ethercat通訊協(xié)議

基本信息

中文名以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)外文名EtherCAT 本質(zhì)現(xiàn)場總線系統(tǒng)性質(zhì)實時性 靈活性目錄1簡介2原理3實現(xiàn)4協(xié)議5性能6拓撲結(jié)構(gòu)7分布時鐘8熱連接9高可用性10安全性11診斷12開放性13EtherCAT開發(fā)

折疊編輯本段簡介Ethercat主張"以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)" 。 它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議(最惠國待遇系統(tǒng)局域網(wǎng))

，在一個工業(yè)環(huán)境，特別是對工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機器人和其他裝備線上的技術(shù)。EtherCAT是IEC規(guī)范(IEC/PAS 62407)。折疊編輯本段原理目前有多種用于提供實時功能的以太網(wǎng)方案:例如，通過較高級的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來取代它。其它方案使用專用交換機，并采用精確的時間控制方式分配以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準確地將數(shù)據(jù)包傳送到所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設(shè)備，因為即使對于非常小的數(shù)據(jù)量，也必須要發(fā)送一個完整的以太網(wǎng)幀。而且，重新定向到輸出或驅(qū)動控制器，以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需的時間主要取決于執(zhí)行方式。通常也需要使用一條子總線，特別是在模塊化I/O系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)與Beckhoff K-總線一樣，通過同步子總線系統(tǒng)加快傳輸速度，但是這樣的同步將無法避免引起通訊總線傳輸?shù)难舆t。通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制:不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當幀通過每一個設(shè)備(包括底層端子設(shè)備)時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 (僅被延遲幾位)過去的時候，從站會識別出相關(guān)命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由第一個從站返回到主站。從以太網(wǎng)的角度看，EtherCAT總線網(wǎng)段只是一個可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設(shè)備。但是，該"設(shè)備"不包含帶下游微處理器的單個以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個純粹的EtherCAT系統(tǒng)。折疊編輯本段實現(xiàn)系統(tǒng)的每個設(shè)備都保證使用完整的以太網(wǎng)協(xié)議，甚至每個I/O端子亦如此，無需使用子總線。只需將耦合器的傳輸介質(zhì)由雙絞線(100baseTX)轉(zhuǎn)換為E總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內(nèi)的E總線信號類型(LVDS)并不是專用的，它還可用于10千兆位以太網(wǎng)。在端子排末端，物理總線特性被轉(zhuǎn)換回 100baseTX 標準。標準以太網(wǎng)MAC或便宜的標準網(wǎng)卡(NIC)足以作為控制器中的硬件使用。DMA(直接存儲器存取)用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。這意味著網(wǎng)絡(luò)訪問對CPU性能沒有影響。在Beckhoff多端口卡中運用了相同的原理，它在一個PCI插槽中捆綁最多4個以太網(wǎng)通道。協(xié)議處理完全在硬件中進行, 協(xié)議ASIC可靈活組態(tài)。過程接口2-64 kB折疊編輯本段協(xié)議EtherCAT協(xié)議針對過程數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網(wǎng)幀，或被壓縮到UDP/IP數(shù)據(jù)報文中。UDP協(xié)議在其它子網(wǎng)中的 EtherCAT網(wǎng)段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網(wǎng)幀可能包含若干個EtherCAT報文，每個報文專門用于特定存儲區(qū)域，該存儲區(qū)域可編制大小達4GB的邏輯過程鏡像。由于數(shù)據(jù)鏈獨立于EtherCAT端子物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。該協(xié)議還可處理通常為非循環(huán)的參數(shù)通訊。參數(shù)的結(jié)構(gòu)和含義通過 CANopen設(shè)備行規(guī)進行設(shè)定，這些設(shè)備行規(guī)用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標準的從屬行規(guī)。該行規(guī)以SERCOS? 命名，被全球運動控制應(yīng)用領(lǐng)域普遍認可。除了符合主站/從站原理的數(shù)據(jù)交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間(主站/主站)的通訊?？勺杂删幹返倪^程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量以及各種參數(shù)化、診斷、編程和遠程控制服務(wù)，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數(shù)據(jù)接口是相同的。FMMU: 報文處理完全在硬件中進行折疊編輯本段性能EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現(xiàn)的性能。這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環(huán)，可以在兩個控制循環(huán)之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數(shù)據(jù)，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎(chǔ)上，控制器的響應(yīng)行為得到顯著改善。EtherCAT技術(shù)的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬-擴展至G兆位的以太網(wǎng)也是可能的。EtherCAT 替代 PCI:隨著PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要取決于所需要的插槽數(shù)目。高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件(EtherCAT從站控制器)數(shù)據(jù)帶寬的利用，開辟了新的應(yīng)用可能性:通常位于IPC中的接口被轉(zhuǎn)移到EtherCAT系統(tǒng)中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)雜系統(tǒng)可以通過PC上的一個以太網(wǎng)端口進行尋址。甚至對無協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設(shè)備也可通過分布式交換機端子進行連接。工業(yè)PC主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網(wǎng)接口足以應(yīng)對所有的通訊任務(wù)。用以太網(wǎng)代替PCI現(xiàn)場總線設(shè)備(PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等)通過分布式現(xiàn)場總線主站端子進行集成。不使用現(xiàn)場總線主站節(jié)省了PC中的PCI插槽。折疊編輯本段拓撲結(jié)構(gòu)總線形、樹形或星型:EtherCAT支持幾乎所有拓撲結(jié)構(gòu)。因此，源于現(xiàn)場總線的總線形結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)。將總線和分支結(jié)構(gòu)相結(jié)合特別有助于系統(tǒng)布線。所有接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當然，也可以使用傳統(tǒng)的基于交換機的星形以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的標準以太網(wǎng)插接電纜可通過以太網(wǎng)模式(100baseTX)或通過E總線來傳輸信號。光纖(PFO)可以用于特殊的應(yīng)用場合。以太網(wǎng)帶寬(如不同的光纜及銅纜)可以結(jié)合交換機或媒介轉(zhuǎn)換器使用?？焖僖蕴W(wǎng)的物理特性可以使設(shè)備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距?？焖僖蕴W(wǎng)或 E-bus可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統(tǒng)最多可容納65535個設(shè)備，因此整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模幾乎是無限制的?？勺杂蛇x擇拓撲結(jié)構(gòu)。布線上有最大的靈活性:是否使用交換機，是采用總線形拓撲結(jié)構(gòu)，還是樹形拓樸結(jié)構(gòu)，可任意選配組合。自動進行地址分配;無需設(shè)置IP地址。折疊編輯本段分布時鐘精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執(zhí)行同時聯(lián)動任務(wù)時。分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案。相反地，如果采用完全同步，當通訊出現(xiàn)錯誤時，同步數(shù)據(jù)的品質(zhì)將受到很大影響，在通訊系統(tǒng)中，分布式校準時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。在EtherCAT中，數(shù)據(jù)交換完全基于純粹的硬件設(shè)備。由于通訊利用了邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和全雙工快速以太網(wǎng)而又有實際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，"主站時鐘"可以簡單而精確地確定對每個"從站時鐘"的運行補償，反之亦然。分布時鐘基于該值進行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)提供信號抖動小于1微秒的、非常精確的時鐘基。然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數(shù)據(jù)采集時本地時間的精確信息。由于引進新的擴展數(shù)據(jù)類型，被測量值可被分配以非常精確的時間戳。折疊編輯本段熱連接許多應(yīng)用都需要在運行過程中改變I/O組態(tài)。例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統(tǒng)，智能化的傳輸設(shè)備，靈活的工件執(zhí)行器，及可單獨關(guān)閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求:"熱連接"功能可以將網(wǎng)絡(luò)的各個部分連在一起或斷開，或"動態(tài)"進行重新組態(tài)，從而針對變化的組態(tài)提供了靈活的響應(yīng)能力。折疊編輯本段高可用性可選的電纜冗余性可滿足日益增長的對提高系統(tǒng)可用性的需求，這樣無需關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)就可以更換設(shè)備。EtherCAT還支持帶熱待機功能的冗余主站。由于EtherCAT從站控制器在遇到中斷時立即將幀自動返回，設(shè)備故障不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉。例如，可將電纜保護拖鏈特別配置為短棒的形式以防備斷線。折疊編輯本段安全性安全功能一般是從自動化網(wǎng)絡(luò)、通過硬件或使用專用安全總線系統(tǒng)單獨實現(xiàn)的。由于有了TwinSAFE(Beckhoff的安全技術(shù))，現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡(luò)上進行安全相關(guān)通訊和控制通訊。該安全協(xié)議基于EtherCAT的應(yīng)用層，不影響較低層。此安全協(xié)議已根據(jù)IEC61508進行了認證，可達到安全集成級別(SIL)3，在采取相關(guān)措施后甚至可達到SIL4。數(shù)據(jù)長度可以變化，使得該協(xié)議對安全I/O數(shù)據(jù)和安全驅(qū)動技術(shù)同樣適用。與其它EtherCAT數(shù)據(jù)一樣，安全數(shù)據(jù)無需使用安全路由器或網(wǎng)關(guān)就可得到路由。折疊編輯本段診斷網(wǎng)絡(luò)的診斷能力對于增強網(wǎng)絡(luò)可用性和縮短調(diào)試時間(從而降低總成本)來說非常重要。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。因此，在EtherCAT的研發(fā)過程中，特別注重典型的診斷特征。在試運行期間，將使用指定的配置檢測I/O端子實際配置的連續(xù)性。拓撲結(jié)構(gòu)也要與配置相匹配。因為有內(nèi)置的拓撲結(jié)構(gòu)識別，I/O可以在系統(tǒng)啟動時，或通過自動上裝配置時進行確認。數(shù)據(jù)傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到。除斷點檢測和定位外，通過EtherCAT系統(tǒng)協(xié)議，傳輸物理層和拓撲結(jié)構(gòu)使得高品質(zhì)監(jiān)控每個獨立的傳輸段成為現(xiàn)實。通過自動分析相關(guān)錯誤計數(shù)器，可以精確定位關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)部分?？蓹z測并定位EMC干擾、有缺陷的連接器或損壞的電纜等不斷變化的錯誤來源，即使它們尚未對網(wǎng)絡(luò)的自愈能力產(chǎn)生過度影響。折疊編輯本段開放性EtherCAT技術(shù)不僅與以太網(wǎng)完全兼容，而且還有特別的設(shè)計開放性特點:該協(xié)議可與其他提供各種服務(wù)的以太網(wǎng)協(xié)議并存，并且所有的協(xié)議都并存于同一物理介質(zhì)中-通常只會對整個網(wǎng)絡(luò)性能有很小程度的影響。標準的以太網(wǎng)設(shè)備可通過交換機端子連接至一個EtherCAT系統(tǒng)，該端子并不會影響循環(huán)時間。配備傳統(tǒng)現(xiàn)場總線接口的設(shè)備可通過EtherCAT現(xiàn)場總線主站端子的連接集成到網(wǎng)絡(luò)中。UDP協(xié)議變體允許設(shè)備整合于任何插槽接口中。EtherCAT是一個完全開放式協(xié)議，它已被認定為一個正式IEC規(guī)范(IEC/PAS62407)。EtherCAT 技術(shù)組織:EtherCAT技術(shù)組織(ETG)是一個自動化用戶和廠商的協(xié)會，旨在為EtherCAT技術(shù)的開發(fā)提供支持。該協(xié)會代表著廣泛的行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域。這樣就確保了EtherCAT技術(shù)功能和接口以最佳方式用于多種應(yīng)用。該組織可以確保將EtherCAT輕松而有經(jīng)濟有效地集成到大量自動化設(shè)備中，并保證設(shè)備的互操作性。EtherCAT技術(shù)組織(ETG)是正式IEC合作組織中現(xiàn)場總線標準化的成員。成員資格面對所有公司開放。折疊編輯本段EtherCAT開發(fā)EtherCAT設(shè)備分主站和從站。很多工程師更關(guān)心研發(fā)的問題，主站比如是運動控制器-可以用于切割、機器人等行業(yè)，從站是IO模塊，伺服驅(qū)動器，網(wǎng)關(guān)，板卡等等。下面由于篇幅關(guān)系也只能適當補充。具體的資料可以參考"EtherCAT伺服驅(qū)動器開發(fā)方案"+"EtherCAT主站代碼和方案"兩個文檔。從站一般是uC+ESC(EtherCAT從站控制器)的方式，uC可以是硬核uC或者是FPGA構(gòu)建的軟核uC，ESC可以是倍?；蛘吆諆?yōu)訊的一些集成芯片，也可以是IPcore，IPcore可以跑在FPGA中?？梢詤⒖?EtherCAT伺服驅(qū)動器開發(fā)方案"，里面詳細介紹了關(guān)于EtherCAT的FPGA舉例的開發(fā)方案的例子。[1]從站框架圖有利于了解對整個開發(fā)流程有個全貌。EtherCAT從站框架圖主站一般是:RTOS+ARM/X86/ZYNQ，RTOS有很多選擇，比如Vxworks，QNX，uCOS，Linux+開源Xenomai，Linux+開源rt-preempt，Windows+INtime/RTX，winCE等等。開發(fā)出一個性能參數(shù)很優(yōu)秀的主站，比如CPU負載，抖動，最小周期等，有幾個先決條件:選好合適的RTOS+硬件平臺，選擇優(yōu)秀的NICdriver，選好優(yōu)秀的EtherCAT主站供應(yīng)商。具體可以再參考"EtherCAT主站代碼和方案"文檔[2]EtherCAT主站框架圖主站框架圖有利于了解對整個開發(fā)流程有個全貌。有關(guān)詳細信息，請參考擴展閱讀