【技術分享】為何EtherCAT在運動控制總線中如此受歡迎？

現場總線通訊將逐漸替代傳統運動控制器中的脈沖控制，追求更高效率的數據傳輸。當前國內流行的驅動器通訊有CANOPEN、RS232、RS485、EtherCAT等，本文與您一起了解EtherCAT總線。

?什么是EtherCAT

EtherCAT(以太網控制自動化技術)是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統，最初由德國倍福研發。EtherCAT為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，是一種開放性的協議，開放標準由現在的EtherCAT技術組(ETG)管理。

為什么選擇EtherCAT

1. 精簡的通信結構OSI模型各層間關系和通訊時的數據流向如圖1所示。圖1OSI模型示意圖

RS232、RS485都屬于ISO七層結構中的物理層，實現完整的通訊，需要加入數據鏈路層和應用層。RS232、RS485一般需要使用串口作為鏈路層對物理層進行指揮。RS485應用層協議通常使用MODBUS，CANOPEN也是應用層協議。CANOPEN和EtherCAT通常分別結合can、ethernet實現鏈路層和物理層，EtherCAT在ISO模型設計上也僅使用應用層、數據鏈路層、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協議，可見EtherCAT設計實現的精簡之處，體現出了更優越的實時性。2. 優越的綜合性能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，而以太網傳輸一幀可以高達1514字節。以太網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拓撲結構圖

EtherCAT符合以太網標準，支持多種拓撲結構：線型、星型、樹型，以一種“邏輯閉環“的方式傳播，靈活性更強。主站實現只需要一張普通網卡，不需要交換機與路由器的參與，解決傳統以太網的交換機延時、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據傳輸產生直接影響，可能會導致丟幀，運動不協調，從而無法控制對各軸設備的同步執行。EtherCAT支持DC分布式時鐘，且基于硬件的產生的時鐘進行校準和補償，大大減小了系統的抖動時間。

EtherCAT 實現了數據傳輸中速率更快、實時性更高、更可靠、傳輸數據量更大、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幀結構

圖4 以太網幀格式圖

表1以太網幀含義表

EtherCAT幀組成結構如上圖所示，以太網幀頭中使用的幀類型是EtherCAT專有的0x88a4類型，后面接著就是EtherCAT的數據內容了，我們的應用層傳輸的內容就存放在子報文結構中的數據段，容納了更大的數據傳輸量。數據段可以包含一個或多EtherCAT子報文構成。當然，EtherCAT也是支持嵌入UDP/IP格式的數據幀格式，數據段中會讓出28個字節長度以供UDP/IP使用。
?EtherCAT應用層1. ESM狀態機

圖5狀態機轉換關系圖

表2Ethercat狀態機含義表

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

廣播尋址
將數據廣播到各個從站設備。

自增尋址
根據設備連接的順序進行編號，從0開始，每經過一個從站數值-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的數據邏輯地址空間，FMMU將數據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據，是一種更加靈活的尋址方式。

3. 數據傳輸

3.1 同步管理器SM

同步管理器(Syncmangers)用來協調應用層和主機的數據交互，實現數據同步而不是時間同步，確保數據正確讀取和寫入，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中處理即可。SM通道一共用到4個，SM0和SM1用于郵箱數據輸和輸入,SM2和SM3用于過程數據的輸出和輸入。3.2 應用層協議EtherCAT應用層協議支持COE、VOE、FOE、EOE等協議，而在電機控制領域我們常用到的是COE協議，COE全稱為CanOpen Over EtherCAT，相當于CanOpen協議通過EtherCAT方式來實現，都是基于cia402協議進行編寫。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，實現數據通訊。郵箱常用對從站的配置和讀寫，采用應答方式，而PDO為過程數據，實現數據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、配置數據等內容組成；eni是EtherCAT網絡信息配置文件，描述從站數量，SM與DC配置信息等，結合esi描述文件，借助配置軟件進行配置生成，完成EtherCAT網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致遠電子團隊開發的EtherCAT網絡配置工具，開發者導入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者快速使用與開發。

瀏覽設備信息
顯示主站和從站的設備信息，如制造商信息，網絡配置信息等內容。

瀏覽拓撲結構
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數據的輸入與輸出數據信息，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。

內存信息
瀏覽內存偏移信息與eeprom的參數信息等內容。

• 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。

EtherCAT配置軟件主界面如下圖6所示。

圖6EtherCAT配置軟件主界面圖

?產品案例

1. 產品介紹

ZMC600E(點擊了解詳情)是ZLG致遠電子開發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。其采用工業領域內先進的嵌入式 ARM 方案，集實時操作系統、智能算法于一身，配套工業圖形化編程軟件開發環境。

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，內置1GB DDR4、4GB eMMC以及32KB FRAM，預留有多路以太網、CAN、IO、USB等硬件接口。同時ZMC600E支持點位運動、連續軌跡、直線圓弧插補、連續插補、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，支持在線改變速度和在線改變位置，用戶可以輕松構智能化控制系統，快速實現和部署現場各種工藝的應用。

2. EtherCAT性能優勢

ZMC600E集成了商業授權的EtherCAT主站解決方案；

Cortex-R5F協處理器獨立處理EtherCAT數據收發，實時性更強；

精準分布式式時鐘，振動<1μs；

最多支持128個從站節點，節點間距最大100m；

支持CoE對象讀取寫，SoE IDN讀寫；

循環周期最小達125μs，支持線形、樹形、星型拓撲結構。