如何选择合适的工业以太网标准：EtherCAT

2022-01-15

欢迎回到“如何选择合适的工业以太网标准”的第二部分，这个博客系列主要针对那些已经决定在他们的系统中利用工业以太网优势的工程师们。这个系列将涵盖数个常见的工业以太网通信协议，以帮助你为应用选择最佳的标准。你也可以阅读上一篇关于Sercos III的博文。
在这一部分中，我将详细介绍EtherCAT、它的终端应用，以及它的工作方式。
德国倍福自动化公司 (Beckoff AutomaTIon) 发明了EtherCAT 。自从2003年以来，它一直处于EtherCAT技术组 (ETG) 框架之下，而EtherCAT技术组是一个由大约2600家成员公司组成的工业现场总线组织。
EtherCAT常见于工厂自动化、半导体工具、包装机器人技术以及其它应用领域。我最喜欢的一个非工业应用示例就是迪斯尼内的水舞水幕秀，其中由EtherCAT来控制灯光显示。
在技术层面，EtherCAT是如图1中显示的主从网络架构。EtherCAT从器件具有2个以太网连接器，以支持一个简单的线路拓扑。为了达到冗余的目的，也可以支持环形拓扑，在这个情况下，EtherCAT主器件必须要有2个以太网端口。一个EtherCAT网络能够支持多达65535个从器件。

图1：具有EtherCAT数据帧流程的EtherCAT主从示例网络

只有EtherCAT主器件生成一个EtherCAT数据帧；所有从器件接收和处理这个数据帧。最后一个从器件回送这个EtherCAT数据帧，而这个数据帧在经历所有从器件（无需进一步处理）后，返回到主器件。这个EtherCAT数据帧已经为每个从器件的数据处理预留了空间，而所有的从器件都不会更改数据帧本身的长度。这有点儿像为乘客准备了多个车厢和座位的火车一样，每个从器件都有一个指定的车厢或指定的座位。EtherCAT允许到“座位”层的寻址—而数据处理是在数据位上进行的。
一个EtherCAT主器件只需要一个标准以太网MAC外设，这是因为主器件在实时处理EtherCAT数据帧方面没有特定的需要。主器件只需要用准确的时基来触发启动EtherCAT数据帧。
一个EtherCAT从器件需要特定的以太网硬件 (EtherCAT MAC) 支持—通常的实现方式是图2中所示的专门用途集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA) –这是因为它需要处理在运行过程中进入的EtherCAT数据帧。这意味着EtherCAT MAC在进行数据帧接收的同时，要处理EtherCAT数据帧。典型的EtherCAT器件在已接收和已发送数据帧之间具有1µs的端口到端口延迟。

图2：具有一个ASIC/FPGA和外部处理器的EtherCAT从器件

EtherCAT标准在EtherCAT网络中不支持其它类型的以太网数据帧。这主要是为了保持实时以太网通道的畅通，用于EtherCAT数据帧的处理。在EtherCAT网络中有非EtherCAT数据帧（与EtherCAT不匹配的以太网类型）的情况下，EtherCAT从器件将通过使数据帧校验和 (CRC) 无效来销毁这个数据帧。这使得非EtherCAT数据帧在标准以太网器件中无法使用，而它们将最终停止“污染”EtherCAT网络。
通过将以太网数据帧封装在一个EtherCAT数据帧内，可以在EtherCAT网络中传送标准以太网数据帧（传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP)，用户数据报协议 (UDP)）。这通过位于EtherCAT主机处理器协议栈顶端的不同EtherCAT系统配置完成。其中的一个示例系统配置就是用EtherCAT实现以太网。
EtherCAT器件的其它特性和功能包括：
分布时钟—从器件和主器件上的高精度时间同步方法。
支持环回的快速链路断开检测（需要以太网物理层 (PHY) 收发器支持）--当以太网PHY检测到一个链路断开时，它通知EtherCAT硬件。在10µs内，EtherCAT硬件将环回EtherCAT数据帧。请查看TI的TLK1xx以太网PHY收发器系列，这个系列的器件支持快速链路断开特性。
在EtherCAT中使用ASIC或FPGA会增加成本和电路板面积。一个替代的解决方案就是使用许多TI Sitara处理器中的PRU-ICSS外设。例如，TI提供针对AM335x处理器的PRU-ICSS固件，从而使EtherCAT从器件无需使用一个外部FPGA（图3）。你可以用TMDSICE3359评估板来评估TI的EtherCAT从器件解决方案。

图3：集成了TI Sitara处理器的EtherCAT从器件

我希望这篇博文能够使你对EtherCAT的功能性有所了解。要了解与工业以太网标准相关的更多内容，一定不要忘了阅读本系列中的其它博文。
其它资源
查看EtherCAT通信开发平台TI Design参考设计。
阅读本系列的上一篇博文，“如何选择合适的以太网标准：Sercos III 。”
阅读与“如何使工业以太网像标准以太网一样简单”有关的博文。
下载“工业通信解决方案指南。”
阅读白皮书，“Sitara处理器上的EtherCAT，”其中有EtherCAT的简介。
在这份白皮书中深入了解工业以太网通信协议。
在ETG网站内进一步了解EtherCAT标准。

原文链接：
https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2015/09/17/how-to-ｓｅｌｅｃｔ-the-right-industrial-ethernet-standard-ethercat【如何选择合适的工业以太网标准：EtherCAT】

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