EtherCAT - 以太网现场总线 简介

What, Why and HowWhat: 什么是EthercatEtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。


Why：Ethercat的出现解决什么问题虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。例如CAN bus，Modbus。在现场总线系统中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。但是如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。而EtherCAT拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。EtherCAT在30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。How：Ethercat是如何工作的
EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见下图）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。



由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可 大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）。

如果用更通俗的方式来解释这个机制，可以把Ethercat比喻成地铁。从主站（master)发车之后，每站（从站）都短暂停靠，从而允许每站上下车（获取部分报文，加载部分报文，见上图中Datagram)。从站如何做到的？注意开头提到的，其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。

为了更好的理解，我们看下图，下图为汇川的PLC AM600系统架构图。



所谓总线（例如CAN总线），就是大家都共用一条通道来通信，各个设备都挂载在同一条总线上。所以，当一个总线上的多个设备同时想要发消息的时候，就会产生冲突，所以，就有总线仲裁的机制。控制器决定当前时刻，谁来发消息，谁来“占用”这条总线。而EtherCAT玩了一个花样，EtherCAT的各个设备之间是一种P2P（Point to Point）的连接方式，这些设备根本没有连接在“同一条”总线上。上面的Ethercat master/slave的系统图可以抽下为下图：



最左边的是主站，后面的都是从站，各个从站下面还挂载了不同的设备。可以看到主站向从站1发送以太帧，从站1接收、处理完自己的子报文后，再把以太帧发送给从站；从站2接收，处理完自己的子报文后在发送给从站3；如此往返，直到最后一个从站n接收处理完自己的消息，再把这条以太帧返回回去。所以，各个从站之间根本就不会存在总线冲突。EtherCAT只需要预先配置好各个从站占用的子报文位置，也就是On The Fly技术。

从站一般是有3部分器件组成的：物理层器件、EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Control）和微处理器（MCU）。物理层器件就是以太网的PHY芯片和网口，ESC是实现EtherCAT协议栈的专用ASIC，从站控制微处理器主要实现应用层（如CANopen）和用户自定义的程序。

下面摘录的来自ethercat官网的关于如何实现的描述：

我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？ 可以参考EtherCAT Slave Implementation Guide（EtherCAT从站实施指南）作为从站实施的开始，请点击这里下载。该文件涵盖从站实施的起始步骤，包括开发硬件、软件、研讨会和培训、一致性，以及一步步的提示信息。EtherCAT从站协议栈可以从多个供应商获取。Beckhoff将从站协议栈代码(SSC)-源代码免费开放给所有ETG会员。EtherCAT从站实施套件也可以从相关供应商获取。请在官方EtherCAT产品指南中查询更多从站评估套件。
https://www.ethercat.org

EtherCAT从站控制芯片的授权如何？ 当您从EtherCAT从站控制器供应商那里购买了ESC芯片，所有的EtherCAT功能已经包含在芯片中。对EtherCAT从站设备供应商来说，取得了ESC供应商资格则包含该授权，无需额外的EtherCAT授权费用。
https://www.ethercat.org

参考：

https://www.ethercat.org/cn/technology.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/111603236