jī)制以供選擇。一種機(jī)制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)通訊，速度非常快。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)用等。而對(duì)于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機(jī)制——數(shù)據(jù)通過(guò)主站進(jìn)行中繼。這種機(jī)制需要兩個(gè)周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過(guò)程耗時(shí)仍然小于采用其他方法所耗費(fèi)的時(shí)間。 按照文獻(xiàn)[3]所述，EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)禎，無(wú)任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網(wǎng)禎可以通過(guò)任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具（如：monitor）。 拓?fù)?/b> EtherCAT幾乎支持任何拓?fù)漕?lèi)型，包括線型、樹(shù)型、星型等（圖5見(jiàn)書(shū)）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線而得名的總線或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級(jí)聯(lián)交換機(jī)或集線器的數(shù)量。 最有效的系統(tǒng)連線方法是對(duì)線型、分支或樹(shù)叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浣M合。因?yàn)樗杞涌谠贗/O 模塊等很多設(shè)備中都已存在，所以無(wú)需附加交換機(jī)。當(dāng)然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)補(bǔ)償電纜可采用 100 Mb/s TX模式傳送信號(hào)；塑封光纖（POF）可補(bǔ)充用于特殊應(yīng)用場(chǎng)合；還可以通過(guò)交換機(jī)或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。 快速以太網(wǎng)的物理層（100 M b/s-TX）允許兩個(gè)設(shè)備之間的最大電纜長(zhǎng)度達(dá)到100米。由于連接的設(shè)備數(shù)量可達(dá)65535，因此，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒(méi)有限制。 分布時(shí)鐘 精確同步對(duì)于同時(shí)動(dòng)作的分布式過(guò)程而言尤為重要。例如，幾個(gè)伺服軸同時(shí)執(zhí)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時(shí)鐘（請(qǐng)參閱IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)[6]）。與完全同步通訊中容易出現(xiàn)通訊故障，立即影響同步品質(zhì)的情況相比，分布排列的時(shí)鐘對(duì)于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關(guān)故障延遲具有極好的容錯(cuò)性。 采用EtherCAT，數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機(jī)制。由于通訊采用了邏輯環(huán)結(jié)構(gòu) （借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層），主站時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單、精確地確定各個(gè)從站時(shí)鐘傳播的延遲偏移，反之亦然。分布時(shí)鐘均基于該值進(jìn)行調(diào)整，這意味著可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時(shí)間基（圖6見(jiàn)書(shū)）。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)。 此外，高分辨率的分布時(shí)鐘不僅可以用于同步，還可以提供數(shù)據(jù)采集的本地時(shí)間精確信息。當(dāng)采樣時(shí)間非常短暫時(shí)，即使是出現(xiàn)一個(gè)很小的位置測(cè)量瞬時(shí)同步偏差，也會(huì)導(dǎo)致速度計(jì)算出現(xiàn)較大的階躍變化，例如，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)順序檢測(cè)的位置計(jì)算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時(shí)間戳數(shù)據(jù)類(lèi)型作為一個(gè)邏輯擴(kuò)展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時(shí)間得以與測(cè)量值進(jìn)行鏈接。這樣，速度的精確計(jì)算就不再受到通訊系統(tǒng)的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測(cè)量技術(shù)。 性能 EtherCAT使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個(gè)新境界。借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡(luò)控制器主站的直接內(nèi)存存取，整個(gè)協(xié)議的處理過(guò)程都在硬件中得以實(shí)現(xiàn)，因此，完全獨(dú)立于協(xié)議堆棧的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)、CPU 性能或軟件實(shí)現(xiàn)方式。1000個(gè)I/O的更新時(shí)間只需30 µs，其中還包括I/O周期時(shí)間（參見(jiàn)表1）。單個(gè)以太網(wǎng)禎最多可進(jìn)行1486字節(jié)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時(shí)僅為300 µs。 100個(gè)伺服軸的通訊也非?？焖伲嚎稍诿?00µs中更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實(shí)際位置及狀態(tài)，分布時(shí)鐘技術(shù)使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在這種節(jié)奏下，帶寬仍足以實(shí)現(xiàn)異步通訊，如TCP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。 超高性能的EtherCAT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)無(wú)法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強(qiáng)計(jì)算能力相適應(yīng)，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運(yùn)行速度更快。EtherCAT技術(shù)原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴(kuò)展為1000 M bps的以太網(wǎng)。 診斷 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，有效性和試運(yùn)行時(shí)間關(guān)鍵取決于診斷能力。只有快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障，并明確標(biāo)明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發(fā)過(guò)程中，特別注重強(qiáng)化診斷特征。 試運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)或I/O 端子等節(jié)點(diǎn)的實(shí)際配置需要與指定的配置進(jìn)行匹配性檢查，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也需要與配置相匹配。由于整合的拓?fù)渥R(shí)別過(guò)程已延伸至各個(gè)端子，因此，這種檢查不僅可以在系統(tǒng)啟動(dòng)期間進(jìn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)讀取時(shí)進(jìn)行（配置上載）。 可以通過(guò)評(píng)估CRC校驗(yàn)，有效檢測(cè)出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障——32 位CRC多項(xiàng)式的最小漢明距為4。除斷線檢測(cè)和定位之外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議、物理層和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以對(duì)各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)視，與錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動(dòng)評(píng)估還可以對(duì)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進(jìn)行精確定位。此外，對(duì)于EMI影響、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或變化的錯(cuò)誤源而言，即便它們尚未過(guò)度應(yīng)變到網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)能力的范圍，也可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)與定位。 高可靠性 選擇冗余電纜可以滿足快速增長(zhǎng)的系統(tǒng)可靠性需求，以保證設(shè)備更換時(shí)不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。增加冗余特性耗費(fèi)不高，僅需在主站設(shè)備端增加使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口（無(wú)需專(zhuān)用網(wǎng)卡或接口），并將單一的電纜從總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)備或電纜發(fā)生故障時(shí)，也僅需一個(gè)周期即可完成切換。因此，即使是針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制要求的應(yīng)用，電纜出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)有任何問(wèn)題。 EtherCAT還支持主站在線待機(jī)冗余功能。一旦出現(xiàn)中斷、設(shè)備故障等問(wèn)題，EtherCAT從站控制器可以立即自動(dòng)返回以太網(wǎng)禎，所以不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰。例如：應(yīng)用冗余鏈就可以指定分支配置，防止電纜斷線。 安全 不管是使用硬件還是使用專(zhuān)用的安全總線系統(tǒng)，傳統(tǒng)觀念總是認(rèn)為，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與安全功能相分離。但EtherCAT所實(shí)現(xiàn)的安全功能可以在同一網(wǎng)絡(luò)中將安全相關(guān)的通訊和控制通訊融合為一體。安全協(xié)議基于EtherCAT應(yīng)用層，不受低層協(xié)議的影響，并遵循IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，滿足安全集成級(jí)（SIL）4的要求。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以變化的，因此該協(xié)議既完全適合于安全 I/O 數(shù)據(jù)，也適合于安全驅(qū)動(dòng)技術(shù)。和其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)安全功能的路由器或網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)路由。目前，首批獲得完全認(rèn)證的EtherCAT安全產(chǎn)品已經(jīng)上市。 EtherCAT取代PCI 隨著PC組件急劇向小型化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積日趨取決于插槽的數(shù)目。而快速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過(guò)程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度則為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性——IPC 中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻腅therCAT接口端子（圖7見(jiàn)書(shū)）。 除了可以對(duì)分布式I/O進(jìn)行編址，還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)和控制單元以及現(xiàn)場(chǎng)總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行編址。 即使是其他無(wú)協(xié)議限制的以太網(wǎng)設(shè)備變體，也可以通過(guò)分布式交換機(jī)端口設(shè)備進(jìn)行連接。由于一個(gè)以太網(wǎng)接口足以滿足整個(gè)外圍設(shè)備的通訊 （圖8見(jiàn)書(shū)），因此，這不僅極大地精簡(jiǎn)了IPC主機(jī)的體積和外觀，而且也降低了IPC主機(jī)的成本。 設(shè)備框架 設(shè)備框架描述了設(shè)備的應(yīng)用參數(shù)和功能特性，如設(shè)備類(lèi)別相關(guān)的機(jī)器狀態(tài)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)為I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)、閥等許多設(shè)備類(lèi)別提供了可利用的設(shè)備框架。用戶非常熟悉這些框架以及相關(guān)的參數(shù)和工具，因此，EtherCAT無(wú)需為這些設(shè)備類(lèi)別重新開(kāi)發(fā)設(shè)備框架，而是為現(xiàn)有的設(shè)備框架提供了簡(jiǎn)單的接口。該特性使得用戶和設(shè)備制造商可以輕松完成從現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線到EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 EtherCAT實(shí)現(xiàn)CANopen（CoE） CANopen設(shè)備和應(yīng)用框架廣泛用于多種設(shè)備類(lèi)別和應(yīng)用，如I/O組件、驅(qū)動(dòng)、編碼器、比例閥、液壓控制器，以及用于塑料或紡織行業(yè)的應(yīng)用框架等。EtherCAT可以提供與CANopen機(jī)制[7]相同的通訊機(jī)制，包括對(duì)象字典、PDO（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象），甚至于網(wǎng)絡(luò)管理。因此，在已經(jīng)安裝了CANopen的設(shè)備中，僅需稍加變動(dòng)即可輕松實(shí)現(xiàn)EtherCAT，絕大部分的CANopen固件都得以重復(fù)利用。并且，可以選擇性地?cái)U(kuò)展對(duì)象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。 EtherCAT實(shí)現(xiàn)遵循IEC 61491的伺服驅(qū)動(dòng)框架（SoE） SERCOS interface™是全球公認(rèn)的、用于高性能實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的通訊接口，尤其適用于運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用場(chǎng)合。用于伺服驅(qū)動(dòng)和通訊技術(shù)的SERCOS框架屬于IEC 61491標(biāo)準(zhǔn)[8] 的范疇。該伺服驅(qū)動(dòng)框架可以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅(qū)動(dòng)中的服務(wù)通道、全部參數(shù)存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（圖9見(jiàn)書(shū)）。在此，關(guān)注焦點(diǎn)還是EtherCAT與現(xiàn)有協(xié)議的兼容性（IDN的存取值、屬性、名稱、單位等），以及與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度限制相關(guān)的擴(kuò)展性。過(guò)程數(shù)據(jù)，即形式為AT和MDT的SERCOS數(shù)據(jù)，都使用EtherCAT從站控制器機(jī)制進(jìn)行傳送，其映射與SERCOS映射相似。并且，EtherCAT從站的設(shè)備狀態(tài)也可以非常容易地映射為SERCOS協(xié)議狀態(tài)。 這些伺服驅(qū)動(dòng)框架應(yīng)用了EtherCAT先進(jìn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，并廣泛采納于CNC的應(yīng)用之中。設(shè)備框架的優(yōu)勢(shì)與EtherCAT的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合：分布時(shí)鐘保證了網(wǎng)絡(luò)范圍的精確同步，并且，可以選擇性地傳送位置、速度或轉(zhuǎn)矩命令。根據(jù)具體的實(shí)施方法，驅(qū)動(dòng)還有可能繼續(xù)使用現(xiàn)有的配置工具。 EtherCAT 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE） EtherCAT技術(shù)不僅完全兼容以太網(wǎng)，而且在“設(shè)計(jì)”之初就具備良好的開(kāi)放性特征——該協(xié)議可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議，通常可將其性能損失降到最小。對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)備類(lèi)型沒(méi)有限制，設(shè)備可通過(guò)交換機(jī)端口在EtherCAT段內(nèi)進(jìn)行連接。以太網(wǎng)禎通過(guò)EtherCAT協(xié)議開(kāi)通隧道，這也正是VPN、 PPPoE （DSL） 等因特網(wǎng)應(yīng)用所普遍采取的方法。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)對(duì)以太網(wǎng)設(shè)備而言是完全透明的，其實(shí)時(shí)特性也不會(huì)發(fā)生畸變（圖10見(jiàn)書(shū)）。 EtherCAT設(shè)備可以包容其它的以太網(wǎng)協(xié)議，因此具備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的一切特性。主站的作用與第2層交換機(jī)所起的作用一樣，可按照編址信息將以太網(wǎng)禎重新定向到相應(yīng)的設(shè)備。因此，集成萬(wàn)維網(wǎng)服務(wù)器、電子郵件和FTP 傳送等所有的因特網(wǎng)技術(shù)都可以在EtherCAT的環(huán)境中得以應(yīng)用。 EtherCAT實(shí)現(xiàn)文件存?。‵oE） 這種簡(jiǎn)單的協(xié)議與TFTP類(lèi)似，允許存取設(shè)備中的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，無(wú)論設(shè)備是否支持TCP/IP，都有可能將標(biāo)準(zhǔn)化固件上載到設(shè)備上。 基礎(chǔ)設(shè)施投資 由于EtherCAT無(wú)需集線器和交換機(jī)，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費(fèi)用等設(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，使用增強(qiáng)密封保護(hù)等級(jí)的連接器。 EtherCAT的實(shí)現(xiàn)層面 EtherCAT技術(shù)是面向價(jià)格低廉的設(shè)備而開(kāi)發(fā)的，如I/O 端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)禎。這些禎由主站設(shè)備發(fā)送，從站設(shè)備只是在以太網(wǎng)禎經(jīng)過(guò)其所在位置時(shí)才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)。同樣，EtherCAT在從站控制器中使用專(zhuān)用芯片，這也是其在從站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)——無(wú)論本地處理能力是否強(qiáng)大或軟件品質(zhì)好壞與否，專(zhuān)用芯片均可在硬件中處理過(guò)程數(shù)據(jù)協(xié)議，并提供最佳實(shí)時(shí)性能。 主站 EtherCAT可以在單個(gè)以太網(wǎng)禎中最多實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過(guò)程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)處理、發(fā)送和接收禎。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于，在通常情況下，每周期僅需要一個(gè)或兩個(gè)禎即可完成所有節(jié)點(diǎn)的全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專(zhuān)用的通訊處理器。主站功能幾乎不會(huì)給主機(jī)CPU帶來(lái)任何負(fù)擔(dān)，輕松處理這些任務(wù)的同時(shí)，還可以處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT 無(wú)需使用昂貴的專(zhuān)用有源插接卡，只需使用無(wú)源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站很容易實(shí)現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)合。 例如，如果某個(gè)單個(gè)過(guò)程映像的PLC沒(méi)有超過(guò)1486 字節(jié)，那么在其周期時(shí)間內(nèi)循環(huán)發(fā)送這個(gè)以太網(wǎng)禎就足夠了。因?yàn)閳?bào)文頭運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生變化，所以只需將常數(shù)報(bào)文頭插入到過(guò)程映像中，并將結(jié)果傳送到以太網(wǎng)控制器即可。 EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生，而是在從站產(chǎn)生（外圍設(shè)備將數(shù)據(jù)插入所經(jīng)以太網(wǎng)禎的相應(yīng)位置），因此，此時(shí)過(guò)程映像已經(jīng)完成排序。該特性進(jìn)一步減輕了主機(jī) CPU 的負(fù)擔(dān)?？梢钥吹?，EtherCAT主站完全在主機(jī)CPU中采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，相比之下，傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通過(guò)有源插接卡方可實(shí)現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務(wù)于 DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機(jī)資源。 系統(tǒng)配置工具（通過(guò)生產(chǎn)商獲?。┛商峁┌ㄏ鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn) XML 格式啟動(dòng)順序在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)。 主站實(shí)現(xiàn)服務(wù) 可通過(guò)生產(chǎn)商獲取主站代碼、實(shí)現(xiàn)服務(wù)和技術(shù)支持，可用于多種硬件平臺(tái)與操作系統(tǒng)?？傻顷慐therCAT網(wǎng)站[1]，了解該方面信息。EtherCAT網(wǎng)站還提供開(kāi)放的源代碼實(shí)現(xiàn)方式和相應(yīng)的RTOS開(kāi)放源代碼。 主站樣本代碼 另一種EtherCAT主站的實(shí)現(xiàn)方式是使用樣本代碼，花費(fèi)不高。軟件以源代碼形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至還包括EoE（EtherCAT實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)）功能。開(kāi)發(fā)人員只要把這些應(yīng)用于Windows環(huán)境的代碼與目標(biāo)硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。該軟件代碼已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)。 從站 目前，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器。通過(guò)價(jià)格低廉的FPGA，也可實(shí)現(xiàn)從站控制器的功能，可以購(gòu)買(mǎi)授權(quán)以獲取相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。 從站控制器通常都有一個(gè)內(nèi)部的DPRAM，并提供存取這些應(yīng)用內(nèi)存的接口范圍： ·串行SPI（串行外圍接口）主要用于數(shù)量較小的過(guò)程數(shù)據(jù)設(shè)備，如模擬量I/O模塊、傳感器、編碼器和簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)等。該接口通常使用8位微控制器，如微型芯片 PIC、DSP、Intel 80C51等。 ·8/16位微控制器并行接口與帶有DPRAM接口的傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器接口相對(duì)應(yīng)，尤其適用于數(shù)據(jù)量較大的復(fù)雜設(shè)備。通常情況下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列。 ·32位并行I/O接口不僅可以連接多達(dá)32位數(shù)字輸入/輸出，而且也適用于簡(jiǎn)單的傳感器或執(zhí)行器的32位數(shù)據(jù)操作。這類(lèi)設(shè)備無(wú)需主機(jī)CPU。 從站評(píng)估工具包 從站評(píng)估工具包使接口操作變得簡(jiǎn)便易行。由于采用了EtherCAT，無(wú)需功能強(qiáng)大的通訊處理器，因此，可將從站評(píng)估工具包中的8位微處理器作為主機(jī)CPU使用。該工具包還包括源代碼形式的從站主機(jī)軟件（相當(dāng)于協(xié)議堆棧）和主站軟件樣本包。 小結(jié) EtherCAT 擁有杰出的通訊性能，接線非常簡(jiǎn)單，并對(duì)其它協(xié)議開(kāi)放。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)已達(dá)到了極限，而EtherCAT則突破建立了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——30 µs內(nèi)可以更新1000個(gè)I/O數(shù)據(jù)，可選擇雙絞線或光纖，并利用以太網(wǎng)和因特網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直優(yōu)化集成。 使用 EtherCAT，可以用簡(jiǎn)單的線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代昂貴的星型以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)需昂貴的基礎(chǔ)組件。EtherCAT還可以使用傳統(tǒng)的交換機(jī)連接方式，以集成其它的以太網(wǎng)設(shè)備。其它的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案需要與控制器進(jìn)行特殊連接，而EtherCAT只需要價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡 （NIC）便可實(shí)現(xiàn)。 EtherCAT擁有多種機(jī)制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊（圖11見(jiàn)書(shū)）。它實(shí)現(xiàn)了安全功能，采用技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，使以太網(wǎng)技術(shù)可以向下延伸至I/O級(jí)。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網(wǎng)，可將因特網(wǎng)技術(shù)嵌入到簡(jiǎn)單設(shè)備中，并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，是一種實(shí)時(shí)性能優(yōu)越且成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 文獻(xiàn) [1]EtherCAT Technology Group, http://www.ethercat.org [2]IEC/PAS 62407: Real-Time Ethernet Control Automation Technology （EtherCAT） [3]IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection （CSMA/CD） Access Method and Physical Layer Specifications. [4]IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control （MAC） Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation. [5]ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling （LVDS） Interface Circuits [6]IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems [7]EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 （CAN） for controller-device interfaces. Part 4: CANopen. [8]IEC 61491: Electrical equipment of industrial machines – Serial data link for real-time communication between controls and drives