EtherCAT和Ethernet的不同點有哪些, 通信周期又是什么意思?

小伙伴們，我們又來了。上期大概介紹了EtherCAT的一些特性，本期我們將會更詳細的介紹一下EtherCAT的實現(xiàn)方式，通信周期的意義到底是什么、SDO和PDO到底是什么等概念。

首先要聲明，盡管本期介紹略微深入，實際上小伙伴使用正運動控制器的時候是非常簡單的，你完全可以不了解下面的概念就可以充分利用正運動在總線上的多種優(yōu)勢，這篇文章是為感興趣，想了解更多的小伙伴寫的。只有了解更多，才能解決復(fù)雜問題哦。

ZMC408CE | 實現(xiàn)“8通道獨立PSO”應(yīng)用場景

說到EtherCAT總線控制器，這里為大家介紹一款正運動技術(shù)推出的高性能EtherCAT總線運動控制器ZMC408CE。

ZMC408CE核心技術(shù)采用了先進的FPGA技術(shù)，實現(xiàn)硬件位置比較輸出、精準(zhǔn)輸出功能，保證連續(xù)軌跡加工的出色性能和穩(wěn)定性，以及動態(tài)數(shù)據(jù)捕獲的實時性，從而實現(xiàn)更加精準(zhǔn)控制和提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

ZMC408CE支持EtherCAT+脈沖軸混合插補，可脫機或聯(lián)機運行，軸數(shù)8-32軸可選，支持ZDevelop+多種高級上位機混合編程，可以實現(xiàn)點位運動、電子凸輪、直線插補、圓弧插補、連續(xù)軌跡加工和30+種機器人模型的控制。

ZMC408CE產(chǎn)品亮點

1.高性能處理器，提升運算速度、響應(yīng)時間和掃描周期等；

2.一維/二維/三維、多通道視覺飛拍，高速高精；

3.位置同步輸出PSO，連續(xù)軌跡加工中對精密點膠膠量控制和激光能量控制等；

4.多軸同步控制，多坐標(biāo)系獨立控制等；

5.EtherCAT同步周期可快至125us；

6.EtherCAT總線和脈沖軸混合插補；

7.直線插補、任意空間圓弧插補、螺旋插補、樣條插補等；

8.應(yīng)用靈活，可PC上位機開發(fā)，也可脫機獨立運行；

想要了解更多關(guān)于ZMC408CE的詳情介紹，可以點擊“推薦|8通道PSO的高性能EtherCAT總線運動控制器”查看。

EtherCAT設(shè)計目標(biāo)和優(yōu)勢

工業(yè)現(xiàn)場往往需要穩(wěn)定并且實時的通信，傳感器和IO信號需要高速響應(yīng)，電機的數(shù)據(jù)需要實時傳輸。在EtherCAT之前，就已經(jīng)有CAN總線等現(xiàn)場總線。

但隨著現(xiàn)場的自動化系統(tǒng)越來越龐大，傳統(tǒng)總線的瓶頸就越來越明顯：帶寬不夠高，傳輸數(shù)據(jù)量少，無法充分利用IT技術(shù)的發(fā)展等。所以就誕生了一批基于Ethernet的現(xiàn)場總線，EtherCAT就是其中的佼佼者之一。

EtherCAT總線的官方描述是基于Ethernet的現(xiàn)場總線（如上圖），為什么不直接使用Ethernet呢，因為現(xiàn)場通信的一些特征是和IT領(lǐng)域完全不同的：

1.單個系統(tǒng)擁有大量節(jié)點（設(shè)備）。

2.這些節(jié)點一般需要傳輸數(shù)據(jù)量比較少，但實時性要求很高。

如果每個節(jié)點都用一個Ethernet數(shù)據(jù)幀來通信的話，最后的通信效率就會非常的低。按照官方的一個計算示例，最終的帶寬利用率可能不到5%，并且，基于Ethernet的通信協(xié)議，例如TCP，會帶來額外的帶寬開銷和延遲，大量的帶寬都被無效的數(shù)據(jù)占用。

EtherCAT的解決方法就是，所有的節(jié)點使用一個數(shù)據(jù)幀，主站發(fā)出數(shù)據(jù)幀后，所有的從站會在飛行中處理數(shù)據(jù)，讀取自己需要的，塞入自己需要返回的數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)把數(shù)據(jù)幀繼續(xù)向下傳輸，直到碰到最后一個節(jié)點，利用Ethernet的全雙工特性再將數(shù)據(jù)返回給主站。

利用這種傳輸方式，數(shù)據(jù)幀的最大有效數(shù)據(jù)率（maximum effective data rate）可以超過90%，主站是唯一允許主動發(fā)送數(shù)據(jù)報文的設(shè)備，其他節(jié)點只能順序傳輸報文，這樣可以避免Ethernet網(wǎng)絡(luò)中常見的沖突和延時，保證EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r特性。并且，從站使用專用芯片（ESC）在飛行中處理數(shù)據(jù)報文時，完全使用硬件來處理， 使得整個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的通信時間保持穩(wěn)定可預(yù)測，和每個從站的不同部署完全無關(guān)。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中可以傳輸周期性的數(shù)據(jù)和非周期性的數(shù)據(jù)。

周期性數(shù)據(jù)是通過PDO(Process Data Object)來交換的，一般用于實時的數(shù)據(jù)交換，例如電機的命令位置和反饋位置，IO信號的交互等。

非周期的數(shù)據(jù)是可以通過郵箱協(xié)議來傳輸，最常見的就是CoE(Canopen Over EtherCAT)，可以SDO(Service Data Object)來傳輸信息，SDO一般用于非實時的通信，例如電機參數(shù)的配置(例如分辨率, 最大電流等)，包括從站的PDO配置信息也是通過SDO來傳輸?shù)摹?/p>

配置PDO就像為你的數(shù)據(jù)買高鐵票，這樣主站和從站在正式工作之前就已經(jīng)提前知道了將會有哪些數(shù)據(jù)上這列高鐵，每過一個從站ESC芯片將會自動取下來對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，塞入需要返回的數(shù)據(jù)。這樣可以最大化的縮減無效的數(shù)據(jù)，并且加快處理速度。

PDO信息的傳輸周期就是我們經(jīng)常說的EtherCAT通信周期。例如正運動的常規(guī)固件默認都是1ms的周期（1K的通信頻率），正運動部分產(chǎn)品可以設(shè)置125us的周期（8K的通信頻率）。為什么默認是1ms而不是更短的周期（更高的頻率）呢？控制器在這1ms內(nèi)在做什么呢？從站又在做什么呢？

這個要從CSP的工作模式和電機的控制環(huán)路說起，后面章節(jié)會再詳細介紹。[一般1ms已經(jīng)足夠小了（1K已經(jīng)足夠高了）。并且，電機之間的同步不是靠數(shù)據(jù)幀的到達時間，而是靠分布式時鐘的，可以實現(xiàn)納秒級的同步，上期文章有介紹]。

前面提到，因為EtherCAT數(shù)據(jù)幀的獨特設(shè)計，有效數(shù)據(jù)率非常高，所以在工業(yè)自動化領(lǐng)域可以充分利用起來Ethernet的百兆帶寬，實際上百兆帶寬也可以讓非常多的電機實現(xiàn)1ms的通信周期，例如正運動家就有128軸的控制器（一般人我不告訴他哦）。

那上次留下的一個問題是，既然EtherCAT百兆總線已經(jīng)這么好了，為什么還要去設(shè)計千兆和萬兆總線？

答案是隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了更龐大更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如先進的物流系統(tǒng)或者磁懸浮系統(tǒng)需要非常多的軸（幾百甚至上千），并且這些軸之間需要精確同步；或者需要采集大量傳感器數(shù)據(jù)的測量設(shè)備，都對總線的帶寬提出了更高的要求。

更高的帶寬可以讓現(xiàn)場總線進入更多的應(yīng)用領(lǐng)域，同樣更強的總線也可以支撐設(shè)計以前沒有的復(fù)雜系統(tǒng)。

本次，正運動技術(shù)EtherCAT和Ethernet的不同點有哪些？通信周期又是什么意思？就分享到這里。

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審核編輯黃宇