EtherCAT——技術(shù)介紹及發(fā)展概貌
| 于一個以太網(wǎng)接口足以滿足整個外圍設(shè)備的通訊 (圖8見書)，因此，這不僅極大地精簡了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)備類別相關(guān)的機(jī)器狀態(tài)等。現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)為I/O設(shè)備、驅(qū)動、閥等許多設(shè)備類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無需為這些設(shè)備類別重新開發(fā)設(shè)備框架，而是為現(xiàn)有的設(shè)備框架提供了簡單的接口。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)場總線到EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)換過程。 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)備類別和應(yīng)用，如I/O組件、驅(qū)動、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，包括對象字典、PDO（過程數(shù)據(jù)對象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象），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，可以選擇性地擴(kuò)展對象，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)動框架（SoE） SERCOS interface™是全球公認(rèn)的、用于高性能實(shí)時運(yùn)行系統(tǒng)的通訊接口，尤其適用于運(yùn)動控制的應(yīng)用場合。用于伺服驅(qū)動和通訊技術(shù)的SERCOS框架屬于IEC 61491標(biāo)準(zhǔn)[8] 的范疇。該伺服驅(qū)動框架可以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅(qū)動中的服務(wù)通道、全部參數(shù)存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（圖9見書）。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)長度限制相關(guān)的擴(kuò)展性。過程數(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)動框架應(yīng)用了EtherCAT先進(jìn)的實(shí)時以太網(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)勢與EtherCAT的優(yōu)勢相結(jié)合：分布時鐘保證了網(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”之初就具備良好的開放性特征——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?？蓪⑵湫阅軗p失降到最小。對以太網(wǎng)的設(shè)備類型沒有限制，設(shè)備可通過交換機(jī)端口在EtherCAT段內(nèi)進(jìn)行連接。以太網(wǎng)禎通過EtherCAT協(xié)議開通隧道，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)對以太網(wǎng)設(shè)備而言是完全透明的，其實(shí)時特性也不會發(fā)生畸變（圖10見書）。 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)文件存取(FoE) 這種簡單的協(xié)議與TFTP類似，允許存取設(shè)備中的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，無論設(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)等級的連接器。 EtherCAT的實(shí)現(xiàn)層面 EtherCAT技術(shù)是面向價格低廉的設(shè)備而開發(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)過其所在位置時才提取和/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用芯片，這也是其在從站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)——無論本地處理能力是否強(qiáng)大或軟件品質(zhì)好壞與否，專用芯片均可在硬件中處理過程數(shù)據(jù)協(xié)議，并提供******實(shí)時性能。 主站 EtherCAT可以在單個以太網(wǎng)禎中最多實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個網(wǎng)絡(luò)周期中為各個節(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，每周期僅需要一個或兩個禎即可完成所有節(jié)點(diǎn)的全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會給主機(jī)CPU帶來任何負(fù)擔(dān)，輕松處理這些任務(wù)的同時，還可以處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT 無需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無源的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)用場合。 例如，如果某個單個過程映像的PLC沒有超過1486 字節(jié)，那么在其周期時間內(nèi)循環(huán)發(fā)送這個以太網(wǎng)禎就足夠了。因?yàn)閳笪念^運(yùn)行時不會發(fā)生變化，所以只需將常數(shù)報文頭插入到過程映像中，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，此時過程映像已經(jīng)完成排序。該特性進(jìn)一步減輕了主機(jī) CPU 的負(fù)擔(dān)?？梢钥吹剑珽therCAT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)場總線系統(tǒng)通過有源插接卡方可實(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（通過生產(chǎn)商獲取）可提供包括相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) XML 格式啟動順序在內(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)站還提供開放的源代碼實(shí)現(xiàn)方式和相應(yīng)的RTOS開放源代碼。 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)用于多個系統(tǒng)。 從站 目前，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器。通過價格低廉的FPGA，也可實(shí)現(xiàn)從站控制器的功能，可以購買授權(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)量較小的過程數(shù)據(jù)設(shè)備，如模擬量I/O模塊、傳感器、編碼器和簡單驅(qū)動等。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)場總線控制器接口相對應(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，而且也適用于簡單的傳感器或執(zhí)行器的32位數(shù)據(jù)操作。這類設(shè)備無需主機(jī)CPU。 從站評估工具包 從站評估工具包使接口操作變得簡便易行。由于采用了EtherCAT，無需功能強(qiáng)大的通訊處理器，因此，可將從站評估工具包中的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，接線非常簡單，并對其它協(xié)議開放。傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(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只需要價格低廉的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡 (NIC)便可實(shí)現(xiàn)。 |
