【技術(shù)分享】為何EtherCAT在運動控制總線中如此受歡迎？

現(xiàn)場總線通訊將逐漸替代傳統(tǒng)運動控制器中的脈沖控制，追求更高效率的數(shù)據(jù)傳輸。當前國內(nèi)流行的驅(qū)動器通訊有CANOPEN、RS232、RS485、EtherCAT等，本文與您一起了解EtherCAT總線。

?什么是EtherCAT

EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，最初由德國倍福研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，是一種開放性的協(xié)議，開放標準由現(xiàn)在的EtherCAT技術(shù)組(ETG)管理。

為什么選擇EtherCAT

1. 精簡的通信結(jié)構(gòu)OSI模型各層間關系和通訊時的數(shù)據(jù)流向如圖1所示。圖1OSI模型示意圖

RS232、RS485都屬于ISO七層結(jié)構(gòu)中的物理層，實現(xiàn)完整的通訊，需要加入數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。RS232、RS485一般需要使用串口作為鏈路層對物理層進行指揮。RS485應用層協(xié)議通常使用MODBUS，CANOPEN也是應用層協(xié)議。CANOPEN和EtherCAT通常分別結(jié)合can、ethernet實現(xiàn)鏈路層和物理層，EtherCAT在ISO模型設計上也僅使用應用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

在軟件設計層次中，物理層向上走，將上一層幀再封裝成特定幀后傳輸，通信過程將存在組包拆包的過程，越往頂層走幀格式越復雜，相比較其它的以太網(wǎng)協(xié)議，可見EtherCAT設計實現(xiàn)的精簡之處，體現(xiàn)出了更優(yōu)越的實時性。2. 優(yōu)越的綜合性能2.1 傳輸高效

EtherCAT的物理層層中使用光信號進行傳輸，傳輸速率達100Mbit/s(100 base-Tx)，且為全雙工傳輸，相比于上述總線均為電氣傳輸。RS232抗干擾能力差，RS485半雙工，can一幀只能傳輸8個字節(jié)，而以太網(wǎng)傳輸一幀可以高達1514字節(jié)。以太網(wǎng)使用光纖為傳輸媒介，線束簡潔，同時抗干擾能力更強，傳輸距離更遠。

2.2 拓撲靈活

圖2EtherCAT拓撲結(jié)構(gòu)圖

EtherCAT符合以太網(wǎng)標準，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)：線型、星型、樹型，以一種“邏輯閉環(huán)“的方式傳播，靈活性更強。主站實現(xiàn)只需要一張普通網(wǎng)卡，不需要交換機與路由器的參與，解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)的交換機延時、堆棧延時、帶寬利用率等問題。

2.3 時鐘同步圖3DC分布式時鐘圖

在多軸運動控制中，時鐘同步的精準性能對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生直接影響，可能會導致丟幀，運動不協(xié)調(diào)，從而無法控制對各軸設備的同步執(zhí)行。EtherCAT支持DC分布式時鐘，且基于硬件的產(chǎn)生的時鐘進行校準和補償，大大減小了系統(tǒng)的抖動時間。

EtherCAT 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸中速率更快、實時性更高、更可靠、傳輸數(shù)據(jù)量更大、抗干擾能力更強的等特點，這恰是市場日益要求的性能指標，您心動了嗎？
?EtherCAT幀結(jié)構(gòu)

圖4 以太網(wǎng)幀格式圖

表1以太網(wǎng)幀含義表

EtherCAT幀組成結(jié)構(gòu)如上圖所示，以太網(wǎng)幀頭中使用的幀類型是EtherCAT專有的0x88a4類型，后面接著就是EtherCAT的數(shù)據(jù)內(nèi)容了，我們的應用層傳輸?shù)膬?nèi)容就存放在子報文結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)段，容納了更大的數(shù)據(jù)傳輸量。數(shù)據(jù)段可以包含一個或多EtherCAT子報文構(gòu)成。當然，EtherCAT也是支持嵌入UDP/IP格式的數(shù)據(jù)幀格式，數(shù)據(jù)段中會讓出28個字節(jié)長度以供UDP/IP使用。
?EtherCAT應用層1. ESM狀態(tài)機

圖5狀態(tài)機轉(zhuǎn)換關系圖

表2Ethercat狀態(tài)機含義表

EtherCAT狀態(tài)機定義了每一個EtherCAT從站設備的分布設置，并指示了可用的功能。ESM狀態(tài)的改變是由主站請求發(fā)起的，從站需要一級一級的向下進行轉(zhuǎn)換狀態(tài)。而上行可以降級切換，如狀態(tài)op切換到Init狀態(tài)，如上圖5箭頭方向所示。2. 尋址方式

廣播尋址
將數(shù)據(jù)廣播到各個從站設備。

自增尋址
根據(jù)設備連接的順序進行編號，從0開始，每經(jīng)過一個從站數(shù)值-1，以此遞推。

設置尋址
相當于給每一個從站分配地址，主站通過從站地址找到對應的從站進行通信。

邏輯尋址
主站配備4G的數(shù)據(jù)邏輯地址空間，F(xiàn)MMU將數(shù)據(jù)邏輯地址和從站中的物理地址進行映射，主站在幀中只需攜帶某個邏輯地址，即可尋址到任意從站中的任意數(shù)據(jù)，是一種更加靈活的尋址方式。

3. 數(shù)據(jù)傳輸

3.1 同步管理器SM

同步管理器(Syncmangers)用來協(xié)調(diào)應用層和主機的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步而不是時間同步，確保數(shù)據(jù)正確讀取和寫入，并且同步管理可以以中斷的形式通知主機和應用程序更新事件,然后進入中斷服務函數(shù)中處理即可。SM通道一共用到4個，SM0和SM1用于郵箱數(shù)據(jù)輸和輸入,SM2和SM3用于過程數(shù)據(jù)的輸出和輸入。3.2 應用層協(xié)議EtherCAT應用層協(xié)議支持COE、VOE、FOE、EOE等協(xié)議，而在電機控制領域我們常用到的是COE協(xié)議，COE全稱為CanOpen Over EtherCAT，相當于CanOpen協(xié)議通過EtherCAT方式來實現(xiàn)，都是基于cia402協(xié)議進行編寫。主站可以通過郵箱(SDO)或PDO對從站的對象字典進行讀寫操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。郵箱常用對從站的配置和讀寫，采用應答方式，而PDO為過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實時和快速傳輸。4. 設備配置

4.1 描述文件

信息描述文件主要有emi、esi、eni文件。emi為主站信息描述文件；esi則是從站描述文件，包含廠商信息、設備信息描述、SM描述、對象字典、配置數(shù)據(jù)等內(nèi)容組成；eni是EtherCAT網(wǎng)絡信息配置文件，描述從站數(shù)量，SM與DC配置信息等，結(jié)合esi描述文件，借助配置軟件進行配置生成，完成EtherCAT網(wǎng)絡運行時對主站和從站設備進行初始化操作。

4.2 配置軟件

本文使用的配置軟件是ZLG致遠電子團隊開發(fā)的EtherCAT網(wǎng)絡配置工具，開發(fā)者導入esi從站描述文件后進行相關需求配置，生成相應的eni文件，EtherCAT網(wǎng)絡運行時將對所有設備進行初始化。EtherCAT配置軟件支持以下功能供幫助開發(fā)者快速使用與開發(fā)。

瀏覽設備信息
顯示主站和從站的設備信息，如制造商信息，網(wǎng)絡配置信息等內(nèi)容。

瀏覽拓撲結(jié)構(gòu)
配置軟件顯示主站和從站的連接拓撲圖。

FMUU/SM與DC配置
FMMU、SM、PDO相關的信息與配置，DC分布時鐘的操作模式選擇。

瀏覽輸入與輸出變量
顯示PDO數(shù)據(jù)的輸入與輸出數(shù)據(jù)信息，如通道、名稱、類型、位長等信息。

郵箱功能
支持選擇配置郵箱輪詢與讀取對象字典的方式，顯示相關的COE對象字典列表。

內(nèi)存信息
瀏覽內(nèi)存偏移信息與eeprom的參數(shù)信息等內(nèi)容。

• 集成幫助文檔
  瀏覽幫助文檔，查閱更多的功能介紹與demo示例，幫助使用與開發(fā)。

EtherCAT配置軟件主界面如下圖6所示。

圖6EtherCAT配置軟件主界面圖

?產(chǎn)品案例

1. 產(chǎn)品介紹

ZMC600E(點擊了解詳情)是ZLG致遠電子開發(fā)的最新一代智能總線型運動控制器，是面向工廠智能化時代的機器控制器。其采用工業(yè)領域內(nèi)先進的嵌入式 ARM 方案，集實時操作系統(tǒng)、智能算法于一身，配套工業(yè)圖形化編程軟件開發(fā)環(huán)境。

ZMC600E采用TI的雙核64位Arm-Corte-A53，四核Cortex-R5F的AM6442應用處理器為核心，主頻1GHz，內(nèi)置1GB DDR4、4GB eMMC以及32KB FRAM，預留有多路以太網(wǎng)、CAN、IO、USB等硬件接口。同時ZMC600E支持點位運動、連續(xù)軌跡、直線圓弧插補、連續(xù)插補、螺旋線等運動功能，可以自由設定運行速度、停止速度、加、減速時間可以獨立設置，S型曲線平滑等參數(shù)，支持在線改變速度和在線改變位置，用戶可以輕松構(gòu)智能化控制系統(tǒng)，快速實現(xiàn)和部署現(xiàn)場各種工藝的應用。

2. EtherCAT性能優(yōu)勢

ZMC600E集成了商業(yè)授權(quán)的EtherCAT主站解決方案；

Cortex-R5F協(xié)處理器獨立處理EtherCAT數(shù)據(jù)收發(fā)，實時性更強；

精準分布式式時鐘，振動<1μs；

最多支持128個從站節(jié)點，節(jié)點間距最大100m；

支持CoE對象讀取寫，SoE IDN讀寫；

循環(huán)周期最小達125μs，支持線形、樹形、星型拓撲結(jié)構(gòu)。