【技术分享】为何EtherCAT在运动控制总线中如此受欢迎？

现场总线通讯将逐渐替代传统运动控制器中的脉冲控制，追求更高效率的数据传输。当前国内流行的驱动器通讯有CANOPEN、RS232、RS485、EtherCAT等，本文与您一起了解EtherCAT总线。

  什么是EtherCAT

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，最初由德国倍福研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，是一种开放性的协议，开放标准由现在的EtherCAT技术组(ETG)管理。

  为什么选择EtherCAT

1. 精简的通信结构

OSI模型各层间关系和通讯时的数据流向如图1所示。

图1 OSI模型示意图

RS232、RS485都属于ISO七层结构中的物理层，实现完整的通讯，需要加入数据链路层和应用层。RS232、RS485一般需要使用串口作为链路层对物理层进行指挥。RS485应用层协议通常使用MODBUS，CANOPEN也是应用层协议。CANOPEN和EtherCAT通常分别结合can、ethernet实现链路层和物理层，EtherCAT在ISO模型设计上也仅使用应用层、数据链路层、物理层。

在软件设计层次中，物理层向上走，将上一层帧再封装成特定帧后传输，通信过程将存在组包拆包的过程，越往顶层走帧格式越复杂，相比较其它的以太网协议，可见EtherCAT设计实现的精简之处，体现出了更优越的实时性。

2. 优越的综合性能

2.1 传输高效

EtherCAT的物理层层中使用光信号进行传输，传输速率达100Mbit/s(100 base-Tx)，且为全双工传输，相比于上述总线均为电气传输。RS232抗干扰能力差，RS485半双工，can一帧只能传输8个字节，而以太网传输一帧可以高达1514字节。以太网使用光纤为传输媒介，线束简洁，同时抗干扰能力更强，传输距离更远。

2.2 拓扑灵活

图2 EtherCAT 拓扑结构图

EtherCAT符合以太网标准，支持多种拓扑结构：线型、星型、树型，以一种“逻辑闭环“的方式传播，灵活性更强。主站实现只需要一张普通网卡，不需要交换机与路由器的参与，解决传统以太网的交换机延时、堆栈延时、带宽利用率等问题。

2.3 时钟同步

图3 DC分布式时钟图

在多轴运动控制中，时钟同步的精准性能对数据传输产生直接影响，可能会导致丢帧，运动不协调，从而无法控制对各轴设备的同步执行。EtherCAT支持DC分布式时钟，且基于硬件的产生的时钟进行校准和补偿，大大减小了系统的抖动时间。

EtherCAT 实现了数据传输中速率更快、实时性更高、更可靠、传输数据量更大、抗干扰能力更强的等特点，这恰是市场日益要求的性能指标，您心动了吗？

  EtherCAT帧结构

图4 以太网帧格式图

表1 以太网帧含义表

EtherCAT帧组成结构如上图所示，以太网帧头中使用的帧类型是EtherCAT专有的0x88a4类型，后面接着就是EtherCAT的数据内容了，我们的应用层传输的内容就存放在子报文结构中的数据段，容纳了更大的数据传输量。数据段可以包含一个或多EtherCAT子报文构成。当然，EtherCAT也是支持嵌入UDP/IP格式的数据帧格式，数据段中会让出28个字节长度以供UDP/IP使用。

  EtherCAT应用层

1. ESM状态机

图5 状态机转换关系图

表2 Ethercat状态机含义表

EtherCAT状态机定义了每一个EtherCAT从站设备的分布设置，并指示了可用的功能。ESM状态的改变是由主站请求发起的，从站需要一级一级的向下进行转换状态。而上行可以降级切换，如状态op切换到Init状态，如上图5箭头方向所示。

2. 寻址方式

广播寻址：将数据广播到各个从站设备。

自增寻址：根据设备连接的顺序进行编号，从0开始，每经过一个从站数值-1，以此递推。

设置寻址：相当于给每一个从站分配地址，主站通过从站地址找到对应的从站进行通信。

逻辑寻址：主站配备4G的数据逻辑地址空间，FMMU将数据逻辑地址和从站中的物理地址进行映射，主站在帧中只需携带某个逻辑地址，即可寻址到任意从站中的任意数据，是一种更加灵活的寻址方式。

3. 数据传输 

3.1 同步管理器SM

同步管理器(Syncmangers)用来协调应用层和主机的数据交互，实现数据同步而不是时间同步，确保数据正确读取和写入，并且同步管理可以以中断的形式通知主机和应用程序更新事件,然后进入中断服务函数中处理即可。SM通道一共用到4个，SM0和SM1用于邮箱数据输和输入,SM2和SM3用于过程数据的输出和输入。3.2 应用层协议EtherCAT应用层协议支持COE、VOE、FOE、EOE等协议，而在电机控制领域我们常用到的是COE协议，COE全称为CanOpen Over EtherCAT，相当于CanOpen协议通过EtherCAT方式来实现，都是基于cia402协议进行编写。主站可以通过邮箱(SDO)或PDO对从站的对象字典进行读写操作，实现数据通讯。邮箱常用对从站的配置和读写，采用应答方式，而PDO为过程数据，实现数据通信的实时和快速传输。

4. 设备配置

4.1 描述文件

信息描述文件主要有emi、esi、eni文件。emi为主站信息描述文件；esi则是从站描述文件，包含厂商信息、设备信息描述、SM描述、对象字典、配置数据等内容组成；eni是EtherCAT网络信息配置文件，描述从站数量，SM与DC配置信息等，结合esi描述文件，借助配置软件进行配置生成，完成EtherCAT网络运行时对主站和从站设备进行初始化操作。

4.2 配置软件

本文使用的配置软件是ZLG致远电子团队开发的EtherCAT网络配置工具，开发者导入esi从站描述文件后进行相关需求配置，生成相应的eni文件，EtherCAT网络运行时将对所有设备进行初始化。EtherCAT配置软件支持以下功能供帮助开发者快速使用与开发。

浏览设备信息：显示主站和从站的设备信息，如制造商信息，网络配置信息等内容。

浏览拓扑结构：配置软件显示主站和从站的连接拓扑图。

FMUU/SM与DC配置：FMMU、SM、PDO相关的信息与配置，DC分布时钟的操作模式选择。

浏览输入与输出变量：显示PDO数据的输入与输出数据信息，如通道、名称、类型、位长等信息。

邮箱功能：支持选择配置邮箱轮询与读取对象字典的方式，显示相关的COE对象字典列表。

内存信息：浏览内存偏移信息与eeprom的参数信息等内容。

集成帮助文档：浏览帮助文档，查阅更多的功能介绍与demo示例，帮助使用与开发。

EtherCAT配置软件主界面如下图6所示。

图6 EtherCAT 配置软件主界面图

  产品案例

图7 ZMC600E EtherCAT主站控制器

1. 产品介绍

ZMC600E (点击了解详情) 是ZLG致远电子开发的最新一代智能总线型运动控制器，是面向工厂智能化时代的机器控制器。其采用工业领域内先进的嵌入式 ARM 方案，集实时操作系统、智能算法于一身，配套工业图形化编程软件开发环境。

ZMC600E采用TI的双核64位Arm-Corte-A53，四核Cortex-R5F的AM6442应用处理器为核心，主频1GHz，内置1GB DDR4、4GB eMMC以及32KB FRAM，预留有多路以太网、CAN、IO、USB等硬件接口。同时ZMC600E支持点位运动、连续轨迹、直线圆弧插补、连续插补、螺旋线等运动功能，可以自由设定运行速度、停止速度、加、减速时间可以独立设置，S型曲线平滑等参数，支持在线改变速度和在线改变位置，用户可以轻松构智能化控制系统，快速实现和部署现场各种工艺的应用。

2. EtherCAT性能优势

ZMC600E集成了商业授权的EtherCAT主站解决方案；

Cortex-R5F协处理器独立处理EtherCAT数据收发，实时性更强；

精准分布式式时钟，振动<1μs；

最多支持128个从站节点，节点间距最大100m；

支持CoE对象读取写，SoE IDN读写；

循环周期最小达125μs，支持线形、树形、星型拓扑结构。