一、引言

過去十幾年中，現(xiàn)場總線是工廠自動化和過程自動化領域中現(xiàn)場級通訊系統(tǒng)的主流解決方案,。但隨著自動化控制系統(tǒng)的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術在許多應用場合已經難以滿足用戶不斷增長的需求,。以太網已經在局域網和Internet上取得了巨大的成功,，在整個企業(yè)的信息系統(tǒng)中，以太網已經非常成功的應用于市場經營管理層,、生產管理層和過程監(jiān)控層,。如果能夠在底層設備網絡上引入以太網不僅可以使現(xiàn)場設備層、過程控制層和管理層在垂直層面方便集成,，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本,。
目前，工業(yè)以太網技術已經成為工業(yè)控制領域中的一個研究熱點,，多家自動化公司推出了自己的工業(yè)以太網解決方案,。目前主要的工業(yè)以太網標準有以下幾種： Modbus/TCP、EtherNet/IP,、Profinet,、 Powerlink、EtherCAT以及我國研制的EPA等,。與傳統(tǒng)控制網絡相比,，工業(yè)以太網具有應用廣泛,、為所有的編程語言所支持、 軟硬件資源豐富,、易于與Internet連接,、可實現(xiàn)辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的無縫連接等諸多優(yōu)點。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動控制公司Beckhoff開發(fā)的一種工業(yè)以太網技術,，該技術以其高速,、簡單、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的產品研發(fā)人員的關注,。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立,，負責EtherCAT技術的推廣和宣傳。目前,，該組織目前已經擁有700多個成員,，很多成員組織已經開發(fā)出基于EtherCAT的產品。

二,、EtherCAT技術原理

EtherCAT是一種實時以太網現(xiàn)場總線系統(tǒng),，該協(xié)議可以用于過程數(shù)據的優(yōu)化傳輸。EtherCAT協(xié)議可以包括幾個EtherCAT報文,，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內存區(qū)域,，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。要發(fā)送和接收的數(shù)據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序,，可以任意編址,。
作為一種實時以太網協(xié)議，EtherCAT從站的OSI模型可以用圖1簡單描述,。在圖1中，ISO國際標準組織所定義的開放系統(tǒng)互連七層OSI模型被壓縮成了具有物理層,、數(shù)據鏈路層和應用層的3層模型,。物理層為網絡信號的傳輸提供了物理鏈路。數(shù)據鏈路層的主要任務是在特定的“時間窗”內從以太網幀中提取數(shù)據并把要輸出的數(shù)據插入到以太網幀內,，同時對數(shù)據進行檢查校驗,。如果動作在特定的時間窗內不能完成，就會認為動作失敗,。應用層的作用是處理數(shù)據鏈路層的請求,，并作出適當?shù)姆磻?/p>

圖1 EtherCAT的OSI模型

EtherCAT協(xié)議本身決定了它無需接收以太網數(shù)據包，將其解碼,，之后再將過程數(shù)據復制到各個設備,。它具有主從數(shù)據交換原理，需要主站和從站配合完成工作,，因而,，EtherCAT非常適合主從控制器之間的通訊,。EtherCAT主站傳遞的以太網幀包含了所有的I/O從站數(shù)據，報文在I/O從站間傳遞,，每個從站用極短的時間獲取數(shù)據并將要發(fā)出的數(shù)據寫入到以太網幀的相應位置,，然后將報文傳遞給下一個從站。最后一個從站處理結束后,，將報文傳遞回EtherCAT主站,。

EtherCAT協(xié)議結構如圖2所示。圖2表明,，由于發(fā)送和接收的以太網幀壓縮了大量的設備數(shù)據,，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進行數(shù)據傳輸,，可用的數(shù)據傳輸速率可達90%以上,，100 Mbit/s的全雙工特性完全得以利用。有資料表明其處理1000個數(shù)字量I/O只需30微秒,，處理200個l6位模擬量信號只需50微秒,，即取樣頻率達到20kHz。這種實時以太網協(xié)議非常適合要求實現(xiàn)快速控制的應用場合,，可以做到真正把以太網應用于傳感器/執(zhí)行器級,。EtherCAT協(xié)議本身決定了它幾乎支持任何拓撲類型，包括線型,、樹型,、星型等，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量,。
在故障診斷方面,，EtherCAT通過CRC校驗，可以有效地檢測出數(shù)據傳送期間的位故障,，EtherCAT通過匹配性檢查可以進行斷線檢測和故障定位,。另外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議還可以對各個傳輸段分別進行品質監(jiān)視,，與錯誤計數(shù)器關聯(lián)的自動評估還可以對關鍵的網絡段進行精確定位,。

三、EtherCAT的實現(xiàn)

EtherCAT技術的實現(xiàn)包括主站實現(xiàn)和從站實現(xiàn),。EtherCat主站不需要專用的通訊處理器,，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網MAC設備即可，完全采用軟件方式在主機CPU中實現(xiàn)協(xié)議的識別和封裝,。EtherCat可以在單個以太網幀中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據通訊,。為了方便主站的開發(fā)，EtherCat組織現(xiàn)在提供主站樣本代碼,，可以方便的把該代碼嵌入到實時操作系統(tǒng)中,，加快項目開發(fā)進程,。本文采用的EtherCAT主站的人機界面如圖3所示。

圖3   測試用EtherCAT主站人機界面

EtherCat從站是通過專用硬件實現(xiàn)的,，目前,，有多家制造商均提供EtherCAT從站控制器，也可以一次性購買獲取授權的二進制代碼,，通過價格低廉的FPGA實現(xiàn)從站控制器的功能,。實現(xiàn)從站的專用硬件都具有兩個MAC地址，可以很容易的擴展兩個網口,，目的是便于實現(xiàn)級聯(lián),，構成各種拓撲結構。
本文采用TI公司的16位處理器TMS320LF2407作為微處理器,，采用Beckhoff公司的ET1100作為工業(yè)以太網Ethercat協(xié)議通訊控制器,。TMS320LF2407實現(xiàn)了EtherCat協(xié)議的應用層，可以通過16位并口對ET1100內部的DPRAM進行數(shù)據存取,。ET1100帶有兩個MII接口,，它們在硬件上實現(xiàn)了EtherCat協(xié)議的數(shù)據鏈路層，外擴的兩個物理層芯片實現(xiàn)了工業(yè)以太網的的物理層,。網絡變壓器的作用是實現(xiàn)隔離和阻抗匹配,。主站PC與從站的數(shù)據通訊速率達到100Mbit/s，具體的實現(xiàn)從站的原理框圖如圖4所示,。

圖4 從站原理框圖

 四,、結論與展望

 EtherCAT作為工業(yè)自動化以太網解決方案，以其高速,、簡單,、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的研發(fā)人員的青睞，國際上已經有多個廠家研發(fā)出自己的主站產品和從站芯片,，國內也有多個廠家開始著力于該技術的產品開發(fā),。新華集團研發(fā)中心已經在國內率先實現(xiàn)了EtherCAT技術的產品化，成功研發(fā)了國內第一套基于EtherCAT的DCS TisNet－E1000,，在國內引領了基于EtherCAT技術的自動化產品開發(fā)。

 本文作者的創(chuàng)新點：基于16位處理器TMS320LF2407和ET100實現(xiàn)了EtherCAT從站,，搭建了EtherCAT技術驗證平臺,，在國內引領了EtherCAT技術的的產品化。