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2023-06-30
EtherCAT系统结构分析
【摘要】：EtherCAT系统适合小数据量通信，系统实施成本低，在I／O级可以方便地实现与Internet的通信。EtherCAT采用主／从式构架。EtherCAT主设备由带有两个以太网端口的实时控制器构成。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文。形象地描述EtherCAT应用系统中数据传输的过程。设想以太网的数据帧就像行驶中的火车，EtherCAT报文是每节火车车厢，需要传输和处理的数据是车厢内的乘客，数据可以被提取出来或插入到合适的从设备中。
EtherCAT系统适合小数据量通信，系统实施成本低，在I／O级可以方便地实现与Internet的通信。使用EtherCAT技术，不需要接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到设备上去。EtherCAT采用主／从式构架。EtherCAT主设备由带有两个以太网端口的实时控制器构成。
采用主／从式构架的EtherCAT网络如图9-19所示。
图9-19 EtherCAT采用主／从式构架
EtherCAT从站设备在报文经过该节点时，读取相应的编址数据，在报文经过设备节点时，将输入数据插入报文中。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文。从站之间的数据可以用广播方式和多播方式传输。
形象地描述EtherCAT应用系统中数据传输的过程。设想以太网的数据帧就像行驶中的火车，EtherCAT报文是每节火车车厢，需要传输和处理的数据是车厢内的乘客，数据可以被提取出来或插入到合适的从设备中。这辆动态的火车不停止地经过穿越所有从设备，在末端从设备处返回反向重新穿越所有从设备，如图9-20所示。
图9-20 EtherCAT数据传输
当第1台从设备收到主设备发出的以太网数据包后，自动开始将数据包发送到第2台从设备，这个处理过程对数据包的读写延迟仅为数纳秒。假设有K台从设备，对于非EtherCAT的网络，需要发送50个不同的数据包；而对于EtherCAT，只需发送一个的数据包，这个数据包包含所有从设备的数据。如果所有从设备需要接收相同的数据，那么只需要发送一个短数据包，所有从设备接收数据包的同一部分便可获得该数据，从而优化了数据传输速度及带宽。
在EtherCAT网络的主从式结构中，主站PC直接采用以太网网卡，如100Base-TX以太网网卡，可用专用模块作为从站。系统控制周期由主站发起，主站送发出下行电报，电报的最大数据量为1498B。下行电报依次通过所有的从站设备，从站对经过的数据帧进行分析，根据报文头中的命令读取数据或将要送出的数据写入到报文中。数据帧访问到网段上逻辑链路最后一个从站，该从站将经过处理的数据帧作为上行电报再发送给主站。主站收到这样一个上行电报后，处理返回数据，在网段上分布有从站设备的逻辑链路上所有从站和主站之间的一次通信过程结束。数据的传输采用移位同步的方法进行，即在网络的从设备中得到其相应地址数据的同时，数据帧可以传送到下一个从设备，相当于数据帧通过一个从设备时输出相应的数据后，马上转入下一个从设备。在网段的最后一个从设备节点处结束了整个数据传输的工作，形成了一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的协议相兼容，同时采用双工传输，提高了传输的效率。
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