【整理】EtherCAT的实施

EtherCAT的实现/实施 简介

EtherCAT主站可以用软件,在标准的以太网媒体接入控制器中实现。许多供应商有提供在不同操作系统下的程式码,也有许多开源软件或共享软件。EtherCAT从站需要特殊的EtherCAT从站控制器,才能实现飞速传输(processing on the fly)的技术。EtherCAT从站控制器可以用FPGA来实现,且已有现成的代码,此控制器也可以用ASIC来实现。

 

EtherCAT的实现/实施 详解

由于EtherCAT无需集线器和交换机,因此,在环境条件允许的情况下,可以节省电源、安装费用等设备方面的投资,只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求,则可以依照IEC标准,使用增强密封保护等级的连接器。

 

EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的,如I/O 端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送,从站设备只是在以太网帧经过其所在位 置时才提取和/或插入数据。因此,EtherCAT 使用标准的以太网MAC,这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样,EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片,这也是其在从站设备方面智能化的表现 ——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否,专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议,并提供最佳实时性能。

 

主站

EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是,主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处 理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于,在通常情况下,每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯,因 此,EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担,轻松处理这些任务的同时,还可以处理应用程序,因此 EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡,只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现,尤其适用于中小规模的控制系 统和有明确规定的应用场合。

例如,如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节,那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化,所以只需将常数报文头插入到过程映像中,并将结果传送到以太网控制器即可。

EtherCAT映射不是在主站产生,而是在从站产生(外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置),因此,此时过程映像已经完成排序。该特性进一 步减轻了主机CPU的负担。可以看到,EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现,相比之下,传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实 现主站的方式则要占用更多的资源,甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。

系统配置工具(通过生产商获取)可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。

ethercat single process image for master station

主站实施服务

已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站,包括但并不限于:

  • eCos
  • INtime
  • MICROWARE OS-9
  • MQX
  • On Time RTOS-32
  • Proconos OS
  • Real-Time Java
  • RT Kernel
  • RT-Linux
  • RTX
  • RTXC
  • RTAI Linux
  • PikeOS
  • Linux with RT-Preempt
  • QNX
  • VxWin + CeWin
  • VxWorks
  • Windows CE
  • Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE
  • Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE
  • Windows 7
  • XENOMAI Linux

可以获得开源主站协议栈,作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。

主站样本代码

另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码,花费不高。软件以源代码形式提供,包括所有的EtherCAT主站功能,甚至还包括 EoE(EtherCAT实现以太网)功能。

ethercat main station sample code structure

开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以 了。该软件代码已经成功应用于多个系统。

 

从站

EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的 简单设备可以只由ESC和其下的PHY,变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数,所以不需要软件或 邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取,它也支持从站的身份识别。更复杂的可配置从站有使用一个CPU。 这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用,EtherCAT协议软件在其上运行。 EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议,可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。

EtherCAT Slave Controller

目前,有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA,也可实现从站控制器的功能,可以购买授权以获取相应的二进制代码。

从站控制器通常都有一个内部的DPRAM,并提供存取这些应用内存的接口范围:

  • 串行SPI(串行外围接口)主要用于数量较小的过程数据设备,如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器,如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。
  • 8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应,尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下,微控制器使用的 接口包括Infineon 80C16x、Intel 80×86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。
  • 32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出,而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU。

 

从站硬件:带主机CPU的FPGA

slave hardware with cpu main fpga

 

从站硬件:带直接I/O的FPGA:

slave hardware direct io fpga

 

关于EtherCAT从站控制器的最新信息,请登录EtherCAT网站。

从站评估工具包

倍福公司提供的从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT,无需功能强大的通讯处理器,因此,可将从站评估工具包中的8位 微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件(相当于协议堆栈)和参考主站软件包(TwinCAT)。



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