EtherCAT实时工业以太网

系统讲解Ethercat的组成与关键机制，具体有协议来源、主要特点、应用领域、具有ECT总线的厂家、数据链路层、应用层。

EtherCAT实时工业以太网

• 协议来源
  • 德国倍福 2003年提出，2007年成为国际标准
  • ETG（EtherCATTechnologyGroup）负责推广
• 主要特点
  • 基于IEEE802.3以太网标准扩展实时性
  • 最大支持65535从站规模
  • 完全符合以太网标准
    • 可以使用电缆 100m
    • 可以使用光缆 40KM
    • 可以支持LVDS 10m
  • 支持多种拓扑结构
    • 线性
    • 星型
    • 环形
  • 高效率
    • 以太网帧能够压缩大量设备的数据，有效数据可以达到90%以上
  • 刷新周期短
    • 原因是因为从站控制器不需要处理以太网的封包，而是由从站控制器的硬件完成
    • 1000个硬件IO更新时间30us
    • 1486个字节（相当于12000个IO）的当个以太网帧通信时间300us
  • 同步性能好
    • 高分辨率的分布式时钟，各从站节点间同步精度远小于1us
  • 多种应用层协议支持
    • COE（CANOPEN OVER Ethercat）
    • SOE（SERCOE OVER Ethercat）
    • EOE（EtherNET OVER Ethercat）
• 应用领域
  • 机器控制（伺服运动控制）
  • 测量设备
  • 医疗设备
  • 汽车
  • 移动设备
• 具有ECT总线的厂家
  • 三洋
    • 三轴伺服系统同步控制
  • 松下
  • 库卡
    • 机器人控制系统的通信总线
• 数据链路层
  • 任务是根据存储在预先定义的内存位置上的数据链路层参数完成计算、比较，产生帧校验序列，从报文中获取数据或将数据增加至报文，实现通信。
  • 数据帧
    • 简化版
    • 详细版
    • 遵从802.3标准，使用以太网帧的保留字0x88A4
    • 2各字节的数据头+44~1498字节的数据
  • 寻址方式
    • 一个ECT网段相当于一个以太网设备
    • 主站根据数据帧中的MAC地址寻址所在网段，寻到第一个从站后，网段内其他从站设备根据子报文头中的32位地址寻址
    • 两种寻址方式
      • 设备寻址：针对某一个从站进行读写操作
        • 顺序寻址
          • 每经过1次转发，子报文中从站地址加1
          • 主要用于启动阶段配置
        • 设置寻址
      • 逻辑寻址：面向过程数据，可以实现多播
  • 通信模式
    • 周期性过程数据通信
      • 逻辑寻址
      • 过程数据
      • 实时性要求高
    • 非周期性邮箱数据通信
      • 参数数据 配置数据
      • 实时性要求不高
  • 存储同步管理
    • ECT主站与本地应用程序数据交换一致性和安全性的方式
    • 实现方式
      • 缓存模式
        • 3buffer
      • 邮箱模式
        • 双口RAM
• 应用层
  • 定义控制程序和网络交互的接口，不包括控制程序本身
  • 通讯模型
    • 通讯模式
      • 支持主从
      • 支持从从
      • 不支持主主
    • 主站
      • 为每个从站设置从站处理机，通过发送SDO服务控制从站的状态机（ESM）
      • 设置一个路由器用于从站与从站通信
      • TwinCAT
      • 同步模式
        • 周期性模式
          • 本地定时器控制
          • 周期时间应大于从站支持的最小同步周期时间
        • DC模式（分布时钟模式）
          • 与周期性模式类似，这是主站本地周期与参考时钟同步
    • 从站
      • 从站类型
        • 简单设备
          • 支持无响应的ESM应用层管理服务（无应用层控制器）
        • 复杂设备
          • 支持邮箱
          • 支持COE目标字典
          • 支持读写对象字典数据的加速SDO服务
          • 支持PDO映射对象
      • 组成
        • ECT从站控制器ESC
          • 实现从站通信功能
          • 两种物理层接口模式
            • MII
              • 单端口传输延迟约500ns
            • EBUS
              • 倍福使用LVDS标准定义的数据传输标准，可直接连接芯片，无需额外的物理层芯片，避免额外的物理层附加传输延时，单端口传输延时约100ns，传输距离10m MAX
          • FMMU
            • 将从站本地物理内存地址映射到网段范围内的逻辑地址
        • 从站控制微处理器
      • 实现
        • 从站控制器(ESC）
          • 倍福
            • ET1100（支持MII)
              • 不推荐使用RMII接口的原因是 PHY使用发送FIFO缓存区，增加了从站的转发延时
            • ET1200
            • IPCore
              • ET1810/1815
                • 可配置的FPGA IP核
                  • Altera公司的CYclone系列
            • ESC20
              • 功能固定的二进制配置FPGA
          • Microchip
            • LAN9252
          • TI
            • SitaraAM3357/3359 4377/4379
            • SitaraAM571xE/572xE
            • SitaraAMIC110SoC
          • ASIX（台湾亚信）
            • AX58100
          • 瑞萨
            • RZ/T1
            • R-IN32M30-EC
          • 英飞凌
            • XMC4300
            • XMC4800
          • Hilscher
            • netX50/90/500/4000
          • HMS
            • anybusNP40
        • FPGA（需要购买授权获取二进制代码）
      • 从站组成
    • 应用层管理
      • ECT状态机
      • ESM
        • 位于ECT从站控制器与应用之间
        • 描述从站应用的状态及变化
        • 四种状态
          • 初始化
          • 预运行
          • 安全运行
          • 运行
    • ECT邮箱
    • 过程数据
    • 同步模式
      • 自由运行
        • 本地控制周期有一个本地定时器中断产生
      • 同步于数据输入或输出事件
      • 同步于分布时钟同步事件