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(lǐng)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(shù)在許多應(yīng)用場合已經(jīng)難以滿足用戶不斷增長的需求。以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)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(wǎng)已經(jīng)非常成功的應(yīng)用于市場經(jīng)營管理層、生產(chǎn)管理層和過程監(jiān)控層。如果能夠在底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上引入以太網(wǎng)不僅可以使現(xiàn)場設(shè)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(shè)備在水平層面上的集成成本。
目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)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(wǎng)解決方案。目前主要的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有應(yīng)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(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)以其高速、簡單、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的關(guān)注。2003 年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，負(fù)責(zé)EtherCAT技術(shù)的推廣和宣傳。目前，該組織目前已經(jīng)擁有700多個成員，很多成員組織已經(jīng)開發(fā)出基于EtherCAT的產(chǎn)品。
二、EtherCAT技術(shù)原理
EtherCAT是一種實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，該協(xié)議可以用于過程數(shù)據(jù)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(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)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(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可以任意編址。
作為一種實時以太網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)鏈路層和應(yīng)用層的3層模型。物理層為網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸提供了物理鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是在特定的“時間窗”內(nèi)從以太網(wǎng)幀中提取數(shù)據(jù)并把要輸出的數(shù)據(jù)插入到以太網(wǎng)幀內(nèi)，同時對數(shù)據(jù)進行檢查校驗。如果動作在特定的時間窗內(nèi)不能完成，就會認(rèn)為動作失敗。應(yīng)用層的作用是處理數(shù)據(jù)鏈路層的請求，并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。
圖1 EtherCAT的OSI模型
EtherCAT協(xié)議本身決定了它無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。它具有主從數(shù)據(jù)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(wǎng)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，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(jù)并將要發(fā)出的數(shù)據(jù)寫入到以太網(wǎng)幀的相應(yīng)位置，然后將報文傳遞給下一個從站。最后一個從站處理結(jié)束后，將報文傳遞回EtherCAT主站。
EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2表明，由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，可用的數(shù)據(jù)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(wǎng)協(xié)議非常適合要求實現(xiàn)快速控制的應(yīng)用場合，可以做到真正把以太網(wǎng)應(yīng)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?fù)漕愋?，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(jù)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(zhì)監(jiān)視，與錯誤計數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動評估還可以對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進行精確定位。
三、EtherCAT的實現(xiàn)
EtherCAT技術(shù)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(wǎng)MAC設(shè)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(wǎng)幀中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)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(quán)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(wǎng)口，目的是便于實現(xiàn)級聯(lián)，構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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(wǎng)Ethercat協(xié)議通訊控制器。TMS320LF2407實現(xiàn)了EtherCat協(xié)議的應(yīng)用層，可以通過16位并口對ET1100內(nèi)部的DPRAM進行數(shù)據(jù)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(jù)鏈路層，外擴的兩個物理層芯片實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)的的物理層。網(wǎng)絡(luò)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(jù)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(jié)論與展望
EtherCAT作為工業(yè)自動化以太網(wǎng)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(jīng)有多個廠家研發(fā)出自己的主站產(chǎn)品和從站芯片，國內(nèi)也有多個廠家開始著力于該技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)。新華集團研發(fā)中心已經(jīng)在國內(nèi)率先實現(xiàn)了EtherCAT技術(shù)的產(chǎn)品化，成功研發(fā)了國內(nèi)第一套基于EtherCAT的DCS TisNet－E1000，在國內(nèi)引領(lǐng)了基于EtherCAT技術(shù)的自動化產(chǎn)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(shù)驗證平臺，在國內(nèi)引領(lǐng)了EtherCAT技術(shù)的的產(chǎn)品化。