如何選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)標準：EtherCAT

在這一部分中，我將詳細介紹EtherCAT、它的終端應用，以及它的工作方式。

德國倍福自動化公司 (Beckoff Automation) 發(fā)明了EtherCAT。自從2003年以來，它一直處于EtherCAT技術(shù)組 (ETG) 框架之下，而EtherCAT技術(shù)組是一個由大約2600家成員公司組成的工業(yè)現(xiàn)場總線組織。

EtherCAT常見于工廠自動化、半導體工具、包裝機器人技術(shù)以及其它應用領域。我最喜歡的一個非工業(yè)應用示例就是迪斯尼內(nèi)的水舞水幕秀，其中由EtherCAT來控制燈光顯示。

在技術(shù)層面，EtherCAT是如圖1中顯示的主從網(wǎng)絡架構(gòu)。EtherCAT從器件具有2個以太網(wǎng)連接器，以支持一個簡單的線路拓撲。為了達到冗余的目的，也可以支持環(huán)形拓撲，在這個情況下，EtherCAT主器件必須要有2個以太網(wǎng)端口。一個EtherCAT網(wǎng)絡能夠支持多達65535個從器件。

圖1：具有EtherCAT數(shù)據(jù)幀流程的EtherCAT主從示例網(wǎng)絡

只有EtherCAT主器件生成一個EtherCAT數(shù)據(jù)幀；所有從器件接收和處理這個數(shù)據(jù)幀。最后一個從器件回送這個EtherCAT數(shù)據(jù)幀，而這個數(shù)據(jù)幀在經(jīng)歷所有從器件（無需進一步處理）后，返回到主器件。這個EtherCAT數(shù)據(jù)幀已經(jīng)為每個從器件的數(shù)據(jù)處理預留了空間，而所有的從器件都不會更改數(shù)據(jù)幀本身的長度。這有點兒像為乘客準備了多個車廂和座位的火車一樣，每個從器件都有一個指定的車廂或指定的座位。EtherCAT允許到“座位”層的尋址—而數(shù)據(jù)處理是在數(shù)據(jù)位上進行的。

一個EtherCAT主器件只需要一個標準以太網(wǎng)MAC外設，這是因為主器件在實時處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀方面沒有特定的需要。主器件只需要用準確的時基來觸發(fā)啟動EtherCAT數(shù)據(jù)幀。

一個EtherCAT從器件需要特定的以太網(wǎng)硬件 (EtherCAT MAC) 支持—通常的實現(xiàn)方式是圖2中所示的專門用途集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) –這是因為它需要處理在運行過程中進入的EtherCAT數(shù)據(jù)幀。這意味著EtherCAT MAC在進行數(shù)據(jù)幀接收的同時，要處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀。典型的EtherCAT器件在已接收和已發(fā)送數(shù)據(jù)幀之間具有1μs的端口到端口延遲。

圖2：具有一個ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT從器件

EtherCAT標準在EtherCAT網(wǎng)絡中不支持其它類型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。這主要是為了保持實時以太網(wǎng)通道的暢通，用于EtherCAT數(shù)據(jù)幀的處理。在EtherCAT網(wǎng)絡中有非EtherCAT數(shù)據(jù)幀（與EtherCAT不匹配的以太網(wǎng)類型）的情況下，EtherCAT從器件將通過使數(shù)據(jù)幀校驗和 (CRC) 無效來銷毀這個數(shù)據(jù)幀。這使得非EtherCAT數(shù)據(jù)幀在標準以太網(wǎng)器件中無法使用，而它們將最終停止“污染”EtherCAT網(wǎng)絡。

通過將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝在一個EtherCAT數(shù)據(jù)幀內(nèi)，可以在EtherCAT網(wǎng)絡中傳送標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP)，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 (UDP)）。這通過位于EtherCAT主機處理器協(xié)議棧頂端的不同EtherCAT系統(tǒng)配置完成。其中的一個示例系統(tǒng)配置就是用EtherCAT實現(xiàn)以太網(wǎng)。

EtherCAT器件的其它特性和功能包括：

分布時鐘—從器件和主器件上的高精度時間同步方法。

支持環(huán)回的快速鏈路斷開檢測（需要以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器支持）--當以太網(wǎng)PHY檢測到一個鏈路斷開時，它通知EtherCAT硬件。在10μs內(nèi)，EtherCAT硬件將環(huán)回EtherCAT數(shù)據(jù)幀。請查看TI的TLK1xx以太網(wǎng)PHY收發(fā)器系列，這個系列的器件支持快速鏈路斷開特性。

在EtherCAT中使用ASIC或FPGA會增加成本和電路板面積。一個替代的解決方案就是使用許多TI Sitara處理器中的PRU-ICSS外設。例如，TI提供針對AM335x處理器的PRU-ICSS固件，從而使EtherCAT從器件無需使用一個外部FPGA（圖3）。你可以用TMDSICE3359評估板來評估TI的EtherCAT從器件解決方案。

圖3：集成了TI Sitara處理器的EtherCAT從器件

審核編輯：郭婷