基于芯片的EtherCAT优化了现场通信

学习目标

• 了解EtherCAT从控制器(ESC)是EtherCAT现场设备的基于芯片的解决方案。
• 数据交换在ESC中定义，并且需要配置设备来使用协议中内置的固有机制。
• EtherCAT使用未经修改的以太网帧，ESC可以帮助它们高效运行。

EtherCAT的核心是EtherCAT从控制器(ESC)的概念，它是EtherCAT现场设备中基于芯片的部分。该芯片可以是专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器甚至微控制器。ESC处理循环(进程)和非循环(邮箱)数据的读写，以及灵活的现场总线所需的其他后台任务。许多供应商提供许多ESC选项。

虽然EtherCAT网络控制器不需要特殊的硬件，但在现场总线设备级使用ESC芯片可以使应用程序受益。在现场设备中使用EtherCAT专用集成电路允许在芯片中完成处理。因此，网络性能独立于设备中微控制器的性能及其运行复杂软件堆栈的能力。实时协议处理嵌入在芯片中，现场设备不必管理典型的以太网连接。

在ESC中实现EtherCAT功能原理后，EtherCAT系统可以每30µs - 30百万分之一秒更新1000个分布式输入/输出(I/O)点。“动态数据交换”在ESC中定义，只需要配置一个设备来使用内置在协议和特定芯片中的固有机制。

ESC不需要IP栈

在典型的基于ip的以太网网络中，现场总线在现场级具有芯片接口是很常见的。这是CANopen, DeviceNet, SERCOS等的历史基础。在EtherCAT的情况下，它使现场设备不必提供足够的处理来处理基于IP的以太网通信—节省了处理器成本、占用空间、热量和功率，更不用说使用IP堆栈的复杂性了。

EtherCAT使用以太网的物理机制，而不必在现场级实现完整的七层开放系统互连(OSI)模型以太网堆栈。这简化了设备制造商的开发和EtherCAT的使用。但是，EtherCAT不是基于ip的协议。EtherCAT是一种使用标准IEEE 802.3以太网的现场总线，无需配置和驱动完整的以太网实现。

避免复杂性

来自所有EtherCAT芯片供应商的所有esc都以相同的方式运行。因此，与其他基于以太网的技术相比，设备开发人员和系统用户可以从更少的编程中获益。EtherCAT现场设备的功能是内置的。只需要配置即可。系统性能是可预测的，因为在周期时间中没有涉及具有未知定时行为的软件堆栈。

开发人员和用户以类似的方式利用EtherCAT设备，因为ESC提供了一个公共接口。这也简化了诊断，因为相同的诊断技术可以用于所有EtherCAT设备。因为EtherCAT只有一个版本，所以在现场使用设备和网络配置时不会随着时间的推移而改变。EtherCAT协议和esc的操作还允许简单地添加新设备，而不必担心对现有网络产生不利影响。

ESI、EtherCAT从属信息

EtherCAT设备有一个.xml文件，如CANopen中的EDS文件，DeviceNet和EtherNet/IP或Profibus和Profinet中的GSD文件。这个EtherCAT从属信息(ESI)文件包含配置和使用设备所需的数据。每个EtherCAT设备都附带一个ESI文件，该文件描述了设备的特性和功能。这意味着用户可以实现EtherCAT设备，而无需对设备或以太网的内部工作原理有深入的了解。

实现EtherCAT现场设备是简化的，不需要处理复杂的机制。重点是控制机器或过程，而不是配置和调优网络。ESI文件定义ESC如何使用本地I/O和高级处理器进行操作。现场设备配置是通过ESI文件的常见ESC行为完成的。

自动地址分配

ESC还掌握了EtherCAT自动地址分配所基于的智能“自动增量”命令。在启动时使用这个特性，控制器识别设备及其在网络中的物理位置，比较实际的网络配置和预期的网络配置，并分配地址。这是在后台进行的，这意味着不需要在每个节点上手动设置地址，也不需要像在其他网络中那样逐个“洗礼”每个节点。使用EtherCAT，由于ESC的特性，用户不必处理MAC或IP地址，配置子网掩码或任何其他与it相关的设置。

在运行中处理以太网，抖动

EtherCAT以一种独特而有效的方式使用标准的、未经修改的以太网帧。ESC处理这种复杂性。该方法也适用于来自3000多家EtherCAT设备制造商的所有设备实现。

EtherCAT技术突破了普通以太网技术的局限。通过ESC和EtherCAT技术，不需要发送和接收单独帧的以太网数据，解码数据，然后将过程数据复制到不同的设备。相反，EtherCAT字段设备在帧通过设备时读取数据。现场设备的输出数据在通过ESC时也写入帧。因为现场设备通过它们在全局进程映像中的位置找到数据，所以不需要在帧中携带设备地址。这意味着帧中没有“每个节点”的开销，并且进程数据通信变得最有效。此外，输入和输出数据使用相同的帧，甚至帧中的相同区域，这实际上使带宽增加了一倍。ESC中的数据读取/写入在几纳秒内完成。

通过ESC, EtherCAT使用标准的以太网全双工技术，并支持不同的拓扑结构，包括线形、树形、拖形和星形。它的物理层是100BaseTX双绞线、100BASE-FX光纤或低压差分信号(LVDS)。

一百个具有8字节I/O数据的伺服器可以每100µs更新一次。在此速率下，系统可以读取位置和状态，并发送新的命令值和控制数据。分布式时钟技术负责精确同步，并将抖动(在驱动器的情况下，循环同步误差)降低到低于1µs的值。

链路丢失检测和物理链路丢失时的行为

ESC的另一个方面是以一种有用的方式使用以太网固有的机制。以太网通信基于载波信号“链路”，以太网帧中的帧检查序列(FCS)是用于检测传输错误的循环冗余检查(CRC)。EtherCAT和ESC通过超越标准以太网芯片的能力，以一种非常有用的方式使用了这一点。ESC的每个端口都会统计链路丢失和FCS错误。这允许用户确定并精确定位发生的事件，即使是间歇性的。

间歇性错误一直是任何现场总线的难题。因为ESC可以计算每个端口上每次出现的问题，这有利于确定问题。不需要猜测或无意识地切换组件。到目前为止，大多数问题都是物理问题:布线、连接器或一些可以拉伸、拉伸和经常处理不当的东西。

由于所有esc都使用相同的基本机制，因此不必担心哪个供应商提供现场设备。它们都以同样的方式运作;不需要特殊的软件或故障排除工具。人们只需要了解EtherCAT和ESC如何操作以确定问题的根源并解决它。

同样的工具和技术可以用于所有设备。

从栈代码实现

SSC (slave stack code)实现了ESC之上的应用层，对网络性能没有影响。ESC对设备处理器的处理能力要求非常低。SSC带有免版税许可，并提供ASCI C处理:设备状态、PDO(循环)访问、SDO(无循环)访问和中断。这简化了EtherCAT设备的开发。

由于这些原因，ESC和SSC的组合在现场总线通信领域是独一无二的，并提供了独特的工具组合。

罗伯特·b·查斯克，体育老师他是美国食品和药物管理局的北美代表EtherCAT技术集团他是CFE媒体和技术内容合作伙伴。编辑克里斯Vavra，网络内容经理，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:EtherCAT;以太网

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