診斷特性對于一個機(jī)器的可靠性和調(diào)試時間非常重要。除了錯誤檢測外，錯誤的準(zhǔn)確定位也不容忽視。EtherCAT 在其系統(tǒng)內(nèi)部擁有多種不同的診斷功能。
在 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中，從設(shè)備( EtherCAT從站控制器)通過硬件芯片中的專用實時組件，根據(jù)拓?fù)涞捻樞蛱幚硪蕴W(wǎng)幀。從站設(shè)備在現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)定義的 ISO/OSI 堆棧的所有層中都有診斷機(jī)制。主站的配置工具分別從獨立的從站中獲取到狀態(tài)信息，直接報告給用戶使用的應(yīng)用軟件。
圖1：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀通過ESC(EtherCAT從站控制器)進(jìn)行邏輯傳輸
圖2：EtherCAT 可以在系統(tǒng)內(nèi)部的 IOS/OSI 堆棧的所有層實現(xiàn)診斷
物理層的診斷
物理層包括用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的線纜和接頭。每個 ESC 端口處理傳輸給用戶相關(guān)信息，從而檢測硬件級的通信。除了其他不同的錯誤外，如果 ESC 端口檢測到鏈路丟失，則相關(guān)的鏈路丟失計數(shù)器值增加。這種情況可能由于接觸不良、不足或者線纜損壞等原因引起。通過讀取相應(yīng)的寄存器可精確定位來自物理介質(zhì)的干擾。
另一種診斷特性是傳入的數(shù)據(jù)幀的 CRC 校驗(校驗總和)。如果損壞的數(shù)據(jù)幀被標(biāo)記毀壞，幀中包含的數(shù)據(jù)會被忽略，CRC 錯誤計數(shù)器值增加。后續(xù)的設(shè)備也會忽略該幀中的數(shù)據(jù)，且增加轉(zhuǎn)發(fā) CRC 錯誤計數(shù)器的值。CRC 錯誤一般是由于通信線纜過于靠近電力線纜，從而導(dǎo)致 EMC 干擾產(chǎn)生的。用戶通過讀取上述兩個錯誤計數(shù)器便可以檢測到可能出現(xiàn) EMC 干擾通迅的位置。
數(shù)據(jù)鏈路層的診斷
數(shù)據(jù)鏈路層保證了 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)中 EtherCAT 參與者之間的數(shù)據(jù)交換。該數(shù)據(jù)交換可以是非周期性或周期性的。周期性數(shù)據(jù)交換還會被用于多個分布式參與者的周期同步控制。在從站設(shè)備中，中斷或看門狗監(jiān)測數(shù)據(jù)交換和同步。
在數(shù)據(jù)鏈路層中工作計數(shù)器是一個強(qiáng)有力的診斷機(jī)制。該計數(shù)器隨著讀或?qū)懨钜煌瑐鬏?。如果每個從站成功的進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換，則計數(shù)器增加。主站通過對比實際的和預(yù)計的計數(shù)器值，便可以檢測到在同一周期中所有從站的數(shù)據(jù)是否被正確處理，還是有個別報文尚未傳輸。該工作計數(shù)器通知不同的可能產(chǎn)生的錯誤，例如，由于鏈接丟失或者內(nèi)部硬件中斷而導(dǎo)致一個從站不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的情況。對于過程數(shù)據(jù)配置或通信時序的參數(shù)化問題也可以使用這種檢測方式。工作計數(shù)器錯誤可被傳輸?shù)揭粋€上層應(yīng)用中(例如 PLC 程序)，因此工程師可以在軟件中編譯一個合適的響應(yīng)。
對于高精度同步的應(yīng)用，可以在EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中采用分布時鐘(DC)機(jī)制。對于這種數(shù)據(jù)鏈路層功能也有不同的診斷機(jī)制。每個從站包括一個系統(tǒng)時間差值寄存器，寄存器的值是每個從站的本地時間和全局時間的差值。主站通過讀取使用分布時鐘的所有從站的這個寄存器的值，從而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的同步的精確性，并在出現(xiàn)違規(guī)操作時通知用戶。
因為 EtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可以用免費的軟件(如Wireshark)進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)。這種方式下，EtherCAT 整個數(shù)據(jù)幀及其所有報文都能被報告，顯示和分析。
圖3：通過讀取鏈路丟失計數(shù)器可以準(zhǔn)確定位硬件級別的錯誤
圖4：每個端口對傳入數(shù)據(jù)幀進(jìn)行 CRC 校驗，并在必要的情況下增加錯誤計數(shù)器數(shù)值
應(yīng)用層的診斷
每個從站的應(yīng)用層實施了獨立的功能，如：讀取溫度信號，控制氣動伺服閥或者驅(qū)動電機(jī)。在此，EtherCAT 狀態(tài)機(jī)提供重要的診斷信息來組織主站和從站之間的行為。每個狀態(tài)對應(yīng)幾個通信功能。主站請求狀態(tài)改變，從站則確認(rèn)或者拒絕狀態(tài)改變。如果在初始化階段出現(xiàn)配置錯誤或內(nèi)部運行時出錯，從站會拒絕態(tài)轉(zhuǎn)換或內(nèi)部改變到低級別狀態(tài)中，并設(shè)定一個錯誤位和提供一個錯誤代碼。比如，當(dāng)過程數(shù)據(jù)在主站和從站的配置不同時，從站會拒絕狀態(tài)改變至 Safe operational 并提供錯誤代碼“無效的輸入配置”。又例如，當(dāng)從站超過一定時間沒有接收到有效過程數(shù)據(jù)時，該從站則將狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 Safe operational，并報告錯誤“過程數(shù)據(jù)看門狗”。主站通過一個廣播命令周期性地讀取應(yīng)用層狀態(tài)從而監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
圖5：EtherCAT主站可以通過工作計數(shù)器輕松且周期同步的檢測錯誤。
圖6：EtherCAT在應(yīng)用層的診斷。
除了通過 EtherCAT 狀態(tài)機(jī)進(jìn)行核心的診斷功能外，EtherCAT 設(shè)備還可以報告特殊的內(nèi)部應(yīng)用錯誤。這些取決于從站的個別功能：可以是一個模擬量輸入端子的過電壓，超過驅(qū)動的最大轉(zhuǎn)矩限制或者一個內(nèi)部的超溫報警。CAN application protocol over EtherCAT(CoE)是一個標(biāo)準(zhǔn)的用于非周期參數(shù)訪問的 EtherCAT 協(xié)議，該協(xié)議定義了診斷歷史對象(類似于錯誤寄存器)。在這些對象設(shè)備中可以記錄并保存多達(dá) 250 個應(yīng)用的特定診斷信息，主站讀取信息并報告給用戶。
總結(jié)
EtherCAT 通信的所有層中都有獨特的EtherCAT 診斷功能，因此它提供了一個完整且詳盡的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)概覽。這些功能已經(jīng)包含在 EtherCAT 協(xié)議中，主站需要很少的額外命令就可以實現(xiàn)。EtherCAT 診斷機(jī)制可以在硬件中實施或在 EtherCAT 基礎(chǔ)規(guī)范中定義：因此所有類似的 EtherCAT 設(shè)備都保證了其全部相關(guān)功能。
