1. 引言

現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)的集成組件，通過大量的實(shí)踐試驗(yàn)和測試，如今已獲得廣泛應(yīng)用。正是由于現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，才使基于PC的控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。然而，雖然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。急需技術(shù)革新的另一個因素則是由于傳統(tǒng)的解決方案并不十分理想。傳統(tǒng)的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統(tǒng)所組成（周期系統(tǒng)）：即實(shí)際控制任務(wù)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)中的本地?cái)U(kuò)展總線或外圍設(shè)備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3-5倍。 在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實(shí)時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟(jì)。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù) （參見圖1）。

圖1: 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)響應(yīng)時間
在現(xiàn)場總線系統(tǒng)之上的層面（即網(wǎng)絡(luò)控制器）中，以太網(wǎng)往往在某種程度上代表著技術(shù)發(fā)展的水平。該方面目前較新的技術(shù)是驅(qū)動或I/O級的應(yīng)用，即過去普遍采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的這些領(lǐng)域。這些應(yīng)用類型要求系統(tǒng)具備良好的實(shí)時能力、適應(yīng)小數(shù)據(jù)量通訊，并且價格經(jīng)濟(jì)。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)。

1.1 以太網(wǎng)和實(shí)時能力

目前，有許多方案力求實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時能力。例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機(jī)精確控制時間的方式來分配以太網(wǎng)包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實(shí)現(xiàn)方式。 如果將單個以太網(wǎng) 幀用于每個設(shè)備，那么，理論上講，其可用數(shù)據(jù)率非常低。例如，最短的以太網(wǎng)幀為84字節(jié)（包括內(nèi)部的包間隔IPG）。如果一個驅(qū)動器周期性地發(fā)送4字節(jié)的實(shí)際值和狀態(tài)信息，并相應(yīng)地同時接收4字節(jié)的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負(fù)荷為100%（即：無限小的驅(qū)動響應(yīng)時間)時，其可用數(shù)據(jù)率也只能達(dá)到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均響應(yīng)時間估計(jì)，則速率將下降到1.9%。對所有發(fā)送以太網(wǎng) 幀到每個設(shè)備(或期望幀來自每個設(shè)備)的實(shí)時以太網(wǎng)方式而言，都存在這些限制，但以太網(wǎng)幀內(nèi)部所使用的協(xié)議則是例外。

2. EtherCAT 運(yùn)行原理

EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項(xiàng)技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點(diǎn)時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中（參見圖2）。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。


圖2: 過程數(shù)據(jù)插入至報文中
由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。100 Mb/s TX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可 大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）（參見圖3）。

圖3: 帶寬利用率的比較
符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個設(shè)備。耦合設(shè)備中的物理層可以將雙絞線或光纖轉(zhuǎn)換為LVDS（一種可供選擇的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)[4，5]），以滿足電子端子塊等模塊化設(shè)備的需求。這樣，就可以非常經(jīng)濟(jì)地對模塊化設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展了。之后，便可以如普通以太網(wǎng)一樣，隨時進(jìn)行從底板物理層LVDS到100 Mb/s TX物理層的轉(zhuǎn)換。

3. EtherCAT 技術(shù)特征

3.1 協(xié)議

EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT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，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。 然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文（參見圖4），這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實(shí)時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。

圖4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的標(biāo)準(zhǔn)幀
另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠(yuǎn)程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。

從站到從站的通訊則有兩種機(jī)制以供選擇。一種機(jī)制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)通訊，速度非常快。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機(jī)制—數(shù)據(jù)通過主站進(jìn)行中繼。這種機(jī)制需要兩個周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費(fèi)的時間。

按照文獻(xiàn)[3]所述，EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT 以太網(wǎng)幀可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具（如：監(jiān)視器）。

3.2 拓?fù)?

EtherCAT幾乎支持任何拓?fù)漕愋停ň€型、樹型、星型等（參見圖5）。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機(jī)或集線器的數(shù)量。

圖5: 靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線型、樹型或星型拓?fù)?