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1 引言
工業(yè)以太網(wǎng)由于低成本、易于組網(wǎng)和具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、資源共享能力強(qiáng)以及易于Internet連接等特點(diǎn)，以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。
2 Ethercat技術(shù)介紹
2.1 Ethercat的系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理
EtherCAT 是開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司（Beckhoff Automation GmbH） 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，它還符合甚至降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本。EtherCAT的特點(diǎn)還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議（SIL3）。通過采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過每一個(gè)設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時(shí)，EtherCAT從站控制器讀取對(duì)于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報(bào)文通過時(shí)插入至報(bào)文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時(shí)候，從站會(huì)識(shí)別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實(shí)現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個(gè)EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報(bào)文返回，這樣該報(bào)文就作為一個(gè)響應(yīng)報(bào)文由第一個(gè)從站返回到主站。
2.2 Ethercat協(xié)議
Ethercat主張“以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)” 。它是一個(gè)開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議（最惠國(guó)待遇系統(tǒng)局域網(wǎng)），在一個(gè)工業(yè)環(huán)境，特別是對(duì)工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機(jī)器人和其他裝備線上的技術(shù)。Ethercat采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802-3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2。Ethercat在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個(gè)特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個(gè)Ethercat幀中可以包含若干個(gè)Ethercat子報(bào)文，每個(gè)報(bào)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，由FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）寄存器和SM （SyncManager）寄存器定義，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。Ethercat報(bào)文由一個(gè)16位的WKC（Working Count）結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長(zhǎng)度可達(dá)1486個(gè)字節(jié)。在報(bào)文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對(duì)從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因此可以對(duì)Ethercat從站進(jìn)行任意的編址。
圖2 Ethercat幀結(jié)構(gòu)
2.3 Ethercat性能
Ethercat整個(gè)協(xié)議處理過程都在硬件中進(jìn)行。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs［5］。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。
