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[应用相关] STM32与Ethercat开发资料搜集<2>

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 楼主 | 2019-8-21 16:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
    与传统现场总线相比,工业以太网实在传统现场总线发展受到制约后,产生
的新兴事物。其从根本上解决了传统现场总线的功能单一,兼容性差,难以标准
化的缺点,工业以太网最大的特点就是具备开放性。不仅如此,相比传统现场总
线,工业以太网传输速率大幅度增加,也因为其具备开放性则可以利用更多的软
硬件资源。如今,实时工业以太网技术日趋成熟,己经逐步被应用在工业控制领
域中,而这也必然是未来工业控制领域的发展方向。
    Ether CAT, EtherNet/IP, PowerlinkETHERNET, PROFINET等几种工业以太
网协议,是如今广泛被使用的工业以太网协议。其中,Ether CAT是由德国倍福自
动化有限公司(BeckhoffAutomationGmbh)研发的.


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 楼主 | 2019-8-21 16:15 | 显示全部楼层
      (1)Ether CAT
    Ether CAT的开发者是Beckhoff公司开发,开发时间是2003年。一个Ether CAT
网段可以被看作一个独立的以太网设备,一个网段即相当于一个Ether CAT从站,
一个从站可以连接多个Ether CAT从站设备,因此Ether CAT报文中还嵌有子报文,
通过寻址方式控制具体的从站。Ether CAT协议通过修改标准以太网协议而来,具
有广泛的适应性。其100个伺服电机的数据通信周期约为100}so
      (2)EtherNet/IP
    EtherNet/IP的开发者是艾伦一布拉德利(罗克韦尔自动化)和ODVA(开放
DeviceNet供应商协会)o EtherNet/IP也是建立在标准的以太网协议之上协议之上,
是基于固定的以太网软硬件开发的应用层协议,支持访问、配置及控制设备。与
Ether CAT不同的是,该协议使用的就是是传统以太网协议,因此他比Ether CAT
更在以太网设备中更通用可无缝衔接,而且其发展是与以太网技术平同步的。其
100个伺服电机的数据通信周期约为100.

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 楼主 | 2019-8-21 16:15 | 显示全部楼层
      (3)PowerlinkETHERNET
    Powerlink的开发者是奥地利B&R公司,发布时间于2001年11月。Ether CAT
成立的国际组织为ETG  }   Powerlink国际组织为EPSG
C ETHERNETPowerlinkStandardizationGroup,成立时间为并在2004年。
ETHERNETPowerlink基于高速以太网的开放、实时通信协议实现的,实时以太网
协议中仅有它经过现场验证,发展相对更成熟。这是一个完整的从管理层一直到
现场1/0层的确定性传送实时数据透明解决方案,并己成为工业标准[[4]。其100个
伺服电机的数据通信周期约为lms。

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 楼主 | 2019-8-21 16:15 | 显示全部楼层
      (4)PROFINET
    PROFINET的开发者是国际组织(PROFIBUSInternational,  PI)。其特点是功
能完善,是更新一代的工业以太网总线标准,是基于以后工业以太网技术新尝试。
其100个伺服电机的数据通信周期约为lmso

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 楼主 | 2019-8-21 16:15 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-8-21 16:16 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-8-21 16:17 | 显示全部楼层
    比较几种工业以太网协议可知:Ether CAT适应性较强,对从站主站要求都较
低。普通PC即可做Ether CAT主站,协议在由标准以太网修改而来,兼容性强。
Ether CAT刷新周期短,同步性能好,高效率,可最大化利用以太网宽带进行用户
数据传输,且其系统配置简单,实现成本较低。

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 楼主 | 2019-8-21 16:17 | 显示全部楼层
    Ether CAT是主从模式的系统,一台个人电脑就可以当做主站。工作时,主站
会发出一个控制周期,成为下行电报,控制周期中的数据最多包含1498个byte,
数据会一一经过每个从站,从站会根据自身情况去匹配主站发送的数据,从中找
到与本从站匹配的地址和相应数据,然后根据主站发送的报文头中的命令判断是
从主站发送的报文中读出数据还是写入数据[}s}。每个从站完成处理后,都会对主站
发送报文中的计数器进行一次叠加,表示该报文己经被从站处理过了。通信过程
延迟小于lOns,当主站发送的报文通过网络中的最后一个从站后,这个从站会把
处理完成的数据发送给主站,这样就完成过来一次主站和从站之间的通信。

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 楼主 | 2019-8-21 16:17 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-8-21 16:18 | 显示全部楼层
    Ether CAT系统的通信需要主站与从站密切配合,主站既可以发送数据包给从
站,也可以接收从站返回的数据包;从站需要接收主站发送的数据包,并根据数
据包中的指令实现应用层的控制,完成这一操作之后,从站会在数据包中写入相
应的信息,并且最终反馈给主站。主从站之间通信的数据包是标准的以太网数据
帧结构。主站发送数据包后,从站接收数据包完成相应的应用层操作之后,改写
数据包并把数据包反馈给主站,这就是一个完整Ether CAT的通信过程[6]。在主站
和从站通信时,在一个通信周期内,主站会会先发送Ether CAT数据给从站,Ether
CAT数据包会经过通信链路上的所有从站,而每个从站都会处理这个数据包,经
过匹配后从站只会处理Ether CAT数据包中与自己有关的部分,然后或者把ESC
数据放入Ether CAT数据包中,并把数据包发送给主站;或者把数据输送到ESC
内存,在应用层执行操作。当主站发送的Ether CAT数据包被所有的从站都处理后,
最后完成数据处理的从站会把Ether CAT数据包发回给主站。如图2-1所示,通信
链路上的所有从站都处理了Ether CAT数据包之后,最后一个从站会把数据包反发
给主站,可以实现Ether CAT以太网帧的双向传输。然而,Ether CAT从站只能在
数据包下行传输的时候对报文进行相应的处理,上行传输时不能对报文数据进行
处理。

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 楼主 | 2019-8-21 16:18 | 显示全部楼层
    当Ether CAT数据包传输到从站的时候,从站需要对报文的一部分数据进行处
理[f}l。从站控制器会调用相应的硬件对Ether CAT报文进行处理,跟一般的以太网
处理报文的方式不同,Ether CAT从站设备在对报文进行读取和插入的操作只由从
站处理器来完成,而且速率快,延迟小,通常只需要几纳秒的延迟。因为Ether CAT
从站处理数据包的时候,可以使用ESC操作,只是读取数据包中与本从站相关的
信息到微处理器,而且整个过程都有硬件来完成,明显减少了交互时间。普通的
以太网设备处理数据时会先对数据进行解压,从站再读取解压后的数据到微处理
器,与Ether CAT相比,这种处理方式会增加系统时间。由于Ether CAT系统使用
以太网进行数据传输,所以传输报文不仅延迟小,而且数据量大,传输数据中的
有效数据就更多,充分利用了整个系统的带宽,大大提高了数据传输和处理的速
率[sl。
    主站发送下行数据,从站依次取出自己对应的报文放入缓存区中,并将发送
缓存区的子报文插入,在遍历从站且在从站控制器处理后,由最后的从站将处理
之后的数据包反发给主站。按照这个方式不断的重复,主站和从站之间可以实现
高效率的通信。

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 楼主 | 2019-8-21 16:19 | 显示全部楼层
本项目采用开源软件SOMECAT总线协议实现对从站的控制作为EtherCAT系统的Master(主站),通过Ether。无论是简易的从站设备还是复杂的从站设备都需要一块专用的EtherCAT从站控制器。通过专用的从站控制器与从站微处理器,即MCU相连[[13]。主站的控制数据输出,经过从站控制对EtherCAT协议的针对性处理,给到从站微处理器即从站处理的CPU,系统中MCU。有从站微处理器处理数据并根据数据控制从站设备,简易从站输出设备如如LED。从站微处理器不仅负责接收主站数据输出给从站设备,也负责采集从站设备数据,并处理后,经过从站控制器处理为EtherCAT协议帧,上报给主站,简易从站采集设备如传感器、开关。整个收发数据流程构成了EtherCAT网络系统

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 楼主 | 2019-8-21 16:21 | 显示全部楼层
EtherCAT通信帧结构采用标准以外网帧结构,是通过对传统协议进行修改形成,在标准协议里插入专用帧类型的EtherCAT数据帧,也就是说,标准协议的数据内容就是EtherCAT的数据帧。专用帧类型用Ox88A4进行标记。也因为如此,EtherCAT通信可被标准的以太网通信完全兼容。EtherCAT数据帧的报文结构如图2-3所示。

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 楼主 | 2019-8-21 16:21 | 显示全部楼层
    以太网帧头中包含了目的地址和原地址信息,两个地址分别是接收方MAC地
址和发送方MAC地址。Ether CAT有特殊的帧类型Ox88A4 o Ether CAT数据包含
Ether CAT头和Ether CAT数据两个部分。Ether CAT帧结构定义见表2-l o
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 楼主 | 2019-8-21 16:24 | 显示全部楼层
    Ether CAT子报文的结构定义见表2-2。子报文包含命令、索引、地址区长度、
标志位、状态位、数据区和工作计数器等7个部分。报文中的命令一般是8位,
用来表示报文寻址方式和读写操作;索引就是帧编码;从站通信地址是地址去中
的32位二进制码;标志位M是后续报文的表示,如果Ether CAT数据帧有多个子
报文,除最后一个子报文的标志位外,其他子报文的标志位都需要被职位;子报
文数据属于用户自定义部分,长度一般是1486个byte

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 楼主 | 2019-8-21 16:26 | 显示全部楼层
    若要判断子报文被从站读取或插入的次数,需要用到工作计数器W KC,进而
可以判断子报文是否被正确的处理。W KC计数原理见表,操作模式分为仅读操作,
仅写操作及读写操作。仅读或者仅写操作,成功W KC计数加1,失败计数不变;
读写操作,失败计数不变,读成功加1,写成功加2,都成功则累加得3 o Ether CAT
从站通常有多个,每个从站根据自身读写情况及处理情况对W KC计数进行处理,
多个从站之间为累加关系。W KC计数计算原理见表2-3 0


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 楼主 | 2019-8-21 16:27 | 显示全部楼层
    Ether CAT主站与从站之间的通信依靠Ether CAT数据帧来实现。主站发送
Ether CAT数据帧,根据数据帧的不同寻址方式,从站会有不同的响应,就能实现
不同的通信服务,通过寻址方法,从站会改变内部存储。Ether CAT网络寻址方式
见图2-4 0
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 楼主 | 2019-8-21 16:27 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-8-21 16:28 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-8-21 16:28 | 显示全部楼层
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