基于S3C2440的Ethercat實時工業(yè)以太網(wǎng)

1 引言
工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率、資源共享能力強以及易于Internet連接等特點[1]，使其在工業(yè)中應(yīng)用越來越多。Ethercat技術(shù)是德國BECKHOFF公司提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標準的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置簡單，具有高速、有效數(shù)據(jù)率高等特點，全雙工特性完全得以利用[2]。
2 Ethercat技術(shù)介紹
2.1 Ethercat的系統(tǒng)組成及運行原理

Ethercat采用了主從介質(zhì)訪問方式，在基于Ethercat的通信系統(tǒng)中，主站控制從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過從站時讀取相應(yīng)報文中的輸出數(shù)據(jù)。同時，從站的輸入數(shù)據(jù)插入到同一數(shù)據(jù)幀的相關(guān)報文中。當該數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站并與從站進行數(shù)據(jù)交換后，由Ethecat系統(tǒng)中末端從站將數(shù)據(jù)幀返回[3]。圖1由一個主站和3個從站組成的線性拓撲結(jié)構(gòu)的簡單Ethercat系統(tǒng)。
2.2 Ethercat協(xié)議
Ethercat以標準以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在MAC(媒體訪問層)增加了一個確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。Ethercat采用標準的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2。Ethercat在標準以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個Ethercat幀中可以包含若干個Ethercat子報文，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，由FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)寄存器和SM (SyncManager)寄存器定義，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。Ethercat報文由一個16位的WKC(Working Count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨立于物理順序，因此可以對Ethercat從站進行任意的編址[4]。

圖2 Ethercat幀結(jié)構(gòu)

2.3 Ethercat性能
Ethercat整個協(xié)議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個伺服軸的通訊只需100μs[5]。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1μs [6]。
3 基于ARM的從站節(jié)點控制器的硬件設(shè)計
Ethercat從站節(jié)點的協(xié)議部分可以直接利用BECKHOFF公司的從站控制器ESC。ESC從站控制器提供3種接口規(guī)范如表1，具體采用哪一種方式可以設(shè)置控制器的EEPROM來選擇。
表1 接口規(guī)范