1 引言
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)不斷提高的性能和迅速降低的成本，工業(yè)以太網(wǎng)成為當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn)。EtherCAT(ethernet for control automation technology)是技術(shù)德國beckhoFF(倍福)公司提出的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具有靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持星形、線性、樹形等幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。EtherCAT系統(tǒng)配置簡單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)，其有效數(shù)據(jù)利用率達(dá)到90%以上，全雙工特性得以完全利用[2]。2005年2月，EtherCAT通過96% iec會員投票表決，正式成為iec規(guī)范——iec/pas62407，國際標(biāo)準(zhǔn)組織(iso)已將EtherCAT納入iso15745標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT技術(shù)引起了自動化技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并于2003年成立了EtherCAT技術(shù)組織，簡稱etg，到目前為止，etg組織成員已超過1500個[3]。
2 EtherCAT技術(shù)介紹
2.1 EtherCAT的組成和工作原理
EtherCAT采用主從式結(jié)構(gòu)，主站可以用一般PC機(jī)，利用BeckhoFF公司開發(fā)的TWinCAT(the windows control and automation technology)組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。控制周期從主站發(fā)出，主站發(fā)送下行電報，電報最大有效數(shù)據(jù)長度可達(dá)1498字節(jié)。數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設(shè)備，每個設(shè)備在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時分析尋址到本機(jī)的報文，根據(jù)報文頭中的命令讀入數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到報文中指定位置，并且從站硬件把該報文的工作計數(shù)器(WKC)加1，表示該數(shù)據(jù)被處理。整個過程只有幾納秒時間延遲[4]。數(shù)據(jù)幀在訪問位于整個系統(tǒng)邏輯位置的最后一個從站后，該從站把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)幀做為上行電報直接發(fā)送給主站。主站收到此上行電報后，處理返回數(shù)據(jù)，一次通信結(jié)束。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1 EtherCAT的工作原理
借助于從站中的EtherCAT專用芯片ET1100和主站中讀取網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的dma技術(shù)，整個協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行，使EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了一個新的高度。EtherCAT系統(tǒng)可以在30毫秒內(nèi)刷新1000個io結(jié)點(diǎn)，可以在300毫秒內(nèi)交換一幀多達(dá)1486個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字量輸入或輸出。
2.2 EtherCAT的協(xié)議
EtherCAT以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在mac(媒體訪問層)加了一個確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實(shí)現(xiàn)了通信周期的數(shù)據(jù)幀的傳輸。EtherCAT采用標(biāo)準(zhǔn)的ieee802-3以太網(wǎng)幀，以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示，各個部分的含義如表1所示。
圖2 EtherCAT幀結(jié)構(gòu)
表1 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)含義
EtherCAT在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個特的以太網(wǎng)幀類型0x88a4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個EtherCAT幀中可以包含若干個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)存域，由fmmu(fieldbus memory management unit)寄存器和(syncmanager)寄存器定義，該區(qū)域最大可達(dá)4gb字節(jié)。EtherCAT報文由一個16位的wkc(working count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)最大長度可達(dá)1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因可以對EtherCAT從站進(jìn)行任意的編址。
3 EtherCAT從站硬件設(shè)計
3.1 EtherCAT從站的結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)硬件包括從站協(xié)議控制器、cpu和網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。EtherCAT從站中最關(guān)鍵部分EtherCAT協(xié)議控制器，它實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層議。現(xiàn)在市場上有多種EtherCAT協(xié)議控制器可供使用，本文選用beckhoff(倍福)公司的esc(EtherCAT slave controller)ET1100來作為EtherCAT協(xié)議控制器，使用英飛凌的16位mcu xc164作為從站結(jié)點(diǎn)的cpu。整個從站硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 EtherCAT從站硬件結(jié)構(gòu)圖
如圖3所示，xc164和ET1100之間可以采用spi總線或者微控制器方式交換數(shù)據(jù)，e2rom用于存儲ET1100的配置數(shù)據(jù)，在從站上電時由主站根據(jù)e2rom存儲的數(shù)據(jù)配置ET1100。以太網(wǎng)口0和1分別用于接收主站的上行電報和發(fā)送下行電報。
3.2 從站控制器ET1100的結(jié)構(gòu)
ET1100是一款功能強(qiáng)大EtherCAT從站控制器，具有豐富的接口資源，其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。
圖4 從站控制器ET1100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖
