技術(shù)介紹：什么是 EtherCAT 的開放模式？

EtherCAT 有兩種運(yùn)行模式：直接模式和開放模式。直接模式因其高效的實(shí)時(shí)性能被廣泛使用，而開放模式則允許通過標(biāo)準(zhǔn)交換設(shè)備與現(xiàn)有的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施集成，相對而言實(shí)時(shí)性能沒有前者優(yōu)秀。在本文中，我們將探討這兩種模式，并重點(diǎn)介紹它們的主要特征。

直接模式和開放模式早在 2004 年的第一個(gè)EtherCAT規(guī)范V1.0中就已被定義，但今天幾乎所有的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)仍然使用直接模式。實(shí)際上，大多數(shù)用戶甚至從未聽說過開放模式。

目前，相關(guān)規(guī)范仍可以在名為《ETG.1000.3 EtherCAT 規(guī)范第3部分——數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義》的文檔中找到。

EtherCAT 直接模式

在直接模式下，一個(gè) EtherCAT段與主站連接，以太網(wǎng)幀中的 MAC 地址字段會被忽略。為了通信，所有EtherCAT從站都使用 EtherCAT 從站控制器（ESC），而主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口。

直接模式是使用 EtherCAT 設(shè)備協(xié)議（EDP）的應(yīng)用程序中的標(biāo)準(zhǔn)模式。這種模式不需要交換機(jī)，因?yàn)閺恼就ǔ＞哂袃蓚€(gè)或更多端口，這些端口可以實(shí)現(xiàn)菊花鏈路或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在直接模式下，主站中的以太網(wǎng)控制器專用于 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。

直接模式的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是“即時(shí)處理”原則，這與從站中的極低延遲相結(jié)合，使得具有一毫秒及更快周期時(shí)間的硬實(shí)時(shí)測量和控制應(yīng)用成為可能。由于從站中的硬件處理（由EtherCAT從站控制器處理），“傳播延遲”在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)段中高度一致，且僅受溫度波動的輕微影響。每個(gè)從站的總延遲最多為一微秒。

EtherCAT 開放模式（EOM）

雖然直接模式通常因其高效和實(shí)時(shí)性能被廣泛使用，但開放模式提供了更大的靈活性，可以通過標(biāo)準(zhǔn)交換設(shè)備與現(xiàn)有的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施集成。在EtherCAT開放模式（EOM）中，一個(gè)或多個(gè)EtherCAT段可以連接到標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)有）的交換設(shè)備，如圖2所示。當(dāng)需要將EtherCAT網(wǎng)絡(luò)集成到更大的共享IT環(huán)境時(shí)，這種模式尤其有用。

要使用 EOM，首先主站必須支持EOM并在類似EC-Engineer這樣的EtherCAT配置工具中進(jìn)行相應(yīng)的配置。每個(gè)段的第一個(gè)從站必須提供額外的功能，以便從主站訪問EtherCAT段。這個(gè)第一個(gè)從站被稱為“段地址設(shè)備”的原因。

主站必須支持并配置 EOM。 第一個(gè)設(shè)備，即“段地址設(shè)備”，提供從主站訪問EtherCAT段的功能。EOM的一個(gè)好處是，段地址設(shè)備之后的所有其他從站無需任何修改，就像在EtherCAT直接模式中一樣工作。EtherCAT段中的第一個(gè)設(shè)備具有表示整個(gè)段的ISO/IEC 8802-3 MAC地址。這個(gè)設(shè)備有一個(gè)被稱為“EOM端口”的特性。EOM端口將以太網(wǎng)幀中的目標(biāo)地址字段替換為源地址字段，并將源地址字段替換為其自身的MAC地址。這樣，如果幀遵循EtherCAT的編碼規(guī)則，在所有從站處理后將返回到主站。

如果這種幀通過 UDP 傳輸，EOM端口將以與MAC地址相同的方式處理源和目標(biāo)IP地址以及UDP源和目標(biāo)端口號。這確保了響應(yīng)幀完全符合UDP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

此外，EOM 端口還保護(hù)段內(nèi)的從站免受主站或通用以太網(wǎng)設(shè)備的未經(jīng)授權(quán)訪問。EtherCAT開放模式還使用EtherCAT設(shè)備協(xié)議（EDP）通過交換網(wǎng)絡(luò)在主站和從站之間進(jìn)行通信。此外，其他協(xié)議（如TCP/IP）也可以共享相同的IT基礎(chǔ)設(shè)施。

網(wǎng)絡(luò)建立者在 EtherCAT 開放模式中使用交換網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要認(rèn)真考慮和知悉：開放模式提供了靈活性，使得 EtherCAT 能夠與現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)施集成。然而，由于所有以太網(wǎng)幀共享相同的基礎(chǔ)設(shè)施，并且交換機(jī)通常以“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”方式操作，這導(dǎo)致EtherCAT段內(nèi)的延遲顯著增加。這些延遲不一致且無法提前精確計(jì)算，這影響了最低可實(shí)現(xiàn)的周期時(shí)間?？蓪?shí)現(xiàn)的性能在很大程度上取決于具體的IT網(wǎng)絡(luò)，其配置和當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

靈活性與延遲之間的關(guān)鍵權(quán)衡

靈活性：與現(xiàn)有 IT 基礎(chǔ)設(shè)施集成，允許混合操作。

延遲：由于共享基礎(chǔ)設(shè)施和“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”交換，導(dǎo)致更高且不一致的延遲。

周期時(shí)間影響：最低可實(shí)現(xiàn)的周期時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)配置和負(fù)載影響。

EtherCAT 開放模式：通信類型

在 EOM 網(wǎng)絡(luò)段中，通信類型可以設(shè)置為“RAW”或“UDP”。在同一個(gè)IT基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，可以進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)段的混合操作。

RAW： 這種通信類型通常適用于需要最小處理開銷和最高性能的應(yīng)用。RAW通信直接利用以太網(wǎng)幀而無需額外封裝，從而降低延遲。

UDP： 當(dāng)需要與基于IP的網(wǎng)絡(luò)兼容時(shí)，選擇這種通信類型。通過在UDP/IP內(nèi)封裝EtherCAT幀，網(wǎng)絡(luò)可以利用現(xiàn)有的IP路由和基礎(chǔ)設(shè)施，提供更大的靈活性，但代價(jià)是更高的延遲。

通信類型：RAW

在 RAW 通信類型中，使用了VLAN標(biāo)簽。發(fā)送幀的目標(biāo)MAC地址對應(yīng)于EtherCAT段地址，并由段地址設(shè)備的EOM端口驗(yàn)證。一旦確認(rèn)，幀將被路由到從站。

源 MAC 地址由主站的網(wǎng)絡(luò)卡分配。EOM端口然后交換源和目標(biāo)地址，確保處理后的幀返回到主站。

發(fā)送幀：主站到從站

接收幀：從站到主站

通信類型：UDP

在 UDP 通信類型中，EtherCAT幀被嵌入到UDP/IP幀中。在這種情況下，使用IP的EtherType (0x0800)，目標(biāo)端口號通常為0x88A4，這是由互聯(lián)網(wǎng)分配號碼管理局（IANA）分配的。這種幀的最大長度為1518字節(jié)。

MAC 地址（目標(biāo)和源）的處理與RAW通信類似，并相應(yīng)地設(shè)置IP地址。在發(fā)送幀中，源字段包含主站的地址，而目標(biāo)字段包含段地址設(shè)備（EOM端口）的地址。對于接收幀，這些地址被交換，以確保正確路由回主站。

發(fā)送幀：主站到從站

接收幀：從站到主站

總結(jié)

EtherCAT 提供了兩種運(yùn)行模式：直接模式和開放模式，它們根據(jù)應(yīng)用需求服務(wù)于不同的目的。

直接模式效率高，提供最小的延遲和實(shí)時(shí)性能，非常適合需要快速響應(yīng)時(shí)間的控制應(yīng)用。

而開放模式通過允許與標(biāo)準(zhǔn)IT基礎(chǔ)設(shè)施集成，提供了更大的靈活性。根據(jù)實(shí)際需求和應(yīng)用場景，可以選擇最適合當(dāng)前場景的模式。