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1 引言
工業以太網技術不斷提高的性能和迅速降低的成本，工業以太網成為當前的技術熱點。EtherCAT(ethernet for control automation technology)是技術德國beckhoFF(倍福)公司提出的實時工業以太網技術，它基于標準的以太網技術，具有靈活的網絡拓撲結構，支持星形、線性、樹形等幾乎所有的網絡拓撲結構[1]。EtherCAT系統配置簡單，具有高速、高有效數據率等特點，其有效數據利用率達到90%以上，全雙工特性得以完全利用[2]。2005年2月，EtherCAT通過96% iec會員投票表決，正式成為iec規范——iec/pas62407，國際標準組織(iso)已將EtherCAT納入iso15745標準。EtherCAT技術引起了自動化技術領域的廣泛關注，并于2003年成立了EtherCAT技術組織，簡稱etg，到目前為止，etg組織成員已超過1500個[3]。
2 EtherCAT技術介紹
2.1 EtherCAT的組成和工作原理
EtherCAT采用主從式結構，主站可以用一般PC機，利用BeckhoFF公司開發的TWinCAT(the windows control and automation technology)組態軟件來實現。控制周期從主站發出，主站發送下行電報，電報最大有效數據長度可達1498字節。數據幀遍歷所有從站設備，每個設備在數據幀經過時分析尋址到本機的報文，根據報文頭中的命令讀入數據或寫入數據到報文中指定位置，并且從站硬件把該報文的工作計數器(WKC)加1，表示該數據被處理。整個過程只有幾納秒時間延遲[4]。數據幀在訪問位于整個系統邏輯位置的最后一個從站后，該從站把經過處理的數據幀做為上行電報直接發送給主站。主站收到此上行電報后，處理返回數據，一次通信結束。系統結構原理如圖1所示。
圖1 EtherCAT的工作原理
借助于從站中的EtherCAT專用芯片ET1100和主站中讀取網卡數據的dma技術，整個協議處理過程都在硬件中進行，使EtherCAT的網絡性能達到了一個新的高度。EtherCAT系統可以在30毫秒內刷新1000個io結點，可以在300毫秒內交換一幀多達1486個字節的協議數據，這幾乎相當于12000個數字量輸入或輸出。
2.2 EtherCAT的協議
EtherCAT以標準以太網技術為基礎，在mac(媒體訪問層)加了一個確定性調度的軟件層，該軟件層實現了通信周期的數據幀的傳輸。EtherCAT采用標準的ieee802-3以太網幀，以太網幀的結構如圖2所示，各個部分的含義如表1所示。
圖2 EtherCAT幀結構
表1 以太網幀結構含義
EtherCAT在標準以太網幀結構中使用了一個特的以太網幀類型0x88a4，采用這種方式可以使控制數據直寫入以太網幀內，并且可以與遵守其它協議的以太網幀在一網絡中并行。一個EtherCAT幀中可以包含若干個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存域，由fmmu(fieldbus memory management unit)寄存器和(syncmanager)寄存器定義，該區域最大可達4gb字節。EtherCAT報文由一個16位的wkc(working count)結束，其數據最大長度可達1486個字節。在報文頭中由8位命令區數據決主站對從站的尋址方式，由于數據鏈獨立于物理順序，因可以對EtherCAT從站進行任意的編址。
3 EtherCAT從站硬件設計
3.1 EtherCAT從站的結構
本文設計的EtherCAT從站節點硬件包括從站協議控制器、cpu和網絡接口等部分組成。EtherCAT從站中最關鍵部分EtherCAT協議控制器，它實現EtherCAT的物理層與數據鏈路層議。現在市場上有多種EtherCAT協議控制器可供使用，本文選用beckhoff(倍福)公司的esc(EtherCAT slave controller)ET1100來作為EtherCAT協議控制器，使用英飛凌的16位mcu xc164作為從站結點的cpu。整個從站硬件結構如圖3所示。
圖3 EtherCAT從站硬件結構圖
如圖3所示，xc164和ET1100之間可以采用spi總線或者微控制器方式交換數據，e2rom用于存儲ET1100的配置數據，在從站上電時由主站根據e2rom存儲的數據配置ET1100。以太網口0和1分別用于接收主站的上行電報和發送下行電報。
3.2 從站控制器ET1100的結構
ET1100是一款功能強大EtherCAT從站控制器，具有豐富的接口資源，其內部功能結構如圖4所示[5]。
圖4 從站控制器ET1100的內部結構功能圖
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