工业以太网EtherCAT技术的原理及其实现

一、引言

过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通讯系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统的现场总线技术在许多应用场合已经难以满足用户不断增长的需求。以太网已经在局域网和Internet上取得了巨大的成功，在整个企业的信息系统中，以太网已经非常成功的应用于市场经营管理层、生产管理层和过程监控层。如果能够在底层设备网络上引入以太网不仅可以使现场设备层、过程控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。

目前，工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点，多家自动化公司推出了自己的工业以太网解决方案。目前主要的工业以太网标准有以下几种： Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、 Powerlink、EtherCAT以及我国研制的EPA等。与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所支持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德国自动控制公司Beckhoff开发的一种工业以太网技术，该技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的产品研发人员的关注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）组织成立，负责EtherCAT技术的推广和宣传。目前，该组织目前已经拥有700多个成员，很多成员组织已经开发出基于EtherCAT的产品。

二、EtherCAT技术原理

EtherCAT是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。

作为一种实时以太网协议，EtherCAT从站的OSI模型可以用图1简单描述。在图1中，ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层OSI模型被压缩成了具有物理层、数据链路层和应用层的3层模型。物理层为网络信号的传输提供了物理链路。数据链路层的主要任务是在特定的“时间窗”内从以太网帧中提取数据并把要输出的数据插入到以太网帧内，同时对数据进行检查校验。如果动作在特定的时间窗内不能完成，就会认为动作失败。应用层的作用是处理数据链路层的请求，并作出适当的反应。



图1 EtherCAT的OSI模型

EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。EtherCAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回EtherCAT主站。



EtherCAT协议结构如图2所示。图2表明，由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，EtherCAT充分利用了IO层的带宽，采用EtherCAT协议进行数据传输，可用的数据传输速率可达90%以上，100 Mbit/s的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理1000个数字量I/O只需30微秒，处理200个l6位模拟量信号只需50微秒，即取样频率达到20kHz。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合，可以做到真正把以太网应用于传感器/执行器级。EtherCAT协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。[page]

在故障诊断方面，EtherCAT通过CRC校验，可以有效地检测出数据传送期间的位故障，EtherCAT通过匹配性检查可以进行断线检测和故障定位。另外，EtherCAT系统的协议还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。

三、EtherCAT的实现

EtherCAT技术的实现包括主站实现和从站实现。EtherCat主站不需要专用的通讯处理器，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可，完全采用软件方式在主机CPU中实现协议的识别和封装。EtherCat可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。为了方便主站的开发，EtherCat组织现在提供主站样本代码，可以方便的把该代码嵌入到实时操作系统中，加快项目开发进程。本文采用的EtherCAT主站的人机界面如图3所示。



图3   测试用EtherCAT主站人机界面

EtherCat从站是通过专用硬件实现的，目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器，也可以一次性购买获取授权的二进制代码，通过价格低廉的FPGA实现从站控制器的功能。实现从站的专用硬件都具有两个MAC地址，可以很容易的扩展两个网口，目的是便于实现级联，构成各种拓扑结构。

本文采用TI公司的16位处理器TMS320LF2407作为微处理器，采用Beckhoff公司的ET1100作为工业以太网Ethercat协议通讯控制器。TMS320LF2407实现了EtherCat协议的应用层，可以通过16位并口对ET1100内部的DPRAM进行数据存取。ET1100带有两个MII接口，它们在硬件上实现了EtherCat协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的的物理层。网络变压器的作用是实现隔离和阻抗匹配。主站PC与从站的数据通讯速率达到100Mbit/s，具体的实现从站的原理框图如图4所示。



图4 从站原理框图

四、结论与展望

EtherCAT作为工业自动化以太网解决方案，以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的青睐，国际上已经有多个厂家研发出自己的主站产品和从站芯片，国内也有多个厂家开始着力于该技术的产品开发。新华集团研发中心已经在国内率先实现了EtherCAT技术的产品化，成功研发了国内第一套基于EtherCAT的DCS TisNet－E1000，在国内引领了基于EtherCAT技术的自动化产品开发。