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德國倍福公司

    EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 是德國倍福（Beckhoff）最新提出的開放式實時以太網。EtherCAT使用了標準的以太網技術并即將公布其協議，因此它確定了網絡開放性的新標準。同時，由于它可在30µs內通過雙絞線或光纖電纜處理1 000個數字量I/O，從而也確定了實時以太網性能的新標準。EtherCAT為用戶在使用網絡拓撲結構時提供了選擇，即采用傳統的、價格更加昂貴的星型拓撲結構或者是采用低成本的總線型拓撲結構―無需昂貴的專用組件。EtherCAT使用的是市場上非常普遍且經濟的以太網卡(NIC)，而其它的實時以太網則往往需要特殊且昂貴的以太網卡。

圖1  EtherCAT

工作原理

    EtherCAT突破了其它以太網解決方案的系統限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網數據包，然后進行解碼并復制為過程數據。當報文在設備的持續傳送過程中，每個I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以讀出該報文中指定到此I/O的數據。同樣，輸入數據可以在報文通過時插入報文中，報文僅有幾納秒延遲。

圖2  報文傳遞僅有幾納秒延遲

    其它的以太網解決方案不能達到EtherCAT的實時能力。其中一個解決方案通過較高級的協議層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來取代它。

    另一個以太網解決方案使用專用交換機，并采用精確的時間控制方式分配以太網數據包。這些解決方案只能在某種程度上實現將控制器數據快速而準確的傳輸至以太網節點。然而，它們由于存在以太網節點到實際I/O或驅動控制器的傳輸延遲而受到限制。還有一類解決方案在使用模塊化 I/O 時，需要一個子總線，就像德國倍福從前所作的那樣，利用已有的現場總線，通過同步子總線系統加快傳輸速度。但是，這樣的同步將無法避免通訊總線傳輸的延遲，德國倍福率先在EtherCAT中使用FMMU前沿技術解決了該問題。

端子實現以太網

    德國倍福用于I/O模塊的以太骨干網稱為E-bus。E-bus將使用不同電信號的I/O點數據傳送至下一個I/O點，但不改變以太網數據。第一個以太網節點稱為總線耦合器，它可以將電信號通過標準雙絞線或光纜變換至E-bus。變換至E-bus的信號可以滿足電子端子塊的電信號要求。端子塊（E-bus）中的信號也可以通過雙絞線在短距離內傳輸（最長10米）。用這種廉價的方式可以對端子塊進行擴展。由于以太網數據沒有發生變化，其后續的向以太網的變換可以隨時進行。

    從控制的觀點看，控制器的硬件通常采用非常經濟而普遍的標準網絡接口卡（NIC）。德國倍福提供的這種卡是配備有4個以太網通道的PCI卡。這些接口卡的共同特點是：通過DMA(direct memory access)將數據傳送至PC，即網絡存取不會占用CPU資源。

    這種NIC卡使用TwinCAT Y驅動，實現了與軟件操作系統和實時系統的無縫連接。這意味著，TwinCAT Y驅動既是兼容的網絡驅動，也是TwinCAT以太網現場總線卡的驅動。通過內部的優先級系統管理，實時系統以太網幀的優先級高于普通操作系統幀。普通的操作系統以太網幀（如打印緩沖池、因特網、電子郵件等）都是在有足夠的時間“間隙”時傳送的。在接收端，所有接收到的以太網幀都由TwinCAT I/O系統檢驗，并過濾出那些與實時系統相關的數據，其它幀則在檢測之后傳遞給操作系統。

    由于操作系統的以太網功能具備完整性，所有與操作系統兼容的協議都可在同一物理網絡下并行工作。這些協議不僅包括一些諸如TCP/IP、HTTP、FTP、SOAP等標準IT協議，還包括所有諸如ModbusTCP、ProfiNet 或EthernetIP等工業以太網協議。

協議

    EtherCAT協議在以太網幀內使用了一個特殊的以太類型（Ether type）。這個類型可以使控制數據直接傳輸至以太網幀內而無須重新定義標準以太網幀。EtherCAT的以太網幀可以由多個子報文組成，每個報文都服務于一個特定的邏輯映像區（Logic process image），該邏輯映像區最大可達4GB。由于數據鏈獨立于物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。廣播式、多播式和從站間的通訊均可進行。當TwinCAT控制的EtherCAT組件與控制計算機在同一子網時，數據將直接采用以太網幀進行傳送。

圖3   EtherCAT通過FMMU實現隨機地址映射

    然而，EtherCAT的應用領域不僅僅局限于TwinCAT控制系統，EtherCAT UDP可將EtherCAT協議打包至UDP/IP的報文內。該特性可以使用于任何帶以太網協議堆棧的控制尋址EtherCAT系統，甚至允許經路由器跨接其它子網的通訊也成為可能。在這種情況下，系統的性能顯然取決于控制的實時性和以太網協議的實現方式。EtherCAT網絡本身的響應時間幾乎不受限制，UDP報文只須在第一個站點解壓包。

性能

    EtherCAT使網絡性能達到了一個新境界。借助于端子中的EtherCAT ASIC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，因此，它獨立于協議椎棧的實時運行系統、CPU性能和軟件運行。1 000個I/O的刷新只需30μs，包括端子的循環時間。它可以在一個以太網幀中交換最多達1 468個字節的協議數據，這幾乎相當于12 000個數字輸入或輸出，這些數據的傳輸僅需300μs。100個伺服軸的通訊也只需100μs，在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告他們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1μs。

    EtherCAT技術的高性能特征可以實現傳統的現場總線系統無法實現的控制理念。例如，以太網如今不僅能夠處理速度控制，而且也可以處理分布式驅動器的電流（轉矩）控制。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。EtherCAT技術的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬，擴展至千兆位的以太網也是可能的。

EtherCAT 替代PCI

    由于使用了集成于主板的以太網口，而不再需要附加接口插槽，PC主機體積越來越小，成本也越來越低。隨著PC組件小型化的加速發展，工業PC的體積主要依賴于所需要的插槽數目。高速以太網帶寬以及EtherCAT通訊硬件（FMMU）數據帶寬的利用，確定了接口技術的新方向：即工業PC中的傳統接口將轉變為EtherCAT系統的高智能接口端子。除分布式I/O之外，軸和控制單元，復雜系統，如現場總線主站、高速串行接口、網關及其它通訊接口都可以被尋址，甚至沒有協議變體限制的以太網設備也可以通過分布式“集線器端子”連接。工業PC主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。

圖4   EtherCAT替代PCI

拓撲結構

    線型、樹型或星型結構：EtherCAT支持幾乎所有的拓撲結構。其它現場總線通用的總線型或線型結構在EtherCAT中同樣適用。需要的接口已置于耦合器上，而無需再另加集線器，這特別適用于結合了線型、分支型或樹型的布線方式。當然，傳統的基于交換機的星型以太網拓撲結構也可以使用。

    采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發揮布線的靈活性。靈活且低成本的標準以太網電纜可以選擇采用以太網模式傳輸數據（100Base-TX），或者采用E-bus信號處理方式。光纖(PFO)可以用于特殊的應用場合。以太網帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結合交換機或媒介轉換器使用。

    快速以太網或E-bus可以按照距離要求進行選擇。快速以太網的物理特性可以使設備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距。整個網絡規模幾乎是無限制的，因其可以容納最多達65 535個設備連接。

分布時鐘

    精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執行同時聯動任務時。分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案，如同在新的IEEE1588標準中所敘述的那樣。相反地，如果采用完全同步，當通訊出現錯誤時，同步數據的品質將受到很大影響，在通訊系統中，分步式校準時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。

    在EtherCAT中，數據交換是完全基于硬件“主時鐘” 和“子時鐘”的。因為該通訊使用了一個邏輯的和全雙工的快速以太網物理環結構，每個時鐘可以簡單和準確地確定另一個時鐘的實時偏移量。分布時鐘基于該值進行調整，這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動小于1μs的、非常精確的時鐘基。

    然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數據采集時本地時間的精確信息。例如，控制經常通過連續測量的位置值計算出速度。尤其是在非常短的采樣時間內，在位移測量中，即使是一個很小的隨機抖動都會導致速度的極大變化。使用TwinCAT，德國倍福引進了新的、擴展的數據類型（時間戳(timestamp) 數據類型，超采樣（oversampling）數據類型）。本地時間與被測值相連接，利用基于以太網的寬帶資源，其處理時間可小于10納秒。因此，速度計算的精確度不再依賴于通訊系統的抖動。這比基于無抖動通訊的測量技術有極大的提高。

熱連接

    熱連接功能能夠使網絡的各部分相連，并且解耦或重新自由配置；所提供的靈活響應特性，改變了很多應用需要在運行時變更I/O配置的需求。例如，具備變更特性的處理中心、裝備傳感器的工具系統或者智能化的傳輸設備、靈活的工件執行器等。EtherCAT系統考慮到了這些需求：任意配置。

診斷

    在EtherCAT的研發過程中，特別注重典型的診斷特征。德國倍福廣泛的現場總線系統經驗表明，有效性和試運行時間主要依賴于診斷的能力。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。

    在試運行期間，將使用該指定的配置檢測I/O端子實際配置的連續性。

    拓撲結構也要與配置相匹配。因為有內置的拓撲結構識別，I/O可以在系統啟動時或通過自動上裝配置時進行確認。數據傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到，它使漢明間距（Hamming Check）達到最小值4。EtherCAT協議，傳輸物理層和拓撲結構使得高品質監控每個獨立的傳輸段成為現實。

總線端子

    現有的德國倍福基于K-bus總線的I/O端子可以直接與EtherCAT相連，包括一些配備網絡接口、用于模塊化I/O端子的相應耦合器。它保證了新老產品的兼容性和可持續性，有效地保護了現有的和未來的投資。

圖5  EtherCAT與K-bus的無縫連結

開放性

    EtherCAT技術在設計之初就以開放性為其宗旨，它完全與以太網（802.3）兼容：該協議可與其它提供各種服務的以太網協議并存，并且所有的協議都并存于同一物理介質中，通常只會對整個網絡性能有很小程度的影響。標準的以太網設備可通過集線器端子連接至一個EtherCAT系統，該端子并不會影響循環時間。配備傳統現場總線接口的設備可通過EtherCAT現場總線主站端子的連接集成到網絡中。UDP協議變體允許設備整合于任何插槽接口或堆棧中。EtherCAT協議將在作出最后的技術規范后發布。