什么是EtherCAT？

介绍

简介

EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一种高性能实时以太网通信协议，用于在工业自动化领域中进行实时控制和通信。它是由德国Beckhoff自动化公司在2003年开发的，并被国际电工委员会（IEC）标准化为IEC 61158标准。

EtherCAT的设计目标是实现极低的通信延迟和高带宽的数据传输，以满足高速控制和数据采集的需求。它通过一种特殊的主从架构实现，其中一个主站（Master）负责协调整个网络，而从站（Slave）则负责提供输入输出功能。

特点和优势

• 实时性能：EtherCAT具有非常低的通信延迟，通常在微秒级别，这使得它适用于对实时性要求较高的应用，如高速运动控制和精密定位系统。
• 高带宽：EtherCAT支持高达100Mbps的数据传输速度，能够满足大量实时数据和控制信息的传输需求。
• 灵活性：EtherCAT支持灵活的拓扑结构，可以适应各种网络配置，包括星形、总线型、树型等。它还支持热插拔设备和自动配置，简化了网络的部署和维护。
• 易于集成：EtherCAT可以与现有的以太网基础设施兼容，因此可以与其他以太网设备进行无缝集成。此外，EtherCAT还提供了各种接口和开发工具，使得开发人员能够轻松地实现EtherCAT的应用。
• 开放标准：EtherCAT是一个开放的标准，遵循国际电工委员会（IEC）的标准化规范，因此可以被各个厂商和组织广泛采用和支持。

EtherCAT已经在工业自动化领域得到广泛应用，包括机器人控制、工业自动化设备、测试和测量系统等。它的高性能和可靠性使得它成为一种理想的通信协议，用于实现实时控制和数据传输。

EtherCAT系统组成

EtherCAT由一个主站设备和多个从站设备组成。主站设备使用标准的以太网控制器，具有良好的兼容性，任何具有网络接口卡的计算机和具有以太网控制的嵌入式设备都可以作为EtherCAT的主站。对于PC计算机而言，主站控制器多采用倍福开发的TwinCAT软件。EtherCAT从站使用专门的从站控制器（ESC），如专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件，如传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆。

在EtherCAT网络中，主站和从站之间的通信是实时的、高效的和可靠的。主站通过广播方式将命令和控制数据传输到所有的从站，从站接收到相应的数据后进行处理并发送响应。这种并行处理的方式使得EtherCAT能够实现低延迟和高带宽的数据交换，适用于对实时性要求较高的工业自动化应用。

主站

主站（Master）：主站是EtherCAT网络中的中央控制单元，负责协调整个网络的操作和通信。主站通过发送命令和控制数据来控制和监视从站的行为。主站还负责在网络中进行同步和时序控制，确保从站按照预定的时间表执行任务。主站通常由一台计算机、PLC（可编程逻辑控制器）或专用的EtherCAT主站控制器实现。 主站的主要功能包括：

• 网络管理：主站负责网络配置和管理，包括从站的添加和删除、参数设置和诊断等。
• 数据交换：主站向从站发送命令和控制数据，接收从站的反馈和状态信息，实现数据交换和通信。
• 同步控制：主站通过发送同步信号确保网络中的从站按照统一的时间基准执行任务，实现精确的同步控制。

从站

从站（Slave）：从站是EtherCAT网络中的被控制设备或模块，负责提供输入输出功能和执行主站的命令。从站可以是各种工业自动化设备，如传感器、执行器、驱动器等。从站接收主站发送的命令和控制数据，并根据指令执行相应的操作。从站还将采集的数据和状态信息反馈给主站。 从站的主要功能包括：

• 数据交换：从站接收主站发送的命令和控制数据，并将采集的数据和状态信息发送回主站。
• 响应控制：从站根据主站的命令执行相应的操作，如控制执行器的运动、读取传感器数据等。
• 状态反馈：从站向主站报告设备的状态和异常信息，以供主站进行诊断和监控。

硬件

EtherCAT从站常使用ESC+MCU结构，如下图:

EtherCAT主站芯片

EtherCAT主站芯片是用于构建EtherCAT网络中主站（Master）功能的集成电路。它们提供了实时通信和控制所需的硬件和软件支持，使得开发人员能够轻松实现EtherCAT通信并控制从站（Slave）设备。 以下是几个常见的EtherCAT主站芯片：

• Beckhoff ET1100系列：Beckhoff自家开发的EtherCAT主站芯片。它具有高性能和可靠性，支持高速EtherCAT通信，可用于实现实时控制和数据传输。
• Renesas R-IN32系列：Renesas电子公司推出的EtherCAT主站芯片。这些芯片集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT通信控制器，具有强大的处理能力和丰富的接口选项。
• TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一种综合型芯片，集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT主站功能。它们适用于嵌入式控制器和工业自动化应用，提供了灵活性和可编程性。
• Intel Cyclone系列：Cyclone系列FPGA芯片由Intel提供，可以用于实现EtherCAT主站功能。这些芯片具有可编程性，可以根据应用需求进行定制和优化。

EtherCAT从站芯片

从站芯片是用于构建EtherCAT网络中从站（Slave）设备功能的集成电路。它们提供了实时通信和控制所需的硬件和软件支持，使得开发人员能够轻松实现从站设备的EtherCAT通信和响应主站的指令。

以下是几个常见的EtherCAT从站芯片：

• Beckhoff ET1200系列：Beckhoff自家开发的EtherCAT从站芯片。它提供了高性能的EtherCAT通信功能，可用于实现从站设备与EtherCAT网络的连接和通信。
• 亚信ASIX AX58100：AX58100是一款2/3端口EtherCAT从站控制器(ESC)，集成两个支持100Mbps全双工操作与HP Auto-MDIX功能的快速以太网PHY。
• Renesas R-IN32M系列：Renesas电子公司推出的高性能EtherCAT从站芯片。它们支持多种接口和功能，适用于各种工业自动化设备的EtherCAT通信需求。
• TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一种综合型芯片，集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT从站功能。它们适用于嵌入式控制器和工业自动化应用，具有灵活性和可编程性。
• 硬件FPGA：除了专门的从站芯片，一些开发人员也选择使用FPGA（现场可编程门阵列）来实现EtherCAT从站功能。使用FPGA可以灵活定制从站的功能和接口，适应各种应用需求。

EtherCAT应用层协议

EtherCAT的应用层直接面向应用任务，它定义了应用程序与网络连接的接口，为应用程序访问网络提供手段和服务。通过对常用协议进行简单修改，与EtherCAT通讯协议相兼容，从而可得EtherCAT多种应用层协议，主要包括：EoE、CoE，SoE以及FoE等。

EtherCAT协议本身具有良好的同步特性和数据传输速度，非常适用于伺服系统的控制，其中CoE与SoE可实现交流伺服驱动器控制的应用层。CoE是在CANopen协议基础上，对协议进行了一些补充。CoE完全遵从CANopen的应用行规，其中CiA402行规用于伺服和运动控制。SERCOS是一种高性能数字伺服实时通信接口协议，包含多种通信技术和设备行规。SoE是指在EtherCAT协议下运行SERCOS协议规定的伺服控制行规，使用EtherCAT协议操作SERCOS行规定义的伺服参数和控制数据。