工业以太网EtherCAT技术的原理及其实现

工业以太网技术是工业控制行业中的研究热点。EtherCAT技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的关注。本文详细介绍了EtherCAT技术的原理和协议形式，并结合TMS320LF2407给出了一种具体的EtherCAT从站实现方式。.

一、引言

过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通讯系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统的现场总线技术在许多应用场合已经难以满足用户不断增长的需求。以太网已经在局域网和Internet上取得了巨大的成功，在整个企业的信息系统中，以太网已经非常成功的应用于市场经营管理层、生产管理层和过程监控层。如果能够在底层设备网络上引入以太网不仅可以使现场设备层、过程控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。

目前，工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点，多家自动化公司推出了自己的工业以太网解决方案。目前主要的工业以太网标准有以下几种： Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、 Powerlink、EtherCAT以及我国研制的EPA等。与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所支持、 软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德国自动控制公司Beckhoff开发的一种工业以太网技术，该技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的产品研发人员的关注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）组织成立，负责EtherCAT技术的推广和宣传。目前，该组织目前已经拥有700多个成员，很多成员组织已经开发出基于EtherCAT的产品。

二、EtherCAT技术原理

EtherCAT是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。

作为一种实时以太网协议，EtherCAT从站的OSI模型可以用图1简单描述。在图1中，ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层OSI模型被压缩成了具有物理层、数据链路层和应用层的3层模型。物理层为网络信号的传输提供了物理链路。数据链路层的主要任务是在特定的"时间窗"内从以太网帧中提取数据并把要输出的数据插入到以太网帧内，同时对数据进行检查校验。如果动作在特定的时间窗内不能完成，就会认为动作失败。应用层的作用是处理数据链路层的请求，并作出适当的反应。

图1 EtherCAT的OSI模型

EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。EtherCAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回EtherCAT主站。

EtherCAT协议结构如图2所示。图2表明，由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，EtherCAT充分利用了IO层的带宽，采用EtherCAT协议进行数据传输，可用的数据传输速率可达90%以上，100 Mbit/s的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理1000个数字量I/O只需30微秒，处理200个l6位模拟量信号只需50微秒，即取样频率达到20kHz。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合，可以做到真正把以太网应用于传感器/执行器级。EtherCAT协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。