【收藏】2004-2023年EtherCAT从站控制器(ESC)芯片大汇总

图片来源 ：EtherCAT Technology Group

作者：Robert B.Trask

“
从专用集成电路到微控制器，EtherCAT从站控制器芯片与诊断和开发工具 一起，帮助用户提升现场通信性能并简化调试。
”

EtherCAT从站控制器（ESC）是 EtherCAT 的一个核心概念，它是 EtherCAT 现场设 备中基于芯片的部分。芯片可以是专用集成电 路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、微处理器甚至微控制器。ESC 可以处理周期和非周期数据的读取和写入，以及灵活现场总线所需的其它后台任务。

虽然 EtherCAT 网络控制器不需要特殊硬件，但在现场总线设备层使用 ESC 芯片可以使应用受益。在 EtherCAT 的现场设备中使用 ASIC，允许在芯片中进行处理。因此， 网络性能独立于设备中微控制器的性能及其运行复杂软件堆栈的能力。实时协议处理嵌入到芯片中，现场设备不必管理典型的以太 网连接。

通过在 ESC 中实现 EtherCAT 功能， EtherCAT 系统可以每 30 微妙更新 1000 个分 布式输入 / 输出（I/O）点。在 ESC 中定义“实时数据交换”，只需要配置设备，即可使用协 议和特定芯片中内置的固有机制。

ESC 不需要 IP 堆栈

在 典 型 的 基 于 IP 的 以 太 网 中， 现 场 总线具有现场层芯片接口并不罕见。这是 CANopen、DeviceNet、SERCOS 等协议的历史基础。以 EtherCAT 为例，它使现场设 备不必提供足够的处理能力来处理基于 IP 的 以太网通信——不仅节省了处理器成本、占用空间、热量和功率，还降低了使用 IP 堆栈 的复杂性。

EtherCAT 使用以太网的物理机制，而 无需在现场实现完整的七层开放系统互 连（OSI）模型以太网堆栈，这简化了设备 制造商的开发和 EtherCAT 的应用。然而， EtherCAT 不是基于 IP 的协议。EtherCAT 是一种使用标准 IEEE 802.3 以太网的现场总 线，无需对完整的以太网实施进行复杂的配 置和供电。

避免复杂性

基本上所有 EtherCAT 芯片供应商提供 的 ESC 都大体相同。因此，与其它基于以太网的技术相比，设备开发人员和系统用户将 受益于更少的编程。EtherCAT 现场设备的 功能是内置的，它只需要配置即可。由于在 循环周期中不涉及具有未知时序行为的软件 堆栈，因此系统性能是可预测的。

因为 ESC 提供了一个通用接口，这样 开发人员和用户就可以以类似的方式利用 EtherCAT 设备。由于相同的诊断技术可用 于所有 EtherCAT 设备，因此这也简化了诊断。由于 EtherCAT 只有一个版本，因此在 现场使用设备和网络配置时，不会随时间而 发生任何变化。EtherCAT 协议和 ESC 的运 行还允许简单地添加新设备，而无需担心对 现有网络的不利影响。



▎EtherCAT 从站控制器有多种选择，还有更多选项正在开发中。

EtherCAT 从站设备描述文件

EtherCAT 设备有一个 .xml 文件，类似于 CANopen、DeviceNet 和 EtherNet/IP 中的 EDS 文件以及 Profibus 和 Profinet 中 的 GSD 文件。这个 EtherCAT 从站设备描述 （ESI）文件，包含配置和使用设备所需的数 据。每个 EtherCAT 设备都附带一个 ESI 文件， 该文件描述了设备的特性和功能。这意味着 用户可以实施 EtherCAT 设备，而无需深入 了解设备或以太网的内部工作。

实施 EtherCAT 现场设备非常简单，无 需处理复杂的机制。重点是控制机器或进 程，而不是配置和调整网络。ESI 文件定义 了 ESC 如何使用本地 I/O 和更高级别处理器 进行操作。现场设备的配置可通过 ESI 文件 和 ESC 轻松实现。

自动地址分配

ESC 还可以实现智能“自动增量”指令， 以自动为 EtherCAT 分配地址。利用这一功 能，在启动时控制器会识别设备和它们在网 络中的物理位置，将实际的网络配置与预期 的网络配置进行比较，并分配地址。这一切都发生在后台，意味着不需要手动设置每个 节点的地址，也不需要像在其它网络中那样 逐个“设置”每个节点。使用 EtherCAT，用 户无需处理 MAC 或 IP 地址、配置子网掩码 或任何其它与 ESC 功能相关的设置。

实时处理和减少抖动

EtherCAT 以一种独特而高效的方式使 用标准、未经修改的以太网帧，普通以太网 技术的限制。该方法也适用于所有设备实现， 包括 3000 多家 EtherCAT 设备制造商。通过 ESC 和 EtherCAT 技术，无需发送 和接收以太网数据的单个帧，对数据进行解 码，然后将过程数据复制到不同的设备。相反， 在帧通过设备时，EtherCAT 现场设备会读 取数据。现场设备的输出数据，也会在帧通 过 ESC 时写入。

由于现场设备通过其在全局过程映像中 的位置找到数据，因此帧不需要携带设备地 址。这就意味着，在框架中没有“每个节点” 的开销，并且过程数据通信变得非常有效。此外，同一帧，甚至帧中的同一区域，可同 时用于输入和输出数据，这实际上使带宽加倍。ESC 读取 / 写入数据只需要几纳秒。

通过 ESC，EtherCAT 使用标准的以太 网全双工技术，并支持不同的拓扑结构，包 括总线型、树型、分支型和星型号。其物理 层为 100BaseTX 双绞线、100BASE-FX 光 纤或低压差分信号（LVDS）。



▎EtherCAT 和 ESC 有一个简单的 ISO/OSI 堆栈。

每 100 微妙可更新 100 个具有 8 字节 I/O 数据的伺服系统。在此速率下，系统可以读 取位置和状态，并发送新的指令和控制数据。分布式时钟技术负责精确同步，并将抖动（对 驱动器而言是循环同步误差）降低到低于 1 微妙的值。

链路丢失检测

在另一方面，ESC 以一种有效的方式使 用以太网固有机制。以太网通信基于载波信 号（即链路），帧中的帧校验序列（FCS）是 循环冗余校验（CRC），可以检测传输错误。EtherCAT 和 ESC 通过比标准以太网芯片更 强的功能，以非常有效的方式使用它。ESC 的每个端口都会统计链路丢失和 FCS 错误。这允许用户确定和精确定位事件，即使是间 歇性的。

间歇性错误一直是任何现场总线的难题。因为 ESC 可以统计每个端口上出现的每个问 题，这有助于确定问题。无需在必要时猜测 或无意识切换组件。到目前为止，大多数问 题都是物理问题，例如布线、连接器或可能 被拉伸、拉扯并经常被不当处理。

由于所有 ESC 使用相同的机制，因此不 必担心由哪个供应商提供现场设备。它们都 以相同的方式运行 ；不需要特殊的软件或故 障排除工具。他们必须了解的只有 EtherCAT 和 ESC 是如何运行的，就能确定问题的根源 并解决问题。相同的工具和技术可用于所有 设备。

从站堆栈代码的实现

从站堆栈代码（SSC）实现在 ESC 之上 的应用层，对网络性能没有影响。ESC 对设 备处理器的处理能力要求很低。SSC 具有免 版税许可证，并提供 ASCI C 处理：设备状态、 循环（PDO）访问、非循环（SDO）访问和 中断。这简化了 EtherCAT 设备的开发。由 于这些原因，ESC 和 SSC 在现场总线通信 领域中提供了一种独特的工具组合。

关键概念：

■ 了解 ESC 如何成为EtherCAT 现场设备基于芯片的解决方案。

■ 数据交换在 ESC 中定义，并要求配置设备使用协议中内置的固有机制。

■ EtherCAT 使用未经修改的以太网帧，ESC 助其高效运行。

思考一下：

更少的网络编程是否有利于您的以太网应用？

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本文来自于控制工程中文版（CONTROLENGINEERINGChina）2022年10月刊《技术文章》栏目：基于芯片的 EtherCAT 如何 优化现场通信？

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