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。......
2023-08-29
EtherCAT系统组成及应用技术
【摘要】：EtherCAT是一种实时工业以太网技术，充分利用了以太网的全双工特性。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。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。从站控制微处理器微处理器负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。EtherCAT从站的数据帧处理机制允许在EtherCAT网段内的任一位置使用分支结构，同时不打破逻辑环路。
EtherCAT是一种实时工业以太网技术，充分利用了以太网的全双工特性。它使用主从模式介质访问控制（Media Access Control，MAC），主站发送以太网帧给主从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。主站使用标准的以太网接口卡，从站使用专门的Eth-erCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。
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/IEC 8802-3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相应的微处理器，它可由多个EtherCAT从站组成，EtherCAT系统运行如图10-2所示，这些从站可以直接处理接收的报文，并从报文中提取或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。
1.EtherCAT主站组成
EtherCAT主站使用标准的以太网控制器，传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆，如图10-3所示。通信控制器完成以太网数据链路的介质访问控制（MAC）功能，物理层芯片PHY实现数据编码、译码和收发，它们之间通过一个MII（Media Independ-ent Interface）接口交互数据。MII是标准的以太网物理层接口，定义了与传输介质无关的标准电气和机械接口，使用这个接口将以太网数据链路层和物理层完全隔离开，使以太网可以方便地选用任何传输介质。隔离变压器实现信号的隔离，提高通信的可靠性。
在基于PC的主站中，通常使用网络接口卡NIC（Network Interface Card），其中的网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理数据收发器。而在嵌入式主站中，通信控制器通常嵌入到微处理器中。
图10-2 EtherCAT系统运行
图10-3 EtherCAT物理层连接原理图
2.EtherCAT从站组成
EtherCAT从站设备同时实现通信和控制应用两部分功能，其结构如图10-4所示，由以下四部分组成。
图10-4 EtherCAT从站组成
（1）EtherCAT从站控制器ESC(www.chuimin.cn)
EtherCAT从站通信控制器芯片ESC负责处理EtherCAT数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与从站本地应用的数据交换。各个从站ESC按照各自在环路上的物理位置顺序移位读写数据帧。在报文经过从站时，ESC从报文中提取发送给自己的输出命令数据并将其存储到内部存储区，输入数据从内部存储区又被写到相应的子报文中。数据的提取和插入都是由数据链路层硬件完成的。
ESC具有四个数据收发端口，每个端口都可以收发以太网数据帧。
ESC使用两种物理层接口模式：MII和EBUS。MII是标准的以太网物理层接口，使用外部物理层芯片，一个端口的传输延时约为500ns。EBUS是德国BECKHOFF公司使用LVDS（Low Voltage Differential Signaling）标准定义的数据传输标准，可以直接连接ESC芯片，不需要额外的物理层芯片，从而避免了物理层的附加传输延时，一个端口的传输延时约为100ns。EBUS最大传输距离为10m，适用于距离较近的I/O设备或伺服驱动器之间的连接。
（2）从站控制微处理器
微处理器负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从ESC读取控制数据，实现设备控制功能，并采样设备的反馈数据，写入ESC，由主站读取。通信过程完全由ESC处理，与设备控制微处理器响应时间无关。从站控制微处理器性能选择取决于设备控制任务，可以使用8位、16位的单片机及32位的高性能处理器。
（3）物理层器件
从站使用MII接口时，需要使用物理层芯片PHY和隔离变压器等标准以太网物理层器件。使用EBUS时不需要任何其他芯片。
（4）其他应用层器件
针对控制对象和任务需要，微处理器可以连接其他控制器件。
3.EtherCAT物理拓扑结构
在逻辑上，EtherCAT网段内从站设备的布置构成一个开口的环形总线。在开口的一端，主站设备直接或通过标准以太网交换机插入以太网数据帧，并在另一端接收经过处理的数据帧。所有的数据帧都被从第一个从站设备转发到后续的节点。最后一个从站设备将数据帧返回到主站。
EtherCAT从站的数据帧处理机制允许在EtherCAT网段内的任一位置使用分支结构，同时不打破逻辑环路。分支结构可以构成各种物理拓扑（如线形、树形、星形和菊花链形）以及各种拓扑结构的组合，从而使设备连接布线非常灵活方便。
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