EtherCAT - 以太網(wǎng)現(xiàn)場總線
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1. 引言

現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)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(yīng)用。正是由于現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。然而，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輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實際控制任務(wù)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)中的本地擴展總線或外圍設(shè)備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3-5倍。在現(xiàn)場總線系統(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)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù) （參見圖1）。

圖1: 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)響應(yīng)時間
在現(xiàn)場總線系統(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)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)。

1.1 以太網(wǎng)和實時能力

目前，有許多方案力求實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)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(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實現(xiàn)方式。如果將單個以太網(wǎng) 幀用于每個設(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)幀為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個驅(qū)動器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時接收4字節(jié)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(qū)動響應(yīng)時間)時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應(yīng)時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng) 幀到每個設(shè)備(或期望幀來自每個設(shè)備)的實時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。

2. EtherCAT 運行原理

EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)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(shù)據(jù)插入至報文中
由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個設(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LVDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標準[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)濟地對模塊化設(shè)備進行擴展了。之后，便可以如普通以太網(wǎng)一樣，隨時進行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉(zhuǎn)換。

3. EtherCAT 技術(shù)特征

3.1 協(xié)議

EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)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現(xiàn)。當需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文（參見圖4），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時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)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(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)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)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(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)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(shù)據(jù)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(wǎng)幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網(wǎng)幀可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標準工具（如：監(jiān)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(xiàn)場總線而得名的總線結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。