EtherCAT技术详解：工业以太网的实时通信解决方案

EtherCAT技术详解：工业以太网的实时通信解决方案

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qlexcel/article/details/145299355

EtherCAT是一种实时工业以太网技术，由德国倍福自动化公司于2003年提出。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。EtherCAT使用主从结构，从站使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。

简单总结

1. 要使用EtherCAT只需要电路板上加一个从站控制器芯片，比如LAN9253、AX58100，然后从站控制器芯片引出网口，MCU/DSP与从站控制器芯片通信读写数据。
   
2. EtherCAT只能主机发送数据帧，然后从机从数据帧上读取数据判断是否发送给自己，或者从机把自己要发送的数据附在此数据帧上。因此避免了多个从机同时发送数据的仲裁时间。
3. EtherCAT完全符合以太网标准，在电脑上运行TwinCAT软件，就可以作为主机控制从机了。

EtherCAT协议概述

EtherCAT是由德国BECKHOFF(倍福)自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。EtherCAT使用主从结构，从站使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。

EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的数据报文，同样输入数据也是在报文经过时插入到报文中。整个过程报文只有几纳秒的时间延迟，实时性极强。

EtherCAT工业以太网在全球多个领域得到广泛应用，如机器控制、测量设备、医疗设备、汽车和移动设备以及无数的嵌入设备。

EtherCAT协议特点

1. EtherCAT完全符合以太网标准，可以与其它以太网设备及协议并存于同一个总线，以太网交换机等标准结构组件也可以用于EtherCAT。
2. EtherCAT使用标准IEEE802.3以太网帧，主站不需要特殊的硬件支持，任何带以太网控制器的设备都有条件作为EtherCAT主站，比如嵌入式系统，普通的PC和控制板卡等。
3. 高效率、刷新周期短。EtherCAT从站对数据帧的读取、解析和过程数据的提取与插入完全由硬件来实现，这使得数据帧的处理不受CPU的性能影响，时间延迟小，实时性高。同时EtherCAT可与达到小于100us的数据刷新周期。EtherCAT以太网帧中能够压缩大量的设备数据，使得EherCAT网络有效数据率可达90％以上。根据官方测试1000个硬件IO更新时间仅为30us，包括IO周期时间，而容纳1486个字节的单个以太网帧的通信时间仅为300us。
4. EtherCAT帧类型有0x88A4与其他以太网帧作区分。EtherCAT不需要IP协议，但可以封装在IP/UDP中，EtherCAT从站控制器以硬件方式处理。

总线拓扑

EtherCAT支持多种设备连接拓扑结构：线性、树形、星形等，可以选用的物理介质有100Base-TX标准以太网电缆或光缆，使用该物理介质允许两个设备之间最大的电缆长度为100米，连接的设备数量理论上可达到65535个，网络的容量几乎没有限制。

数据交互方式

Beckhoff官方对EtherCAT的传递机制命名为：On The Fly。如下图所示：将其想象为一列火车，每个带有从站地址的车厢对应需要与主站交互数据的从站的子报文。系统运行起来就是火车开起来，每个站点对应EtherCAT从站，依次停靠站点，如果没有自己设备地址的车厢（子报文），则将货车发往下一站点，如果有自己的车厢，等待乘客上下车（数据交换）完成后，发往下一站点，到达终点站返回始发站，返回过程中不再交互数据，这样就完成了一次通信周期。

通常每个通信周期只需要传输一个以太网数据帧，简单的理解就是一趟火车，完成一次循环，数据帧沿着逻辑环传输一周，完成所有广播式、多播式以及从站间的通信。

EtherCAT系统组成

EtherCAT充分利用了以太网的“双全工”特性。使用主从模式介质访问控制（MAC），主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或者将数据插入数据帧。主站使用标准的以太网接口网卡，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Contronller）。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。

EtherCAT主站组成

EtherCAT主站使用标准的以太网控制器，传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆，在本文对应从站的例程，主要使用PC端作为主站，同时有网卡芯片的以及PC处理器的搭配需求，这点下文会提到。

在基于PC的主站中，通常使用网络接口卡NIC（Network Interface Card），其中网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理数据收发器。

EtherCAT主机硬件

本文使用PC电脑端作为EtherCAT主机，因为使用TwinCAT作为上位机，所以对PC的硬件是有要求的。

TwinCAT对电脑处理器和网卡型号有要求，处理器必须是Intel的，网卡也要求是Intel，其它网卡的兼容性并不保证。

可以通过倍福官方网站进行验证查询：
https://infosys.beckhoff.com/english.php?content=…/content/1033/tc3_overview/9309844363.html&id=1489698440745036069。

EtherCAT从站组成

EtherCAT从站设备同时实现通信和控制应用两部分功能，其中主要是四部分组成。这四部分是构成从站必不可少的因素，在标准ISO/OSI的七层参考模型中，EtherCAT仅仅使用了物理层、链路层和应用层。

1：EtherCAT从站控制器ESC

EtherCAT从站控制器实现链路层协议，一般情况下是使用BECKHOFF官方的ET1100芯片，本文使用性价比较高的LAN9252与LAN9253芯片实现。

ESC负责处理EtherCAT数据帧，并使用双端口存储器实现EtherCAT主站与从站本地应用的数据交换。各个从站ESC按照各自在环路上的物理位置顺序移位读写数据帧。在报文经过从站时，ESC从报文中提取发送给自己的输出命令数据并将其存储到内部存储区，该输入数据从内部存储区又被写到相应的子报文中。数据的提取与插入都是由数据链路层硬件完成。

EtherCAT通信和完成控制任务还需要从站微控制器主导完成，通常是通过微控制器从ESC读取控制数据，从而实现设备控制功能，将设备反馈的数据写入ESC，并返回给主站。由于整个通信过程数据交换完全由ESC处理，与从站设备微控制器响应时间无关。从站微控制器的选择不受到功能限制，可以使用单片机、DSP和ARM等。

主要功能：

1. 集成数据帧转发处理单元，通信性能不受从站微处理器限制。每个ESC最多可提供8个数据收发端口。
2. 最大8K字节的双端口存储器DPRAM存储空间，DPRAM可以由外部微处理器并行或串行数据总线访问，这个访问的接口就是PDI。
3. 具有FMMU逻辑地址映射功能，提高数据帧利用率。
4. 由存储同步管理器通道SyncManager（SM）管理DPRAM，保证数据的一致性与安全性。
5. 集成分布式时钟DC功能，为微处理器提供高精度中断信号。
6. 具有EEPROM访问功能，存储ESC与应用配置参数，定义从站信息接口。

2：EEPROM

ESC使用EEPROM来存储所需要的设备相关信息，称为从站信息接口。这里涉及到一个关键的点，在使用新开发板的新EEPROM芯片，需要使用PC上位机对EEPROM写入设备信息以及PDI接口方式，否则微控制处理器则无法对ESC进行操作。

3：从站微控制器处理器

微处理器负责处理EtherCAT通信和完成控制任务，本文使用STM32F407芯片作为微处理器。微处理器从ESC读取控制数据，实现设备控制，并采样设备的反馈数据，写入ESC，由主站读取。

通信过程完成由ESC处理，与设备控制微处理器响应时间无关。微处理器相当于应用层，根据相应的协议编写程序代码，或者直接使用协议栈实现代码。

4：物理层器件

由于我们使用LAN9253芯片作为ESC，LAN9253已经集成了以太网PHY功能，所以ESC芯片直接连接RJ45网络接口，连接网线即可。

从站原理图：

原理图中除了STM32通过SPI与LAN9253连接之外，还有EEPROM芯片与LAN9253进行连接，EEPROM芯片存储EtherCAT设备信息等内容，包括LAN9253与STM32通信的接口方式（扩展板使用SPI接口）都由ROM存储，在STM32初始化ESC时会读取EEPROM中的设置，包括了接口信息等内容，这样才能正常的控制ESC芯片。

EEPROM是给LAN9253使用的，为啥LAN9253不内部集成一个存储器呢。。