EtherCAT - 以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線
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3.9.1 EtherCAT實(shí)現(xiàn)CANopen (CoE)
CANopen設(shè)備和應(yīng)用行規(guī)廣泛用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用，如I/O組件、驅(qū)動(dòng)、編碼器、比例閥、液壓控制器，以及用于塑料或紡織行業(yè)的應(yīng)用行規(guī)等。EtherCAT可以提供與CANopen機(jī)制[7]相同的通訊機(jī)制，包括對(duì)象字典、PDO（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象），甚至于網(wǎng)絡(luò)管理。因此，在已經(jīng)安裝了CANopen的設(shè)備中，僅需稍加變動(dòng)即可輕松實(shí)現(xiàn)EtherCAT，絕大部分的CANopen固件都得以重復(fù)利用。并且，可以選擇性地?cái)U(kuò)展對(duì)象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。
3.9.2 EtherCAT實(shí)施伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備行規(guī)IEC 61491 (SoE)
SERCOS interfaceTM* 是全球公認(rèn)的、用于高性能實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的通訊接口，尤其適用于運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用場(chǎng)合。用于伺服驅(qū)動(dòng)和通訊技術(shù)的SERCOS框架屬于IEC 61491標(biāo)準(zhǔn)[8] 的范疇。該伺服驅(qū)動(dòng)框架可以輕松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驅(qū)動(dòng)中的服務(wù)通道、全部參數(shù)存取以及功能都基于EtherCAT郵箱（參見圖10）。在此，關(guān)注焦點(diǎn)還是EtherCAT與現(xiàn)有協(xié)議的兼容性（IDN的存取值、屬性、名稱、單位等），以及與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度限制相關(guān)的擴(kuò)展性。過(guò)程數(shù)據(jù)，即形式為AT和MDT的SERCOS數(shù)據(jù)，都使用EtherCAT從站控制器機(jī)制進(jìn)行傳送，其映射與SERCOS映射相似。并且，EtherCAT從站的設(shè)備狀態(tài)也可以非常容易地映射為SERCOS協(xié)議狀態(tài)。
圖10: 同時(shí)并存的多個(gè)設(shè)備行規(guī)和協(xié)議
EtherCAT技術(shù)不僅完全兼容以太網(wǎng)，而且在“設(shè)計(jì)”之初就具備良好的開放性特征——該協(xié)議可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議，通?？蓪⑵湫阅軗p失降到最小。對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)備類型沒有限制，設(shè)備可通過(guò)交換機(jī)端口在EtherCAT段內(nèi)進(jìn)行連接。以太網(wǎng)幀通過(guò)EtherCAT協(xié)議開通隧道，這也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特網(wǎng)應(yīng)用所普遍采取的方法。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)對(duì)以太網(wǎng)設(shè)備而言是完全透明的，其實(shí)時(shí)特性也不會(huì)發(fā)生畸變（參見圖11）。
圖11: 對(duì)所有以太網(wǎng)協(xié)議完全透明
3.11 EtherCAT實(shí)現(xiàn)文件讀取(FoE)
這種簡(jiǎn)單的協(xié)議與TFTP類似，允許存取設(shè)備中的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，無(wú)論設(shè)備是否支持TCP/IP，都有可能將標(biāo)準(zhǔn)化固件上載到設(shè)備上。
4. 基礎(chǔ)設(shè)施成本
由于EtherCAT無(wú)需集線器和交換機(jī)，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費(fèi)用等設(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，使用增強(qiáng)密封保護(hù)等級(jí)的連接器。
5. EtherCAT 實(shí)施
EtherCAT技術(shù)是面向經(jīng)濟(jì)的設(shè)備而開發(fā)的，如I/O 端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀。這些幀由主站設(shè)備發(fā)送，從站設(shè)備只是在以太網(wǎng)幀經(jīng)過(guò)其所在位置時(shí)才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)。同樣，EtherCAT在從站控制器中使用專用芯片，這也是其在從站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)——無(wú)論本地處理能力是否強(qiáng)大或軟件品質(zhì)好壞與否，專用芯片均可在硬件中處理過(guò)程數(shù)據(jù)協(xié)議，并提供最佳實(shí)時(shí)性能。
5.1 >主站
EtherCAT可以在單個(gè)以太網(wǎng)幀中最多實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過(guò)程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)處理、發(fā)送和接收幀。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于，在通常情況下，每周期僅需要一個(gè)或兩個(gè)幀即可完成所有節(jié)點(diǎn)的全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會(huì)給主機(jī)CPU帶來(lái)任何負(fù)擔(dān)，輕松處理這些任務(wù)的同時(shí)，還可以處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT 無(wú)需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無(wú)源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站很容易實(shí)現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)合。
例如，如果某個(gè)單個(gè)過(guò)程映像的PLC沒有超過(guò)1486 字節(jié)，那么在其周期時(shí)間內(nèi)循環(huán)發(fā)送這個(gè)以太網(wǎng)幀就足夠了。因?yàn)閳?bào)文頭運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生變化，所以只需將常數(shù)報(bào)文頭插入到過(guò)程映像中，并將結(jié)果傳送到以太網(wǎng)控制器即可。
EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生，而是在從站產(chǎn)生（外圍設(shè)備將數(shù)據(jù)插入所經(jīng)以太網(wǎng)幀的相應(yīng)位置），因此，此時(shí)過(guò)程映像已經(jīng)完成排序。該特性進(jìn)一步減輕了主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)?？梢钥吹?，EtherCAT主站完全在主機(jī)CPU中采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，相比之下，傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通過(guò)有源插接卡方可實(shí)現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務(wù)于DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機(jī)資源。
系統(tǒng)配置工具（通過(guò)生產(chǎn)商獲?。┛商峁┌ㄏ鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn) XML 格式啟動(dòng)順序在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)。
圖12: 主站實(shí)施的單個(gè)過(guò)程映像
可通過(guò)生產(chǎn)商獲取主站代碼、實(shí)現(xiàn)服務(wù)和技術(shù)支持，可用于多種硬件平臺(tái)與操作系統(tǒng)?？傻顷慐therCAT網(wǎng)站[1]，了解該方面信息。EtherCAT網(wǎng)站還提供開放的源代碼實(shí)現(xiàn)方式和相應(yīng)的RTOS開放源代碼。
5.1.2 主站樣本代碼
另一種EtherCAT主站的實(shí)現(xiàn)方式是使用樣本代碼，花費(fèi)不高。軟件以源代碼形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至還包括EoE（EtherCAT實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)）功能。開發(fā)人員只要把這些應(yīng)用于Windows環(huán)境的代碼與目標(biāo)硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。該軟件代碼已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)。
評(píng)論