ETHERCAT转体贴_第一集：ETHERCAT介绍

2020-4-10 20:55

ETHERCAT转体贴_第一集：ETHERCAT介绍
以太网用在工业通信中遇到了什么问题呢？

首先工业通信的要求是：

低延时
高响应
高可靠

2020-4-10 20:56

例如：如果通过传统的以太网协议要做实时数据的监控（1ms），主站发出的数据会被路由到每一个子站，子站再发数据回给主站。无论是子站还是主站都在不停的发数据和接受数据。

2020-4-10 20:57

2020-4-10 20:57

而工业通信还有一个特点，就是本身数据量不大（不是视频或下载），大部分都是开关量和模拟量。如果用以太网，则都要根据OSI模型一层一层加协议。就好比每个人上班都是要单独开一辆车一样。

2020-4-10 20:58

所以想解决不迟到，只有两种方法：

修更宽的路（增加带宽）
大家都做公共交通（改变协议）
修更宽的路需要花更多的钱（整个网络硬件升级，整个网络速度遵循木桶原则）

而是EtherCAT就是火车

EtherCAT使用相同的物理和数据链路层。EtherCAT中，主站发送数据，整个网络可能只有一个数据帧依次将通过每个节点（像火车一样）。

2020-4-10 21:01

2020-4-10 21:01

EtherCAT数据帧像地铁一样

EtherCAT网络不需要交换机。每个EtherCAT设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口，另一个是发送端口，发送给另一个设备。

实时性是EtherCAT的主要优势，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30 kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。

虽然子站设备添加数据过程到数据帧过程中仍有一点延迟，但EtherCAT的单一数据流大大提高了带宽利用率。这个优点也可能是一个缺点。因为许多子站设备可能无法适应这种高速，使得EtherCAT网络可能需要放慢速度以适应这些设备。

EtherCAT还使用分布式时钟系统。当EtherCAT的数据帧通过每个节点时，节点向其数据添加“已接收消息”时间戳。每个节点在收到消息时添加时间戳，然后在返回主站的路上，当数据帧移回节点时，每个节点再次附加一个时间戳。

2020-4-10 21:02

这个是倍福的吧？

2020-4-10 21:03

然后，主节点对每个节点都有准确的计算，因为时间戳数据是在每次数据帧传输时计算的。

借助EtherCAT固有环形拓扑，由于分布式时钟机制确保了每次准确的数据传输，这是EtherCAT的优势之一。

另一个优点是网络拓扑的形式。许多不同的网络拓扑可以在EtherCAT网络中使用。因为它使用以全双工（双向轨道），当检测到端头时，数据帧将自动从子站返主站。这使得EtherCAT的网络拓扑结构很灵活。

2020-4-10 21:03

考虑到EtherCAT所固有环技术，在环形拓扑中连接的网络将形成冗余结构。因为它本身就是一个环形。

EtherCAT与标准以太网相比具有很大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低，和低实施成本。

通过上面的介绍是不是感觉到EtherCAT设计的很巧妙，因为它真的就像火车一样。

2020-4-10 21:04

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。

EtherCAT可以支持线形、树形和星形设备连接拓扑结构，物理介质可以选100Base-TX标准以太网电缆或光缆。使用100Base-TX电缆时站间间距可以达到100m。整个网络最多可以连接65535个设备。使用快速以太网全双工通信技术构成主从式的环形结构。

报文通过从站设备时，从站识别出相关的命令并作出相应的处理。完全由硬件完成信息的处理，延迟时间约为100~500ns(取决于物理层器件)，其通信性能和从站设备控制微处理器的响应时间是相互独立的。每个从站设备都具有可编址的内存，其容量最大可为64KB，能够对其进行连续的或同步的读写操作。可以把多个EtherCAT命令数据嵌入到同一个以太网数据帧中，每个数据对应不同的设备或内存区。

从站设备可以构成多种形式的分支结构，独立的设备分支可以放置于控制柜中或机器模块中，再用主线连接这些分支结构。 EtherCAT大大提高了现场总线的性能，例如，控制1000个开关量输入和输出的刷新时间约为30μs。单个以太网数据帧最多可容纳1486字节的数据，相当于12000位开关量数字输入和输出，刷新时间约为300μs。控制100个伺服电机的数据通信周期约为100μs。

EtherCAT使用一个专门的以太网数据帧类型定义，用以传输以太网数据帧的EtherCAT数据包，也可以使用UDP/IP协议格式传输EtherCAT数据包。一个 EtherCAT数据包可以由多个EtherCAT子报文组成。EtherCAT从站不处理非 EtherCAT数据帧，其他类型的以太网应用数据可以分段打包为EtherCAT数据子报文在网段内透明传输，以实现相应的通信服务。

2020-4-10 21:04

运行原理
实时工业以太网EtherCAT充分利用了以太网技术的全双工传输特性。使用主从模式进行访问控制，主站把数据帧发送给各个从站，每个从站从数据帧中读取自己的数据或把需要输入的数据插入数据帧中。

从以太网的角度来看，一个EtherCAT网段就是一个以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧。但是，这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及响应的微处理器，它可以由多个EtherCAT从站组成。这些从站可以直接处理接收的报文，并从报文中提取或者插入相关的用户数据，然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文，并由第一个从站作为响应报文将其发送给控制单元。

EtherCAT通信是由主站发起的，主站发出的数据帧传输到一个从站站点时，从站将解析数据帧，每个从站从对应报文中读取输出数据，并将输入数据嵌入到子报文中，同时修改工作计数器WKC的值，以标识从站己处理该报文。网段末端的从站处理完报文后，将报文转发回主站，主站捕获返回的报文并对其进行处理，完成一次通讯过程。一个通讯周期过程中，报文传输延时大概为几个纳秒，克服了传统以太网先对数据包进行解析，再复制成过程数据而造成通讯效率低的缺陷。

2020-4-10 21:05

2020-4-10 21:06

制器厂商在Windows上开发的非实时应用程序和客户图形界面可以继续保留在Windows系统下，而EtherCAT主站、运动控制算法等实时应用需要运行在Linux RT Preempt实时环境中。图1中同样可以看出，Windows操作系统和实时Linux系统被隔离在不同的CPU核和不同的内存空间中，两个操作系统相互独立，并分别独立控制被分配给其的硬件。隔离带来的好处显而易见，如同我们现在通过隔离截断冠状病毒的传播，两个系统的隔离可以在一个系统出现异常时，比如Windows被某个应用阻塞或者蓝屏，而实时Linux下的应用程序将继续正常运行而不受Windows状态的影响。
Windows实时扩展的另外一个重要组成部分即图1中的Hypervisor部分。如同N95口罩和普通外科口罩的防护效果，acontis公司自主开发的Hypervisor保证了Windows和实时Linux更好的隔离效果。Hypervisor还包括了硬件抽象层HAL以及网络通信函数库。Windows和实时Linux通过共享内存和Event方式进行数据交换，或者调用网络通信函数库提供的API构建虚拟网络驱动，在Windows和实时Linux直接搭建虚拟网络进行通信。
上面介绍的Windows实时扩展使用Linux RT Preempt作为实时环境，因此这个解决方案被命名为LxWIN。LxWIN包含了已经做过实时性能优化的实时Linux系统，使用Visual Studio作为应用开发IDE，以及图形化配置界面，如图2所示。即使缺乏Linux经验的用户，也可以在较短的时间内开发标准的EtherCAT应用。

2020-4-10 21:07

2020-4-10 21:08

如果用户目标产品固定且不需要第三方软件，但需要加快EtherCAT网络循环周期，通过快速数据更新提高精度，我们建议选择Ontime RTOS-32系统作为实时环境。EC-WIN即是包括了RTOS-32实时系统和EtherCAT主站的完整解决方案。RTOS-32是一款精简的实时操作系统，在I3 CPU的工控机上，我们可以相对轻松的把EtherCAT主站循环周期调高到50微秒。RTOS-32稳定性高，增加负载对系统抖动没有特别明显的影响。此外，EC-WIN拥有远高于其他方案的性价比，一直是深受我们团队喜爱且大力推荐的Windows实时扩展和包括EtherCAT主站的完整解决方案。

2020-4-10 21:08

倍福的控制器吧！或许应该是倍福发明的

2020-4-10 21:09

wangjiahao88 发表于 2020-4-10 21:08
倍福的控制器吧！或许应该是倍福发明的

TI DSP 也有这方面的应用的哦！

2020-4-10 21:12

EtherCAT技术问答：
来源于 ethercat 协会网站

请予以参考哦！

2020-4-10 21:13

1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？
卓越的现场总线性能决不会有坏处。即使对于慢速控制，使用EtherCAT也可以改善响应时间并简化配置工作，因为缺省配置就可以满足要求。此外，更短的响应时间可以改善您应用的性能，因为这缩减了传输等待时间（如，在下一个处理被初始化前对输入信号的等待时间）。如果您对性能要求并不苛刻，也可以因为EtherCAT的其它优势而选用它，比如，成本更低，更加灵活的拓扑结构，或者仅仅是使用方便。总而言之，您采用EtherCAT，就无需采用昂贵慢速的系统了。

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