【摘要】 本文深入闡述了基于以太網現場總線系統的EtherCAT技術。EtherCAT為現場總線技術領域樹立了新的性能標準，具備靈活的網絡拓撲結構，系統配置簡單，和現場總線系統一樣操作直觀簡便。另外，由于EtherCAT實現成本低廉，因此使系統得以在過去無法應用現場總線網絡的應用場合中選用現場總線。 引言 現場總線已成為自動化技術的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應用。正是由于現場總線技術的普及，才使基于PC的控制系統得以廣泛應用。 雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發展迅猛，但傳統的現場總線系統正日趨成為控制系統性能發展的“瓶頸”。急需技術革新的另一個因素則是由于傳統的解決方案并不十分理想。傳統的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統所組成（周期系統）：即實際控制任務、現場總線系統、 I/O 系統中的本地擴展總線或外圍設備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統響應時間是控制器周期時間的3-5倍。（圖1見書） 在現場總線系統之上的層面（即網絡控制器）中，以太網往往在某種程度上代表著技術發展的水平。該方面目前較新的技術是驅動或I/O級的應用，即過去普遍采用現場總線系統的這些領域。這些應用類型要求系統具備良好的實時能力、適應小數據量通訊，并且價格經濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現因特網技術。 以太網和實時能力 目前，有許多方案力求實現以太網的實時能力。例如，CSMA/CD介質存取過程方案，即禁止高層協議訪問過程，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包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數據包傳送給所連接的以太網節點，但是，輸出或驅動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數據所需要的時間都要受制于具體的實現方式。 如果將單個以太網禎用于每個設備，那么，理論上講，其可用數據率非常低。例如，最短的以太網禎為84字節（包括內部的包間隔IPG）。如果一個驅動器周期性地發送4字節的實際值和狀態信息，并相應地同時接收4字節的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負荷為100%（即：無限小的驅動響應時間）時，其可用數據率也只能達到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均響應時間估計，則速率將下降到1.9%。對所有發送以太網禎到每個設備（或期望禎來自每個設備）的實時以太網方式而言，都存在這些限制，但以太網禎內部所使用的協議則是例外。 EtherCAT工作原理 EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制：通過該項技術，無需接收以太網數據包，將其解碼，之后再將過程數據復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經過時插入至報文中（圖2見書）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。 由于發送和接收的以太網禎壓縮了大量的設備數據，所以可用數據率可達90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數據率可以達到> 100 Mb/s （> 2 x 100 Mb/s的90%） （圖3見書）。 符合IEEE 802.3標準的以太網協議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉換為LVDS（一種可供選擇的以太網物理層標準[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設備的需求。這樣，就可以非常經濟地對模塊化設備進行擴展了。之后，便可以如普通以太網一樣，隨時進行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉換。 協議 EtherCAT是用于過程數據的優化協議，憑借特殊的以太網類型，可以在以太網禎內直接傳送。EtherCAT協議可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現。如果需要實現最大化性能，并且需要將EtherCAT組件作為同一子網控制器進行操作，則可直接傳送以太網禎。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協議封裝為 UDP/IP數據報文（圖4見書），這就意味著，任何以太網協議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網中。顯然，在這種變體結構中，系統性能取決于控制的實時特性和以太網協議的實現方式。因為UDP數據報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網絡自身的響應時間基本不受影響。 另外，根據主/從數據交換原理，EtherCAT 也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網絡變量可用于過程數據以及參數、診斷、編程和各種遠程控制服務，滿足廣泛的應用需求。同理，主站/從站與主站/主站之間的數據通訊接口相同。 從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設備和下游設備可以在同一周期內實現通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結構高度相關，因此適用于由設備架構設計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應用等。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——數據通過主站進行中繼。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小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禎，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網禎可以通過任何以太網MAC發送，并可以使用標準工具（如：monitor）。 拓撲 EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等（圖5見書）。通過現場總線而得名的總線或線型結構也可用于以太網，并且不受限于級聯交換機或集線器的數量。 最有效的系統連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需接口在I/O 模塊等很多設備中都已存在，所以無需附加交換機。當然，仍然可以使用傳統的、基于以太網的星型拓撲結構。 還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、廉價的標準以太網補償電纜可采用 100 Mb/s TX模式傳送信號；塑封光纖（POF）可補充用于特殊應用場合；還可以通過交換機或介質轉換器實現不同以太網連線（如：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。 快速以太網的物理層（100 M b/s-TX）允許兩個設備之間的最大電纜長度達到100米。由于連接的設備數量可達65535，因此，網絡的容量幾乎沒有限制。 分布時鐘 精確同步對于同時動作的分布式過程而言尤為重要。例如，幾個伺服軸同時執行協調運動時，便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時鐘（請參閱IEEE 1588標準[6]）。與完全同步通訊中容易出現通訊故障，立即影響同步品質的情況相比，分布排列的時鐘對于通訊系統中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。 采用EtherCAT，數據交換就完全基于純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環結構 （借助于全雙工快速以太網的物理層），主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移，反之亦然。分布時鐘均基于該值進行調整，這意味著可以在網絡范圍內使用非常精確的、小于1 微秒的、確定性的同步誤差時間基（圖6見書）。而跨接工廠等外部同步則可以基于IEEE 1588 標準。 此外，高分辨率的分布時鐘不僅可以用于同步，還可以提供數據采集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時，即使是出現一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導致速度計算出現較大的階躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數據類型作為一個邏輯擴展，以太網所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術。 性能 EtherCAT使網絡性能達到了一個新境界。借助于從站硬件集成和網絡控制器主站的直接內存存取，整個協議的處理過程都在硬件中得以實現，因此，完全獨立于協議堆棧的實時運行系統、CPU 性能或軟件實現方式。1000個I/O的更新時間只需30 µs，其中還包括I/O周期時間（參見表1）。單個以太網禎最多可進行1486字節的過程數據交換，幾乎相當于12000個數字輸入和輸出，而傳送這些數據耗時僅為300 µs。 100個伺服軸的通訊也非常快速：可在每100µs中更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布時鐘技術使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在這種節奏下，帶寬仍足以實現異步通訊，如TCP/IP、下載參數或上載診斷數據。 超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統的現場總線系統無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術和現代工業PC所具有的超強計算能力相適應，總線系統不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數本地I/O接口運行速度更快。EtherCAT技術原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000 M bps的以太網。 診斷 現場總線系統的實際應用經驗表明，有效性和試運行時間關鍵取決于診斷能力。只有快速而準確地檢測出故障，并明確標明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發過程中，特別注重強化診斷特征。 試運行期間，驅動或I/O 端子等節點的實際配置需要與指定的配置進行匹配性檢查，拓撲結構也需要與配置相匹配。由于整合的拓撲識別過程已延伸至各個端子，因此，這種檢查不僅可以在系統啟動期間進行，也可以在網絡自動讀取時進行（配置上載）。 可以通過評估CRC校驗，有效檢測出數據傳送期間的位故障——32 位CRC多項式的最小漢明距為4。除斷線檢測和定位之外，EtherCAT系統的協議、物理層和拓撲結構還可以對各個傳輸段分別進行品質監視，與錯誤計數器關聯的自動評估還可以對關鍵的網絡段進行精確定位。此外，對于EMI影響、連接器破損或電纜損壞等一些漸變或變化的錯誤源而言，即便它們尚未過度應變到網絡自恢復能力的范圍，也可對其進行檢測與定位。 高可靠性 選擇冗余電纜可以滿足快速增長的系統可靠性需求，以保證設備更換時不會導致網絡癱瘓。增加冗余特性耗費不高，僅需在主站設備端增加使用一個標準的以太網端口（無需專用網卡或接口），并將單一的電纜從總線型拓撲結構轉變為環型拓撲結構。當設備或電纜發生故障時，也僅需一個周期即可完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應用，電纜出現故障時也不會有任何問題。 EtherCAT還支持主站在線待機冗余功能。一旦出現中斷、設備故障等問題，EtherCAT從站控制器可以立即自動返回以太網禎，所以不會導致整個網絡崩潰。例如：應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用的安全總線系統，傳統觀念總是認為，自動化網絡應與安全功能相分離。但EtherCAT所實現的安全功能可以在同一網絡中將安全相關的通訊和控制通訊融合為一體。安全協議基于EtherCAT應用層，不受低層協議的影響，并遵循IEC61508 標準認證，滿足安全集成級（SIL）4的要求。數據長度可以變化的，因此該協議既完全適合于安全 I/O 數據，也適合于安全驅動技術。和其它EtherCAT數據一樣，安全數據可以通過無安全功能的路由器或網關實現路由。目前，首批獲得完全認證的EtherCAT安全產品已經上市。 EtherCAT取代PCI 隨著PC組件急劇向小型化方向發展，工業PC的體積日趨取決于插槽的數目。而快速以太網的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數據長度則為該領域的發展提供了新的可能性——IPC 中的傳統接口現在可以轉變為集成的EtherCAT接口端子（圖7見書）。 除了可以對分布式I/O進行編址，還可以對驅動和控制單元以及現場總線主站、快速串行接口、網關和其它通訊接口等復合系統進行編址。 即使是其他無協議限制的以太網設備變體，也可以通過分布式交換機端口設備進行連接。由于一個以太網接口足以滿足整個外圍設備的通訊 （圖8見書），因此，這不僅極大地精簡了IPC主機的體積和外觀，而且也降低了IPC主機的成本。 設備框架 設備框架描述了設備的應用參數和功能特性，如設備類別相關的機器狀態等。現場總線技術已經為I/O設備、驅動、閥等許多設備類別提供了可利用的設備框架。用戶非常熟悉這些框架以及相關的參數和工具，因此，EtherCAT無需為這些設備類別重新開發設備框架，而是為現有的設備框架提供了簡單的接口。該特性使得用戶和設備制造商可以輕松完成從現有的現場總線到EtherCAT技術的轉換過程。 EtherCAT實現CANopen（CoE） CANopen設備和應用框架廣泛用于多種設備類別和應用，如I/O組件、驅動、編碼器、比例閥、液壓控制器，以及用于塑料或紡織行業的應用框架等。EtherCAT可以提供與CANopen機制[7]相同的通訊機制，包括對象字典、PDO（過程數據對象）、SDO（服務數據對象），甚至于網絡管理。因此，在已經安裝了CANopen的設備中，僅需稍加變動即可輕松實現EtherCAT，絕大部分的CANopen固件都得以重復利用。并且，可以選擇性地擴展對象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。 EtherCAT實現遵循IEC 61491的伺服驅動框架（SoE） SERCOS interface™是全球公認的、用于高性能實時運行系統的通訊接口，尤其適用于運動控制的應用場合。用于伺服驅動和通訊技術的SERCOS框架屬于IEC 61491標準[8] 的范疇。該伺服驅動框架可以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅動中的服務通道、全部參數存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（圖9見書）。在此，關注焦點還是EtherCAT與現有協議的兼容性（IDN的存取值、屬性、名稱、單位等），以及與數據長度限制相關的擴展性。過程數據，即形式為AT和MDT的SERCOS數據，都使用EtherCAT從站控制器機制進行傳送，其映射與SERCOS映射相似。并且，EtherCAT從站的設備狀態也可以非常容易地映射為SERCOS協議狀態。 這些伺服驅動框架應用了EtherCAT先進的實時以太網技術，并廣泛采納于CNC的應用之中。設備框架的優勢與EtherCAT的優勢相結合：分布時鐘保證了網絡范圍的精確同步，并且，可以選擇性地傳送位置、速度或轉矩命令。根據具體的實施方法，驅動還有可能繼續使用現有的配置工具。 EtherCAT 實現以太網（EoE） EtherCAT技術不僅完全兼容以太網，而且在“設計”之初就具備良好的開放性特征——該協議可以在相同的物理層網絡中包容其它基于以太網的服務和協議，通常可將其性能損失降到最小。對以太網的設備類型沒有限制，設備可通過交換機端口在EtherCAT段內進行連接。以太網禎通過EtherCAT協議開通隧道，這也正是VPN、 PPPoE （DSL） 等因特網應用所普遍采取的方法。EtherCAT網絡對以太網設備而言是完全透明的，其實時特性也不會發生畸變（圖10見書）。 EtherCAT設備可以包容其它的以太網協議，因此具備標準以太網設備的一切特性。主站的作用與第2層交換機所起的作用一樣，可按照編址信息將以太網禎重新定向到相應的設備。因此，集成萬維網服務器、電子郵件和FTP 傳送等所有的因特網技術都可以在EtherCAT的環境中得以應用。 EtherCAT實現文件存取（FoE） 這種簡單的協議與TFTP類似，允許存取設備中的任何數據結構。因此，無論設備是否支持TCP/IP，都有可能將標準化固件上載到設備上。 基礎設施投資 由于EtherCAT無需集線器和交換機，因此，在環境條件允許的情況下，可以節省電源、安裝費用等設備方面的投資，只需使用標準的以太網電纜和價格低廉的標準連接器即可。如果環境條件有特殊要求，則可以依照IEC標準，使用增強密封保護等級的連接器。 EtherCAT的實現層面 EtherCAT技術是面向價格低廉的設備而開發的，如I/O 端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標準的以太網禎。這些禎由主站設備發送，從站設備只是在以太網禎經過其所在位置時才提取和/或插入數據。因此，EtherCAT 使用標準的以太網MAC，這正是其在主站設備方面智能化的表現。同樣，EtherCAT在從站控制器中使用專用芯片，這也是其在從站設備方面智能化的表現——無論本地處理能力是否強大或軟件品質好壞與否，專用芯片均可在硬件中處理過程數據協議，并提供最佳實時性能。 主站 EtherCAT可以在單個以太網禎中最多實現1486字節的分布式過程數據通訊。其它解決方案一般是，主站設備需要在每個網絡周期中為各個節點處理、發送和接收禎。而EtherCAT系統與此不同之處在于，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點的全部通訊，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CPU帶來任何負擔，輕松處理這些任務的同時，還可以處理應用程序，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MAC設備即可。EtherCAT主站很容易實現，尤其適用于中小規模的控制系統和有明確規定的應用場合。 例如，如果某個單個過程映像的PLC沒有超過1486 字節，那么在其周期時間內循環發送這個以太網禎就足夠了。因為報文頭運行時不會發生變化，所以只需將常數報文頭插入到過程映像中，并將結果傳送到以太網控制器即可。 EtherCAT映射不是在主站產生，而是在從站產生（外圍設備將數據插入所經以太網禎的相應位置），因此，此時過程映像已經完成排序。該特性進一步減輕了主機 CPU 的負擔。可以看到，EtherCAT主站完全在主機CPU中采用軟件方式實現，相比之下，傳統的慢速現場總線系統通過有源插接卡方可實現主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務于 DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機資源。 系統配置工具（通過生產商獲取）可提供包括相應的標準 XML 格式啟動順序在內的網絡和設備參數。 主站實現服務 可通過生產商獲取主站代碼、實現服務和技術支持，可用于多種硬件平臺與操作系統。可登陸EtherCAT網站[1]，了解該方面信息。EtherCAT網站還提供開放的源代碼實現方式和相應的RTOS開放源代碼。 主站樣本代碼 另一種EtherCAT主站的實現方式是使用樣本代碼，花費不高。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實現以太網）功能。開發人員只要把這些應用于Windows環境的代碼與目標硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。該軟件代碼已經成功應用于多個系統。 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，也可實現從站控制器的功能，可以購買授權以獲取相應的二進制代碼。 從站控制器通常都有一個內部的DPRAM，并提供存取這些應用內存的接口范圍： ·串行SPI（串行外圍接口）主要用于數量較小的過程數據設備，如模擬量I/O模塊、傳感器、編碼器和簡單驅動等。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接口的傳統現場總線控制器接口相對應，尤其適用于數據量較大的復雜設備。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32位數字輸入/輸出，而且也適用于簡單的傳感器或執行器的32位數據操作。這類設備無需主機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CPU使用。該工具包還包括源代碼形式的從站主機軟件（相當于協議堆棧）和主站軟件樣本包。 小結 EtherCAT 擁有杰出的通訊性能，接線非常簡單，并對其它協議開放。傳統的現場總線系統已達到了極限，而EtherCAT則突破建立了新的技術標準——30 µs內可以更新1000個I/O數據，可選擇雙絞線或光纖，并利用以太網和因特網技術實現垂直優化集成。 使用 EtherCAT，可以用簡單的線型拓撲結構替代昂貴的星型以太網拓撲結構，無需昂貴的基礎組件。EtherCAT還可以使用傳統的交換機連接方式，以集成其它的以太網設備。其它的實時以太網方案需要與控制器進行特殊連接，而EtherCAT只需要價格低廉的標準以太網卡 （NIC）便可實現。 EtherCAT擁有多種機制，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見書）。它實現了安全功能，采用技術可行且經濟實用的方法，使以太網技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優越，可以完全兼容以太網，可將因特網技術嵌入到簡單設備中，并最大化地利用了以太網所提供的巨大帶寬，是一種實時性能優越且成本低廉的網絡技術。 文獻 [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