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【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站 - 知乎
【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站 - 知乎首发于EtherCAT切换模式写文章登录/注册【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站小皎皎一只可爱的小皎皎学习EtherCAT最好从从站开始,因为从站包含了EtherCAT大量原理,例如状态机,PDO映射等。学习从站代码有利于理解过程数据如何传输,XML有什么作用。本文介绍一些从站的基础知识,以及如何设计一个功能完善的从站。从站硬件无论是以ASIC还是FPGA的形式,ESC都是从站的核心,主站通过读写ESC的DPRAM空间实现数据传输。ESC通过PDI接口将数据发送到MCU,在MCU中执行实际的应用层操作。ESC根据倍福公司的IP core设计,目前主流的ESC芯片包括: ASIX公司的AX58100芯片;BeckHoff自己的ET1100芯片;Microchip的LAN9252芯片;FPGA:ET1810(altera)和ET181(xilinx);由于都是基于BeckHoff的IP core设计的,因此这几个芯片在实际功能上差距并不大,区别在于DPRAM的大小,SM的数量,FMMU的数量,PDI的方式等。芯片网口FMMUSMRAM(kBYTE)数字IOSPI slaveLocal BUSAX581002内部PHY,1MII88932Y8/16 asyncLan92522内部PHY,1MII34432Y8/16 sync/asyncET11004EBUS/MII88816Y8/16 sync/async关于芯片的详细参数,可以访问ESC具有各类AL寄存器供主站访问,但实际不执行具体的应用层操作,从站应用层的管理由专门的MCU进行。stm32有强大的性能和完善的生态,因而是应用层使用最为广泛的芯片,也可以采用其他的硬件例如Arduino或者ESP32实现应用层逻辑,但是要支持对应ESC的相关PDI接口。一般来说,从站硬件系统如下图所示:从站最小系统从站软件从站帧的链路层功能都是由ESC完成的。从站软件运行在MCU中,主要执行的是应用层的操作。MCU通过PDI接口读取ESC中的PDO和SDO数据,然后执行应用层的处理,例如状态机,COE,EOE等相关逻辑。MCU需要一套协议栈执行相关的逻辑,目前使用最多的从站协议栈是EtherCAT技术组(EtherCAT Technology Group,ETG)为会员提供的Slave Stack Code(SSC),SSC支持几乎所有应用层协议栈(EOE,COE,FOE)等,同时还提供了对专有协议Cia402等的支持。除此之外,SSC还提供了专门的工具来配置协议栈和PDO。SSC的缺点是,它是针对BeckHoff自己的PIC和ET1100芯片写的,如果使用stm32或者其他通用处理器,需要手工移植代码。ssc的代码框架除了SSC之外,另一个比较有名的EtherCAT开源协议栈是SOES(GitHub - OpenEtherCATsociety/SOES: Simple Open Source EtherCAT Slave),SOES支持EOE和COE这两种较为常用的应用层协议,同时支持静态和动态的PDO映射。SOES的代码相较于SSC精简很多,代码可移植性较好。商用从站协议栈中,比较具有代表性的是KPA协议栈(https://koenig-pa.de/products/ethercat/kpa-ethercat-slave-stack)。作为商用协议栈,KPA协议栈几乎支持所有的EtherCAT特性,包括: 邮箱协议:COE,EOE,FOE,SOE,VOE 分布时钟DC;不同的扫描速率;从可移植性的角度,KPA协议栈实现了一个硬件抽象层,支持不同ESC和主控芯片的数据交互。下图是KPA协议栈的程序结构,从图中可以看出,数据从DPI传输到MCU后,首先通过的是硬件抽象层,主循环轮询AL事件来获取过程数据和邮箱数据的更新,然后基于对象字典更新PDO和SDO。从站功能操作系统层对于实时性和同步要求极高的场合,一般一个系统运行一个从站任务就好了,例如电机驱动从站,此时不建议使用操作系统,直接进行SSC协议栈移植即可。但是实时要求不强的场合,每个任务/接口使用一个从站是很浪费的,毕竟ESC还是有点小贵的,对于任务很多的从站,还是有必要上嵌入式实时系统。下面介绍一下嵌入式操作系统的作用。操作系统层的主要作用是合理对从站任务进行调度。作为现场总线的一部分,一个EtherCAT从站一般至少包含两个任务,一个从主站获取EtherCAT数据,另一个与控制设备(比如电机或CAN总线)交互。在多任务环境下,为了确保EtherCAT通信的实时性、增强任务调度的合理性、有效利用系统资源,从站应当基于实时操作系统进行开发。相较于Linux等操作系统,嵌入式操作系统具有如下特点:小型系统:由于嵌入式设备功能明确,操作系统往往与应用程序编译在一起运行。实时性:嵌入式操作系统往往是实时操作系统。很多嵌入式设备对处理的实时性有严格要求,这种实时性是通过操作系统层面的任务调度机制、任务优先级的设定和应用程序的快速处理来达到的。可移植性:由于嵌入式设备的应用场景多样,复杂程度千差万别,应用程序的大小各不相同,移植的需求是频繁发生的。ucos,vxworks,FreeRTOS和RT-thread是较具代表性的实时操作系统。这里以RT-thread为例介绍嵌入式实时系统的组成,RT-thread不仅是一个实时操作系统,也是一个完善的嵌入式软件生态。它的底层是RT-thread内核,基于内核还提供了网络框架,设备框架,以及各类API。最后在应用层还提供了各类具体应用。RT-thread架构线程管理 RT-thread内核是一个RT-thread程序的核心,RT-thread内核是一个基于优先级的全抢占式多线程调度系统,在该实时系统中,线程是最小的调度单位,系统中除了中断处理函数、调度器上锁部分的代码和禁止中断的代码是不可抢占的之外,系统的其他部分都是可以抢占的,包括线程调度器自身。RT-thread的线程调度关系如下。在RT-thread 中,实际上线程并不存在运行状态,就绪状态和运行状态是等同的。RT-thread线程RT-thread最多支持256个线程优先级,0优先级代表最高优先级,最低优先级留给空闲线程使用。同时它也支持创建多个具有相同优先级的线程,相同优先级的线程间采用时间片轮转调度算法进行调度,使每个线程运行相应时间。线程间通信 RT-thread支持线程间的同步和通信。采用信号量、互斥量与事件集实现线程间同步,线程通过对信号量、互斥量的获取与释放进行同步。支持邮箱和消息队列等通信机制。邮箱和消息队列的发送动作可安全用于中断服务例程中。通信机制支持线程按优先级等待或按先进先出方式获取。时钟管理 任何操作系统都需要提供一个时钟节拍,以供系统处理所有和时间有关的事件,如线程的延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等。时钟节拍是特定的周期性中断,中断之间的时间间隔取决于不同的应用,时钟节拍率越快,系统的额外开销就越大,从系统启动开始计数的时钟节拍数称为系统时间。RT-Thread 的时钟管理以时钟节拍为基础,时钟节拍是 RT-Thread 操作系统中最小的时钟单位。RT-Thread 的定时器提供两类定时器机制: 单次触发定时器:这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件,然后定时器自动停止。 周期触发定时器:这类定时器会周期性的触发定时器事件,直到用户手动的停止定时器否则将永远持续执行下去。通常使用定时器定时 回调函数(即超时函数),完成定时服务。用户根据自己对定时处理的实时性要求选择合适类型的定时器。内存管理 内存是系统的重要资源,特别是对于资源紧张的嵌入式设备来说。RT-Thread将内存分为动态内存堆和静态内存池,对于动态内存的申请,RT-Thread提供小内存分配算法,slab算法和memheap算法。为了避免内存碎片,提高分配效率,RT-Thread还在.data段提供一个静态的内存池。设备管理 和Linux驱动框架类似,RT-Thread也通过I/O设备模型框架对外设进行管理。I/O 设备管理层实现了对设备驱动程序的封装。应用程序通过 I/O 设备管理接口获得正确的设备驱动,然后通过这个设备驱动与底层 I/O 硬件设备进行数据交互。设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在,双方只需关注各自的功能实现,从而降低了代码的耦合性、复杂性,提高了系统的可靠性。硬件抽象层硬件抽象层的主要作用是提升程序的可移植性。与ESC的数据交互,是EtherCAT从站MCU最为重要的功能。MCU通过PDI访问ESC的内存空间,读取寄存器和过程数据,因此,有必要对ESC的数据访问进行封装,封装的目的是保证在MCU应用层能够通过通用的接口实现对不同类型从站ESC,不同接口PDI的访问。关于硬件抽象层的封装,SOES实现了所有硬件访问相关函数:应用层协议EtherCAT从站的目标是能够支持各类应用层协议,这其中最主要的是COE协议和基于COE的各类行规。此外还需要支持FOE,EOE,SOE等协议。COE:CANopen over EtherCAT,EtherCAT协议在应用层支持CANopen协议,并作了相应的扩充,CoE协议完全遵从CANopen协议。COE协议十分核心且复杂,在此不作过多介绍。EOE:EtherNet over EtherCAT,该协议支持EtherCAT能分段传递标准的以太网数据报文,使得EtherCAT协议同样能支持TCP/IP、UDP/IP协议。SOE:Servo Drive over EtherCAT。SERCOS是世界首个应用于伺服控制的协议。EtherCAT协议在应用层接口上兼容了这个协议,简称为SOE。SERCOS应用层协议为主站设计了信息接口,可以通过配置EtherCAT过程数据报文,实现周期性传递伺服驱动器的数据。FOE:File Access over EtherCAT。该协议可以使用EtherCAT总线上传、下载固件,刷新从站的固件。并且可以通过命令行工具加载或存储文件。结合实际需求,COE和基于COE的行规协议CiA402等是必须实现的,FOE、EOE作为程序的扩展功能有必要实现,而SOE不是常用需求。动态PDO映射静态PDO映射是将PDO变量“写死”在从站中,对于实际应用场景是十分不友好的,例如某个机型的电机需要实时传输电机温度,但在另一个机型中不需要温度信息,如果使用静态PDO映射,为了提升传输效率,删除温度PDO,则需要修改代码,烧写固件,更新XML文件。这样会带来巨大的工作量。特别是基于CiA402的驱动器来说,经常要根据上位机软件的需求修改传输变量。动态PDO映射允许定制PDO以满足客户需求,TwinCAT和KPA studio等上位机软件都支持以勾选的形式动态配置PDO。为了使得上位机能够修改PDO assign,需要在xml中配置mandatory为false(SSC在EXCEL)中可以配置。动态PDO映射的基本原理是操作对象字典的0x1C12和0x1C13对象,这两个对象分别管理输出和输入的PDO映射。过程如下:将Ethercat状态机切换到PreOP状态,此状态可以用SDO来配置PDO映射;清除PDO指定对象的PDO映射对象,即设置0x1C12-00,与0x1C13-00为0;PDO映射对象无效,即对0x1600-0x1603/0x1A00-0x1A01的子索引设置为0;重新配置PDO映射内容;0x1600-01开始的是RxPDO内容,0x1A00-01开始的是TxPDO;设置PDO映射对象总数;写有效的PDO映射对象索引到PDO指定对象设置PDO指定对象的总个数,即将映射对象个数写入到1C12-00h和1C13-00h转换Ethercat状态机到安全操作以上,配置的PDO映射将有效。分布时钟EtherCAT各个从站得到帧后会进行处理或者转发,这需要一定的微小时间。但当需要经手的从站多,或者数据量大的时候,积少成多会导致较大的延迟,并且电缆线内信号传输也占有一定的延时时间。分步时钟可以使所有的EtherCAT设备使用相同的系统时间,从而控制各设备的任务的同步执行,支持分布式时钟的从站称为DC从站。为使各个从站的参考时钟达到绝对同步,主站会计算各个从站的偏移时间,这个值会写入对应从站的系统时间偏移寄存器。在从站端,分布时钟由ESC芯片实现,ESC为从站控制微处理器提供同步的中断信号和时钟信息,分布时钟单元可以产生两个同步信号SYNC0和SYNC1,用于给应用层提供中断或直接触发的输出数据更新。MCU可以通过ESC的中断信息和时间漂移寄存器的值更新本地系统时钟。分布时钟是从站的重要功能,SSC和SOES都实现了分布时钟,可以参考这两者的设计实现该功能。SDK目前从站代码开发主要有两种方式: 基于现有的代码进行移植:目前对于成熟的ESC(ET1100、LAN9252、AX58100)都有比较成熟的解决方案。但移植仍然要求对代码较为熟悉,如果添加新功能较为困难,综合来看较为麻烦;基于从站软件生成:SSC,SOES和KPA都提供了对应的从站代码生成器,但是SSC是针对自己的的PIC32芯片的,仍然需要手动移植代码;SOES和KPA的从站软件都属于商用软件需要较高的授权费;因此通过一个SDK简化从站开发流程是有必要的,参考SOES的slave editor,SDK所需的功能如下:从站基本信息:允许通过界面添加XML的必要信息,例如vendor ID,product ID等;数据链路层配置,允许通过界面配置FMMU,SM同步管理器和邮箱;PDI的配置:允许通过界面配置PDI相关寄存器;PDO的配置:这是从站软件的核心,允许通过界面直接添加和管理PDO,由于PDO是从站最重要的功能,此功能将极大简化从站开发过程;代码生成和XML的生成。SOES的上位机软件从站性能从站响应时间从站响应时间是从站的性能指标,指从发送一帧数据,经过每个从站ESC的处理,到主站接收到这帧数据的时间。从站响应时间主要由硬件和网络结构,数据传输量决定,具体地:带宽:传输延时和带宽有关系,对于单个bit,从发送到确认,不考虑线路损耗的时间是(1/BandWidth)。假设EtherCAT网络的带宽是100Mbit/s,则每字节的传输延时是(1/100M)*8 = 80us;主站硬件延时:主站硬件同样存在延时,一般在几us左右;主站软件延时:主站软件一般会带来几微秒的延时,取决于主站的性能;从设备数量:每个MII/PHY接口的ESC会带来1us的延时,而EBUS接口的则只有0.3us;KPA studio的数据界面,在运行状态下可以查看从站响应时间。编辑于 2023-08-29 15:47・IP 属地浙江EtherCAT 总线驱动器赞同 2011 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCAT介绍工业以太网总线EtherCAT技
EtherCAT从站学习笔记 - 知乎
EtherCAT从站学习笔记 - 知乎首发于EtherCAT从站学习切换模式写文章登录/注册EtherCAT从站学习笔记鹏飞亿里探索宇宙规律,施加适当激励。第1章 EtherCAT简介EtherCAT是由德国自动化公司BECKHOFF(倍福)于2003年提出的一种实时工业以太网技术。EtherCAT从站采用专门的控制芯片,例如我们用的ESC(EtherCAT Slave Controller,从站控制器)采用的是Microchip公司的LAN9252芯片。而主站无需专门的通信控制器,使用标准的以太网控制器即可。主站和从站之间使用普通的以太网电缆连接。EtherCAT协议中对传统的以太网协议进行了修改,在标准以太网数据帧中填充EtherCAT的数据帧,并使用特殊的帧类型进行标记,使得其与标准以太网具有良好兼容性。EtherCAT主要特点如下:1) 完全符合以太网标准。EtherCAT设备可以与其他的以太网设备共存于同一网络中;普通的以太网卡、交换机、路由器等标准组件都可以在EtherCAT中使用。2) 支持多种拓扑结构。EtherCAT网络可以支持多种网络拓扑结构,如线型、星型、树型拓扑结构。3) 适用性广泛。任何带有普通以太网控制器的控制单元都可以作为EtherCAT主站。EtherCAT网络可以使用普通的以太网电缆或光缆,同时EtherCAT还能够使用倍福公司自己设计的低压差分信号LUDS(Low Voltage Differential Signaling,低压差分信号)线来延时地通信。4) 高效率、刷新周期短。EtherCAT网络可以最大化利用以太网带宽进行数据传输。EtherCAT网络可以用于伺服控制技术中底层的闭环控制。5) 同步性能好。EtherCAT使用高分辨率的分布式时钟,各个从站节点之间的同步精度远小于1us。6) 无须从属子网。无论是复杂的节点还是只有一两位数字I/O都能被用作EtherCAT从站。第2章 EtherCAT通信原理EtherCAT网络运行原理如图2-1所示。以太网设备之间接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧,这些从站可以直接处理接收到的子报文,并对这些报文进行相应的加工,例如提取某些数据或插入需要的用户数据,之后将加工之后的报文传输给下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站的功能则是发回经过完全处理的报文,并由第一个从站作为相应报文将其发送给控制单元。EtherCAT参考模型如图2-2所示,EtherCAT网络具有物理层(PHL)、数据链路层(DLL)和应用层(APL)。2.1 物理层2.2 数据链路层2.3 应用层2.4 通信模式第3章 EtherCAT从站及配置EtherCAT从站设备同时实现通信和控制应用两部分功能,由EtherCAT从站通信控制器、从站控制微处理器、物理层器件和其他应用层器件四部分组成。3.1 EtherCAT从站组成3.2 从站控制芯片ESC介绍3.3 PDI通信接口3.4 从站协议栈代码工具第4章 EtherCAT从站程序设计EtherCAT从站软件是整个EtherCAT实现的核心,是系统实现的关键部分。EtherCAT从站软件部分主要实现两部分功能:通信和控制功能。协议栈的通信部分软件实现主要包含了三个方面的功能:LAN9252的驱动部分,即硬件驱动层,主要完成对LAN9252寄存器和过程RAM的读写;非周期性数据通信部分,主要完成主站和从站之间的非周期性数据交换,例如驱动器启动阶段需要配置的加速度等非实时性参数;周期性数据通信部分,主要完成过程数据的通信,例如电机运行过程中的实时位置和速度等信息。从站软件主流程如图4-1所示。4.1 从站软件初始化4.2 周期性数据通信实现4.3MainLoop();第5章 固件在线更新File Access over EtherCAT, FoE。该协议通过EtherCAT下载和上传固件程序和其他文件,其使用类似TFTP(Trivial File Transfer Protocol,简单文件传输协议)的协议,不需要TCP/IP的支持,实现简单。固件更新功能通过邮箱通信实现,邮箱通信协议采用FoE(File Access over EtherCAT);邮箱通信利用同步管理器SM0和SM1,主站到从站的通信使用SM0,从站到主站的通信使用SM1。参考资料:[1] LAN9252-CH(芯片手册),集成以太网PHY 的2/3 端口EtherCAT ® 从控制器。[2] EtherCAT Slave Design Quick Guide。[3] Integrating Microchip’s LAN9252 SDK with Beckhoff’s EtherCAT® SSC。[4] 从Beckhoff ET1100 到Microchip LAN9252[5] 郇极, 刘艳强. 工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M]. 北京航空航天大学出版社, 2010.[6] CANopen学习笔记,https://bbs.21ic.com/icview-2555998-1-8.html。[7] STM32与LAN9252构建EtherCAT从站,https://www.hexcode.cn/article/5e3ee9a835616641b2daef97。[8] 蒲婉玲. EtherCAT主站与从站设计与实现[D].[9] 黄贤新. 嵌入式EtherCAT主/从站通信控制器的应用研究[D]. 广东工业大学, 2014.[10] 杨昊佐. 工业以太网EtherCAT从站设计[D]. 西安电子科技大学, 2013.[11] 徐林涛. 工业以太网EtherCAT的嵌入式主从站设计与实现[D].浙江工业大学,2015.[12] 汪雅楠. 工业以太网EtherCAT通信系统的研究与仿真[D].北京交通大学,2011.[13] 张丽. 工业以太网EtherCAT协议分析与研究[D].[14] 姚胜东. 工业以太网现场总线EtherCAT的应用[J]. 仪表技术, 2014(8):4-6.[15] 窦源. 基于ARM的工业以太网EtherCAT从站设计[D].[16] 李春木. 基于EtherCAT的从站设计及应用[D]. 厦门大学, 2013.[17] 金瑶. 基于EtherCAT的多轴运动控制系统的研究与设计[D]. 2016.[18] 曹辉. 基于EtherCAT的工业机器人通信技术研究[D]. 2016.[19] 黄科程. 基于EtherCAT的工业以太网从站控制系统设计[D]. 2016.[20] 李英姿. 基于EtherCAT的伺服从站研发[D]. 2015.[21] 周长城. 基于EtherCAT的伺服控制系统研究和设计[D].[22] 杨林. 基于EtherCAT工业以太网的现场控制系统主站设计与应用研究[D]. 南京理工大学, 2014.[23] 杨勇军. 基于EtherCAT工业以太网协议主从站设计[D].[24] 张峰. 基于EtherCAT实时工业以太网的视觉机器人从站控制系统的研究[D].[25] 阮倩茹. 基于EtherCAT网络的高性能伺服控制系统研究[D]. 湖南大学, 2011.[26] 栾伟. 基于EtherCAT总线的多轴运动控制系统研究与开发[D].[27] 栾伟. 基于EtherCAT总线的多轴运动控制系统研究与开发[D]. 广东工业大学.[28] 咸明辉. 伺服驱动器EtherCAT网络控制设计与实现[D].编辑于 2021-12-17 09:59现场总线技术及应用(书籍)工业控制伺服系统赞同 353 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCAT从站学习EtherCAT工业现场总线,伺服系统
[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案-CSDN博客
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[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案
文火冰糖的硅基工坊
于 2023-07-10 23:33:46 发布
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第1章 EtherCAT通信原理
1.1 网络架构
1.2 分层模型
2.1 物理层
1.2 数据链路层
1.2.1 EtherCAT数据帧结构
1.2.2 EtherCAT报文寻址
第2章 EtherCAT从站
2.1 概述
2.2 EtherCAT从站的组成包括:
2.3 EtherCAT从站的硬件
2.4 从站控制信息芯片(PHY层/MAC层)
2.5 EtherCAT从站的软件
2.6 常见的EtherCAT从站解决方案
2.7 常见的EtherCAT从站开发板:
2.8 常见的额EtherCAT从站模块:
参考:
第1章 EtherCAT通信原理
1.1 网络架构
EtherCAT网络运行原理如图2-1所示。
以太网设备之间接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧,这些从站可以直接处理接收到的子报文,并对这些报文进行相应的加工,例如提取某些数据或插入需要的用户数据,之后将加工之后的报文传输给下一个EtherCAT从站。
最后一个EtherCAT从站的功能则是发回经过完全处理的报文,并由第一个从站作为相应报文将其发送给控制单元。
每个从站的数据并非使用各自独立的以太网帧,而是把每个从站的以太网帧合并在一起。
这是因为etherCat网络采用的是中央调度机制,而不是独立竞争机制。
(1)下行:主站可以通过一个以太网帧,同时控制多个从站设备,提升了系统的实时性。
(2)上行:主站通过通过一个以太网帧,同时获取多个从站设备发来的数据,提升了系统的实时性。
1.2 分层模型
EtherCAT参考模型如图2-2所示:
EtherCAT网络具有物理层(PHL)、数据链路层(DLL)和应用层(APL)。
2.1 物理层
EtherCAT物理层是EtherCAT参考模型中的最底层,它为网络信号的传输提供了物理接口,同时接收来自数据链路层的数据单元,并对它们进行相应的解码。
根据系统需求,可以选择是否加入通信帧数据,之后再将处理的物理信号发送给其他节点的传输介质,然后在之后的节点上接收信号并进行解码。
要想实现设备之间的数据交换,在物理层的下面就必须有连接设备的实际传输介质。
EtherCAT物理层连接原理如图2-3所示。
其中,
RJ45是一种标准的网络物理接口;
隔离变压器用来隔离信号以保证通信的可靠性;
物理层芯片PHY则用来实现数据编译、译码和收发;
在物理层芯片PHY和以太网通信控制芯片ESC之间是通过一个MII(Media Independent Interface)接口来交换数据。
ESC芯片是实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成电路芯片,它处理EtherCAT数据帧,并为从站控制装置提供数据接口。
1.2 数据链路层
数据链路层处于ISO/OSI参考模型中的第二层,为物理层把数据帧转化为原始位,并负责将来自高层的数据打包成帧以及流量控制、纠错和帧的重发。
媒体访问控制(MAC)地址、网桥和网络接口卡(NIC)即工作在这一层。
数据链路层最基本的功能就是通过该层的协议使相邻两个节点之间进行可靠的数据传输。
1.2.1 EtherCAT数据帧结构
EtherCAT的数据帧结构采用符合标准的IEEE802.3的以太网标准帧,EtherCAT协议用于过程数据的优化协议,采用的数据帧类型为0x88A4。
如图2-4所示,EtherCAT数据帧的数据内容包括:
数据头(2Byte)、数据(44~1498Byte)。
EtherCAT帧可包括一个或者多个EtherCAT子报文,每个报文都服务于一块逻辑过程影像区的特定内存区域(可达4GB)。
每个EtherCAT子报文都以一个2Byte的WKC结束,WKC的功能是记录子报文被从站操作的次数,主站为每个通信服务子报文设置预期的WKC,通过与返回的WKC实际值进行比较来判断子报文是否被正确处理。
一个以太网帧可以包含多个子报文,每个子报文为一个从站服务,拥有报文所属从站的地址编号。
1.2.2 EtherCAT报文寻址
EtherCAT通信由主站发送EtherCAT数据帧读写从站设备的内部存储区来实现,EtherCAT报文使用多段寻址方式操作ESC内部存储区,实现多种通信服务。
1) 网络寻址
EtherCAT网络寻址方式如图2-5所示,一个EtherCAT网段相当于一个以太网设备,主站首先使用以太网数据帧头的MAC地址寻址到网段,然后使用EtherCAT子报文头中的32位地址寻址到段内设备,段内寻址可以使用两种方式:设备寻址和逻辑寻址。
第2章 EtherCAT从站
2.1 概述
在EtherCAT(以太CAT)网络中,从站(Slave)是指通过EtherCAT总线连接到主站(Master)的外部设备或模块。
从站通常是实时控制系统中的执行器(写)、传感器(读)、驱动器(写)等外部设备。
从站在EtherCAT网络中起到了连接外部设备和主站之间的桥梁作用。它们接收主站发送的命令和控制信息,根据指令执行相应的操作,并将执行结果和实时数据通过EtherCAT总线返回给主站。
每个从站在EtherCAT网络中都有一个唯一的站地址(Station Address),用于区分不同的从站设备。主站可以通过发送同步和数据帧来轮询所有从站,以获取实时数据或向从站发送控制指令。
从站在EtherCAT网络中的工作方式具有以下特点:
实时性:EtherCAT网络是一种实时网络,从站通过接收实时的同步和数据帧来保持和主站的通信。这使得从站能够以非常低的延迟和高的精确性响应主站的命令。 链式拓扑结构:EtherCAT网络采用了链式拓扑结构,从站之间通过EtherCAT总线按顺序连接。主站通过发送帧的方式从第一个从站开始,逐个传递到最后一个从站。 灵活性:从站可以是不同类型的外部设备或模块,例如执行器、传感器、驱动器等。从站可以根据应用需求进行配置和定制,以满足不同的实时控制任务。
总的来说,EtherCAT的从站扮演着实时控制系统中与外部设备交互的角色,它们通过EtherCAT总线与主站进行数据交换和通信,以实现高性能的实时控制和数据传输。
主站与从站的关系,类似无线通信基站与手机的关系。
2.2 EtherCAT从站的组成包括:
从站控制器(Slave Controller):从站控制器是从站的核心组件,负责从站的通信和协议处理。它与EtherCAT总线进行物理连接,并通过处理和解析主站发送的帧来发送和接收数据。 物理通信接口和连接器(Communication Interface and Connector):从站通常具备适配EtherCAT网络的通信接口和连接器,以便连接到EtherCAT总线,并与主站进行通信。通常使用以太网接口(例如RJ45接口)或M8/M12连接器等。 存储器(Memory):从站通常具有自己的存储器,用于存储从站配置参数、状态信息、应用数据等。存储器在一些从站设备中可以作为数据缓存区,用于输入和输出数据的临时存储。 输入/输出接口(I/O Interface):从站需要与外部设备或模块进行数据交换,因此具备输入/输出接口。输入接口用于接收主站发送的命令和控制信息,输出接口用于发送实时数据和执行结果。 实时时钟(Real-Time Clock):一些从站需要具备实时时钟,以便在需要时间同步或时间戳等应用场景时提供准确的时间基准。 外部设备/模块(External Devices/Modules):从站还包括与其连接的外部设备或模块,例如执行器(如电机驱动器)、传感器、开关等。这些外部设备/模块通过从站与主站进行数据交换和控制。
总体而言,从站由从站控制器、存储器、输入/输出接口、实时时钟、通信接口和连接器等组成,并与外部设备或模块互联,以满足实时控制系统的数据交换和控制需求。每个从站的具体组成和功能可以根据应用需求和设备类型的不同而有所差异。
2.3 EtherCAT从站的硬件
在EtherCAT网络中,从站的硬件通常由以下几个部分组成:
从站控制器芯片(Slave Controller Chip):从站控制器芯片是连接从站设备到EtherCAT总线的关键组件。它负责处理EtherCAT协议、数据的发送和接收,并与其他硬件组件进行通信。常见的从站控制器芯片包括Beckhoff的EtherCAT Slave Controller、Wiznet的W5500等。 物理通信接口和连接器(Communication Interface and Connector):从站需要通过适配EtherCAT网络的通信接口和连接器与总线进行物理连接。通常使用以太网接口(例如RJ45接口)或M8/M12连接器等。 存储器(Memory):从站通常具有自己的存储器,用于存储从站配置参数、状态信息、应用程序代码和数据等。存储器可以是片上内存(SRAM、Flash等)或外部存储芯片。 输入/输出接口(I/O Interface):从站可能需要进行输入和输出数据的交换,因此具备输入/输出接口。输入接口用于接收主站发送的命令和控制信息,输出接口用于发送实时数据和执行结果。 外部设备/模块(External Devices/Modules):从站的硬件配置还包括与其连接的外部设备或模块,例如执行器(如电机驱动器)、传感器、开关等。这些外部设备/模块通过从站与主站进行数据交换和控制。 供电模块(Power Supply):EtherCAT从站需要供电才能正常工作,供电模块提供所需的电力。供电可以通过外部电源适配器或总线供电方式实现。
需要注意的是,具体的从站硬件配置因应用需求和设备类型而有所差异。不同厂商的从站设备可能具有不同的硬件设计和组成。因此,在实际使用中,根据具体的应用需求和厂商提供的规格,选择适当的从站硬件设备进行使用。
2.4 从站控制信息芯片(PHY层/MAC层)
从站控制器芯片是连接从站设备到EtherCAT总线的关键组件,它负责处理EtherCAT协议、数据的发送和接收,并与其他硬件组件进行通信。以下是一些常见的从站控制器芯片:
Beckhoff EtherCAT Slave Controller:Beckhoff是EtherCAT技术的主要推动者之一,他们提供了多种型号的EtherCAT从站控制器芯片,如EK1100、EK1110等。这些芯片具有高性能和可靠性,并支持多种EtherCAT协议功能。 Wiznet W5500:Wiznet的W5500是一款基于SPI接口的Ethernet控制器芯片,它可以作为从站控制器芯片用于EtherCAT网络。该芯片集成了以太网物理层收发器,提供了高质量的以太网通信性能。 Renesas R-IN32M3系列:Renesas的R-IN32M3系列是专为EtherCAT应用设计的高性能MCU,内置了EtherCAT从站控制器。这些芯片具有强大的处理能力和多种外设接口,适用于复杂的实时控制应用。 TI Sitara系列:德州仪器(TI)的Sitara系列是一组基于ARM架构的处理器,其中一些型号具有集成的EtherCAT从站控制器。这些芯片具有强大的计算能力和丰富的通信接口选项,适用于高性能和高集成度的应用。 Hilscher netX系列:Hilscher的netX系列芯片是专为工业以太网通信应用设计的,包括EtherCAT从站控制器功能。这些芯片具有低功耗、高性能和丰富的外设接口,适用于工业自动化和控制系统。
这只是一些常见的从站控制器芯片示例,市场上还存在其他厂商提供的从站控制器芯片。在选择从站控制器芯片时,需要根据具体的应用需求、性能要求和供应商支持等因素进行评估和选择。
2.5 EtherCAT从站的软件
EtherCAT从站的软件通常由以下几个部分组成:
EtherCAT从站驱动程序:EtherCAT从站驱动程序是在从站控制器芯片上运行的软件代码,负责实现EtherCAT协议的解析、数据的发送和接收等功能。这些驱动程序通常由芯片厂商提供,供用户集成到自己的从站设备中。 从站配置工具:从站配置工具用于配置从站的参数、通信设置和功能等。它提供用户界面,使用户能够方便地设置从站的各种属性和功能。从站配置工具通常由从站控制器芯片的厂商提供。 EtherCAT协议栈:EtherCAT协议栈是一种实现EtherCAT通信协议的软件库。它提供了一系列API和函数,使开发人员能够更方便地开发和集成EtherCAT通信功能。常见的EtherCAT协议栈有Beckhoff的TwinCAT、SOES(Simple Open EtherCAT Slave)等。 应用程序代码:从站的应用程序代码是根据具体应用需求开发的,它们负责从站设备的特定功能和逻辑。应用程序代码可以包括数据处理、控制算法、状态机等,以满足设备的实际应用需求。 通信驱动程序:通信驱动程序是用于与主站进行通信的软件模块。它负责解析主站发送的命令和数据,执行相应的操作,并将结果返回给主站。通信驱动程序通常与从站控制器芯片的驱动程序密切相关,以确保数据的正确传输和处理。
从站软件的具体实现和选择取决于设备厂商和应用需求。开发人员可以根据具体情况,选择合适的从站控制器芯片、EtherCAT协议栈和应用程序开发工具,以开发出高性能、稳定可靠的EtherCAT从站设备。
2.6 常见的EtherCAT从站解决方案
Beckhoff EtherCAT从站模块:Beckhoff提供了一系列 EtherCAT从站模块,如ELxxxx 系列,其中包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、电机驱动模块等。这些模块具有高集成度、高性能和可靠性,可用于各种工业自动化应用。 Hilscher EtherCAT从站模块:Hilscher提供了一系列 EtherCAT从站模块,如CIF系列,其中包括不同类型的输入/输出模块、驱动器模块、测量模块等。这些模块具有灵活的配置选项和高度可定制性,适用于各种工业场景。 Kollmorgen AKD EtherCAT驱动器:Kollmorgen的AKD EtherCAT驱动器系列集成了EtherCAT从站功能,可用于控制和驱动各种类型的电机。这些驱动器具有高性能、高精度和可靠性,适用于精密运动控制应用。 WAGO I/O-System EtherCAT模块:WAGO提供了一系列 EtherCAT从站模块,包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、驱动器接口模块等。这些模块可灵活扩展并与其他WAGO I/O模块集成,用于各种自动化和控制应用。 智能型 EtherCAT 从站控制器:一些公司提供了基于 ARM Cortex-M 系列处理器或专用 SoC 开发的智能型 EtherCAT 从站控制器模块。这些模块具有强大的处理能力和丰富的通信接口,可用于实现复杂的控制和通信功能。
这些是常见的EtherCAT从站解决方案示例。在选择适合的解决方案时,需要考虑应用需求、性能要求、可靠性和供应商支持等因素,并与供应商进行深入的技术评估和咨询,以确保选择的解决方案能够满足特定的应用需求。
2.7 常见的EtherCAT从站开发板:
Beckhoff EtherCAT开发板: Beckhoff提供了多个EtherCAT从站开发板,如EL9840和EL987x系列。这些开发板具有以太网接口和集成的EtherCAT从站控制器,可用于快速原型设计和开发。 Hilscher EtherCAT开发板: Hilscher提供了EtherCAT开发板,如EvalCNC和EvalCon。这些开发板基于Hilscher的EtherCAT从站模块,配备了通信接口和扩展槽位,方便快速开发和测试。 WAGO EtherCAT开发板: WAGO提供了EtherCAT开发板,如750-352模块。该开发板配备了EtherCAT通信接口和数字/模拟输入输出接口,支持快速的从站开发和集成。 TI Sitara开发板: 德州仪器(TI)提供了基于Sitara处理器的开发板,例如AM335x和AM437x系列。这些开发板具有集成的EtherCAT从站控制器和丰富的外设接口,适用于高性能应用的开发和测试。 树莓派+EtherCAT HAT: 使用树莓派单板计算机与EtherCAT HAT(Hardware Attached on Top)组合,可以实现经济实惠的EtherCAT从站开发板。这种方式适合小规模和简单的EtherCAT应用。
这些EtherCAT从站开发板可用于快速原型设计、开发和测试EtherCAT从站设备。开发人员可以使用这些开发板进行硬件和软件开发,验证和调试EtherCAT从站功能,并将其集成到真实应用中。在选择开发板时,需要根据具体项目需求、预算和性能要求进行评估和选择。
2.8 常见的EtherCAT从站模块:
以下是一些常见的EtherCAT从站模块:
Beckhoff EtherCAT从站模块: Beckhoff提供了一系列EtherCAT从站模块,如ELxxxx系列。这些模块包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、温度传感器模块等,具有高性能和可靠性。 Hilscher CIF EtherCAT从站模块: Hilscher的CIF系列是一组可定制的EtherCAT从站模块。这些模块适用于数字和模拟输入/输出、驱动器接口、温度测量等各种应用。 WAGO EtherCAT从站模块: WAGO提供了一系列EtherCAT从站模块,包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、电机驱动模块等。这些模块具有灵活的配置选项和可扩展性。 RTX64 EtherCAT从站模块: IntervalZero的RTX64 EtherCAT模块是一款高性能的软件解决方案,可将Windows操作系统转换为EtherCAT从站设备。它可以运行在标准PC上,并支持各种通信和输入/输出配置。 Kunbus EtherCAT Shield模块: Kunbus的EtherCAT Shield模块是一种基于Arduino开发板的低成本EtherCAT从站解决方案。它可以通过Arduino的扩展接口实现EtherCAT通信功能。
这些EtherCAT从站模块可用于快速集成和开发各种EtherCAT从站设备。
开发人员可以选择适合自己的模块,根据应用需求进行配置和定制。
在选择模块时,需要考虑通信速率、接口类型、IO数量、可扩展性和供应商支持等因素。
2.9 EtherCAT数据采集卡
以下是一些常见的EtherCAT数据采集卡:
Beckhoff EtherCAT数据采集卡: Beckhoff提供了一系列EtherCAT数据采集卡,如EKxxxx系列。这些数据采集卡集成了EtherCAT从站控制器和多个输入/输出通道,支持高速、精确的数据采集和实时控制。 Hilscher EtherCAT数据采集卡: Hilscher提供了基于EtherCAT的数据采集模块,如CIF系列。这些模块提供了多个数字和模拟输入通道,可用于实时数据采集和控制应用。 National Instruments EtherCAT数据采集卡: National Instruments提供了一系列EtherCAT数据采集卡,如NI-9144和NI-9146系列。这些模块集成了高速A/D和D/A转换器,可实现高精度的信号采集和控制功能。 ADLINK EtherCAT数据采集卡: ADLINK提供了基于EtherCAT的高性能数据采集卡,如HSL系列。这些卡片具有多个模拟输入/输出通道和高采样率,适用于高速数据采集和实时控制应用。 Acontis EtherCAT数据采集卡: Acontis提供了EtherCAT数据采集卡,如EC-AT系列。这些卡片支持多种数字和模拟输入/输出,具有灵活的配置选项和高性能。
2.10 高速EtherCAT数据采集卡
这些EtherCAT数据采集卡可用于高速、实时的数据采集和控制应用。
在选择数据采集卡时,需要考虑采样率、分辨率、通道数量、兼容性和软件支持等因素,以满足特定应用的需求。
以下是一些高速EtherCAT数据采集卡的示例:
National Instruments (NI) PXIe-8370: 这是一款高速的EtherCAT数据采集卡,可与NI的PXIe平台配合使用。它支持高达1 Gb/s的EtherCAT通信速率,并提供多个高速数字输入/输出通道和模拟输入/输出通道,适用于高速数据采集和实时控制应用。 Beckhoff EKxxxx 系列: Beckhoff的EKxxxx系列EtherCAT数据采集卡中有一些模型支持高速数据采集。这些卡片具有高速的EtherCAT通信接口和多个高速模拟、数字输入/输出通道,适用于需要高速数据采集和实时控制的应用。 ADLINK PCIe-8338: 这是一款高速的PCIe接口EtherCAT数据采集卡,支持高达2 Gb/s的EtherCAT通信速率。它提供多个高速模拟输入/输出通道和数字输入/输出通道,适用于需要高速数据采集和实时控制的应用。 Acontis EC-AT系列: Acontis的EC-AT系列EtherCAT数据采集卡具有高速EtherCAT通信接口和多个模拟、数字输入/输出通道。这些卡片支持高速数据采集和实时控制,适用于高要求的应用场景。
重要的是要根据具体的应用需求评估和选择适合的高速EtherCAT数据采集卡。考虑通信速率、接口类型、通道数量、分辨率、采样率和供应商技术支持等因素,以确保选择的数据采集卡满足应用的高速数据采集和实时控制要求。
参考:
EtherCAT从站学习笔记 - 知乎
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[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案
在EtherCAT(以太CAT)网络中,从站(Slave)是指通过EtherCAT总线连接到主站(Master)的外部设备或模块。从站通常是实时控制系统中的执行器(写)、传感器(读)、驱动器(写)等外部设备。从站在EtherCAT网络中起到了连接外部设备和主站之间的桥梁作用。它们接收主站发送的命令和控制信息,根据指令执行相应的操作,并将执行结果和实时数据通过EtherCAT总线返回给主站。每个从站在EtherCAT网络中都有一个唯一的站地址。
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3. Koenig-pa GmbH EtherCAT从站协议栈:Koenig-pa GmbH是一家德国公司,其提供了基于C语言的EtherCAT从站协议栈,支持多种平台和开发环境,包括Windows、Linux、Keil MDK等。
4. SOEM EtherCAT从站协议栈:SOEM是一款开源的EtherCAT从站协议栈,使用C语言编写,可以在多种操作系统和平台上运行,包括Windows、Linux、ARM等。
需要注意的是,不同的EtherCAT从站协议栈可能有不同的特点和适用范围,具体选择应根据实际需求和项目情况进行评估。
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基于STM32的EtherCAT从站IO讲解_ethercat主站和从站的区别-CSDN博客
>基于STM32的EtherCAT从站IO讲解_ethercat主站和从站的区别-CSDN博客
基于STM32的EtherCAT从站IO讲解
最新推荐文章于 2024-01-05 16:53:58 发布
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特别说明:
1、这是一个大佬的tao店:1.0 ha:/₴sklPcDGhJOy₤(我是买他的开发板的)
2、源代码设涉及版权问题,所以博客将不提供源码,请大家谅解
3、欢迎大家加我wx:wxk101633 备注:博客 。发布此博客时,正在春节,写得不够好,请大家交流反馈。感谢!!
///
一、基础讲解:
1、EtherCAT从站与EtherCAT主站最大的不同在于:主站完全准寻IP协议的7层网络结构,而从站的物理链路层与主站不同,物理链路层的数据报文格式由倍福公司规定。
2、通常情况下,我们不能使用普通的网卡芯片作为从站的物理链路层;可以使用ET1100、LAN9252、AX58100等协议芯片来实现。
3、这个博客里,我使用的是AX58100芯片,用STM32作为实现应用层的CPU;实现一个16进16出的数字量IO从站。
///
二、从站设备描述文件XML
1、XML文件基础介绍
XML文件是从站设备描述文件,被烧写在从站协议芯片可读写的EEPROM中;AX58100上电后,会从EEPROM中加载相关的配置选项,通过SPI通信与CPU交互,初始化CPU相关资料并初始化通信。
主站则需要根据从站的XML描述文件,发送PDO或SDO数据报文请求读写从站的寄存器。
2、XML文件结构介绍
整体框架如图:
这里重点讲解EtherCATInfo这一栏;Vendor包含设备供应商的描述,Descriptions包含所有设备资源描述,是最重要的地方。
打开Verdor,我们可以通过修改ImageData节点的数据,来修改设备挂载到主站下后的形象:
打开数据节点Descriptions,这里是我们修改自己的数据资源主要地区:
到这里,我将通过具体的例子来讲解如何改写XML文件:(如果不这样,很难描述清楚)
第一步:修改设备挂载后的名字 打开Descriptions-->Devices-->Devices-->Type-->Text,这里修改的是,主站设备挂载该从站IO后的默认实例名称;打开Descriptions-->Devices-->Devices-->Name,将内容修改为设备的名称。 / 第二步:配置各种通信超时时间(通常保持默认,后期主站挂载从站时可以通过主站来调整) 打开Descriptions -->Devices-->Device-->Info / 第三步:开始创建16路IO映射变量区(重要环节) 1、首先,需要想好实际要映射的数据PDO;例如我们要映射16路的数字量输入(Tx)和16路的数字量输出(Rx)。 2、先讲解一下,EtherCAT协议规范的PDO数据映射关系: 3、注意:AX58100等协议芯片中,数据寄存器的地址是按16位(字)单位偏置的,所以在定义PDO数据报文时,每个PDO报文必须至少传递一个字的数据长度,不足的需要补齐!! 4、现在,我们先修改或添加对应PDO的数据类型(如果是DINT INT等标准数据类型,则必须是EtherCAT协议允许的才可以):Descriptions-->Devices-->Device-->Profile-->Dictionary-->DataTypes-->DataType 5、类型定义好了,接下来修改对应的PDO报文申明:Descriptions-->Devices-->Device-->Profile-->Dictionary-->Objects-->Object 6、申明好PDO数据报文后,接下来我们需要修改SM同步数据通道,将数据映射到父级,协议芯片将从这里开始逐级索引数据报文:Descriptions-->Devices-->Device-->sm、Rxpdo、Txpdo(协议芯片从这里开始加载数据到内核,并从报文中读取数据到内核) 7、修改SM内容后,你会发现,父级PDO x1601(Rxpdo)和x1a00 PDO节点的映射内容也发生了改变;所以这些父级节点对应的数据类型与PDO申明也需要修改:(父节点PDO的每个成员是子PDO节点的寄存器地址,32位数据) // 第四步:将修改好的XML文件通过twcat软件烧写到协议芯片的EEPROM中。
三、STM32应用层代码的修改
实际上,单纯修改XML文件只是可以让协议芯片在于主站交互数据报文时,有一个依据而已,实际需要交互的数据需要有从站的CPU和外设提供,通过SPI与协议芯片交互。所以,我们还需要再STM32程序内驱动对应的硬件设备,并实现spi数据读写交互。
这里只讲解需要修改的部分: 第一步:在源代码的el9800app.h中,添加数据节点结构体系列描述:(有四个东西需要创建或修改) 第二步:将新创建的PDO节点,加入应用PDO节点管理数据(在源代码的el9800app.h中) 第三步:在源代码的el9800app.h中,对应修改1601映射数据管理对象的四个东西 第四步:在源代码的el9800app.h中,修改1c12PDO对象,因为1600~1602是映射到1c12上,最终完成主从数据交换的 第五步:在el9800appl.c文件中,按照需求为数据节点PDO分配内存空间,用于交互数据 第六步:在el9800appl.c文件中,将PDO数据缓存区内容赋值给具体的硬件接口,实现硬件操作 第七步:硬件驱动初始化,否则数据也无法在硬件上体现出来
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基于STM32的EtherCAT从站IO讲解
EtherCAT IO从站 工业通信
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lan9252与stm32的EtherCAT从站实现,ethercat主站代码stm32,C,C++
09-10
实现基于 LAN9252
ethercat从站stm32程序和使用文档,实现了IO、AD、DA功能。
07-20
2018年暑期自己搞的项目的一部分,包括基于stm32f407的ethercat从站程序以及配套的XML文件。实现了IO、AD、DA功能。在别人已经实现的ethercat从站功能上,我根据智昂的从站板子添加了AD、DA功能。参考了别人的提供的资料,算是踩在了巨人的肩膀上吧。
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EtherCat 从站控制芯片
最新发布
weixin_46024116的博客
01-05
973
EtherCat 从站控制芯片简称ESC,是实现EtherCat数据链路层协议的专用芯片,用作处理EtherCat数据帧,并为从站控制装置提供数据接口,简单说就是一般我们的MCU不支持EtherCat(当然也有支持的,支持的就不需要ESC),ESC就是个转换器,一般和MCU选择串行(SPI)的方式来通信。ESC存储空间:前面讲到ESC具有64K字节的DPRAM,前4K(0x0000–0x0FFF)字节的寄存器空间。
STM32 EtherCATEtherCAT通信,量产伺服驱动器采用STM32作为主控支持ethercat从站IO,模拟输
07-04
STM32 EtherCAT
EtherCAT通信,量产伺服驱动器
采用STM32作为主控
支持ethercat从站IO,模拟输入
已实现底层驱动,中断处理,数据通信
包括原理图,源代码,说明文档
已移植量产使用,具有极高的参考价值
我会提取出相关的知识点和领域范围,并为你提供一些相关的基础知识。
这里介绍了一个使用STM32作为主控的EtherCAT通信系统,用于量产伺服驱动器。该系统支持EtherCAT从站IO和模拟输入,并已经实现了底层驱动、中断处理和数据通信。它包括了原理图、源代码和说明文档,并已经成功移植并应用于量产中,具有极高的参考价值。
相关的知识点和领域范围包括:
STM32:STM32是一系列由STMicroelectronics开发的32位ARM Cortex-M微控制器。它们广泛应用于各种嵌入式系统中,提供了丰富的外设和功能。
EtherCAT通信:EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是一种实时以太网通信协议,用于工业自动化领域。它具有高性能、低延迟和可扩展性等特点,适用于实时控制和数据传
STM32F303+LAN9252的EtherCAT实现IO、AD、DA
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从去年年末接触EtherCAT总线以来,由于其他一些工作原因,前期设计的基于STM32F303+LAN9252开发板一直未能跑通,仅实现了LAN9252这部分电路与Twincat的通讯,MCU与LAN9252未能成功通信交互数据。近段时间又返回重新开始了这部分内容。终于是将下位机调试成功。之前在选择MCU时考虑很多,最后在网上找到了这样一份答案,选取EtherCAT主控单片机时应选择FLASH在25KB、RAM在32KB以上的MCU,考虑成本
基于STM32的伺服总线EtherCAT主站设计——SOEM方案
weixin_48501028的博客
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本文介绍在正点原子的STM32H743开发板上,使用SOEM方案实现EtherCAT主站通讯,本文记录从零基础学习路线,从入门到移植成功控制电机转动。
EtherCat主站与从站简介
JXES智能生态系统
03-29
3716
ETG.1000 系列文件是在 EtherCAT Technology group 范围内对 EtherCAT Technology 详细说明。
(转载)STM32与LAN9252构建EtherCAT从站
xiahailong90的博客
02-27
9507
EtherCAT Technology Group | 联系方式。使用SSC,可以快速地构建EtherCAT从站代码,保证从站协议栈与最新的EtherCAT协议相匹配,同时还可以生成从站设备描述文件,这是一份XML文件,需要放在TwinCAT安装路径下的目录下,在使用TwinCAT对设备进行组态时需要使用。是EtherCAT从站设计过程中很重要的一个文件,关于从站设备传输多少数据,是否启用分布式时钟,PHY(LAN9252)与MCU之间如何通信等等重要数据都在这个描述文件中定义。
EtherCAT从站XML文件组成元素详解(4):设备配置文件编号
kevin1499的博客
11-29
1416
根据EtherCAT的xml组成规范,结合DM3E-556、GL20-RTU-ECT从站XML文件,详细分析了EtherCAT从站xml文件的设备配置文件编号信息组成。
基于STM32构建EtherCAT主站(SOEM方案)2
cln512的博客
12-22
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基于stm32构建ethercat主站
基于stm32构建EtherCAT主站,采用了开源的soem方案
12-05
基于stm32构建EtherCAT主站,将soem方案移植到了stm32上。基本功能测试正常,可以驱动一部分的伺服电机,但也存在一些bug。整体移植方式应该是正确的,具体移植方式将写于CSDN博客中。
基于AM4377的EtherCAT主站控制stm32从站的小程序
07-23
基于AM4377的EtherCAT主站控制stm32从站小程序。一个igh小例程,用于控制EtherCAT从站。主站控制3个倍福EL2008从站每秒钟实现1次亮灭,每秒读取stm32从站的AD数据并在串口中打印出来,stm32从站的8路输出由8路输入...
【EtherCAT实践篇】三、EtherCAT从站软件设计-IO口操作
zhandouhu的博客
01-27
8870
【EtherCAT分析】二、EtherCAT从站驱动程序分析已经给出了EtherCAT从站软件设计的基本框架,下面结合设计的EtherCAT从站硬件板子进行如程序设计。
1、STM32底层引脚及功能配置
主要完成RCC时钟,GPIO口、AD采样、SPI接口等配置。
1.1 GPIO口配置:16路拨码开关输入,16路LED输出
void GPIO_init(void)
{
...
STM32H743 SOEM EtherCAT 基于STM32H743芯片和SOEM的EtherCAT主站介绍
2301_78835236的博客
06-22
823
SOEM的版本1.3.1是指其协议栈的特定版本,每个版本可能会有一些改进和修复。EtherCAT通信协议:我可以解释EtherCAT协议的工作原理、优势和应用场景,并介绍EtherCAT主站和从站的概念。如果您对STM32微控制器系列感兴趣,我可以为您提供更详细的信息,例如不同系列和型号的特点、应用案例和开发方法。如果您对实时以太网通信感兴趣,我可以为您详细介绍实时以太网通信的基本原理、常见协议和在工业自动化中的应用。实时以太网通信:我可以讲解实时以太网通信的基本原理、常见协议和在工业自动化中的应用。
工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析(转自知乎“智能制造之家“)
qq_43599327的博客
09-07
7035
EtherCAT协议
EtherCat概述
weixin_46024116的博客
12-12
974
所有的状态改变都由主站发起,主站向从站发送状态控制命令请求新的状态,从站响应此命令,执行所请求的状态转换,并将结果写入从站状态指示变量。段内寻址有设备寻址和逻辑寻址,设备寻址针对某个从站进行读写,逻辑寻址面向过程数据,可以实现多播,同一个子报文可以读写多个从站设备。对于运行在同步模式的从站,主站应该检查相应的过程数据帧的周期时间,保证大于从站支持的最小周期时间。参考时钟和从时钟: EtherCAT协议规定主站连接的第一个具有分布时钟功能的从站作为参考时钟,其它从站的时钟称为从时钟。
十四.EtherCAT开发之ST MCU STM32F407ZGt6+ AX58100的开发FOE应用
aiot_bigbear的专栏,关注我获取最新技术文章信息与海量资源~
06-21
2469
STM32F407ZGt6与AX58100是 SPI连接,工作在SPI模式。FoE(File Access over EtherCAT)可实现EtherCAT节点之间的文件传输。
基于STM32F429 + ECM-XFU搭建运动控制平台,实现EtherCAT通讯
weixin_48501028的博客
08-24
1173
笔者最近项目是要设计一款运动控制器,主要是实现EtherCAT通讯,准备使用STM32F429作为主控芯片,通过SPI控制ECM-XFU芯片,最终要实现32轴的EtherCAT控制。本文记录笔者的制作过程,本人才疏学浅,如有错误还请指正。
stm32 ethercat从站电路
11-14
STM32 EtherCAT是一种使用STM32微控制器实现的EtherCAT(以太网控制自动化技术)从站电路。EtherCAT是一种高性能实时机制,用于工业自动化系统中实现高速、低延迟的实时数据通信。
STM32 EtherCAT从站电路可以使用STM32微控制器作为主要的处理和通信芯片。STM32微控制器拥有强大的计算能力和丰富的外设资源,可以与EtherCAT通信的物理层芯片进行连接。
在STM32 EtherCAT从站电路中,主要包含了STM32微控制器、EtherCAT通信的物理层芯片、以及连接这两者的接口电路。STM32微控制器负责实时处理和响应来自EtherCAT主站的命令和数据,同时利用物理层芯片与其他从站进行高速、低延迟的通信。
由于STM32微控制器的强大功能和丰富的外设资源,STM32 EtherCAT从站电路可以实现多种不同的功能,例如数据采集、信号处理、运动控制等。同时,STM32微控制器的低功耗特性也能够满足一些对功耗要求较高的应用场景。
总结来说,STM32 EtherCAT从站电路是一种基于STM32微控制器的实现EtherCAT通信协议的从站电路。它能够提供高性能、低延迟的实时数据通信,适用于工业自动化系统中的各种应用场景。
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AUTO_WANG:
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EtherCAT的实现和应用 - 从站软硬件设计 - 知乎
EtherCAT的实现和应用 - 从站软硬件设计 - 知乎首发于EtherCAT切换模式写文章登录/注册EtherCAT的实现和应用 - 从站软硬件设计酱哒珠海极海半导体有限公司 嵌入式工程师01 从站硬件设计从站最小系统EtherCAT的最小系统由MCU、ESC、晶振、EEPROM、PHY芯片和RJ45接口组成。 从站应用系统一般来说我们可以采用MCU + ESC芯片,集成IO控制和电机控制两种从站方案。作为IO从站应用时,可以利用板载的4个LED和4个Button实现IO逻辑功能。而作为Motor从站应用时,可以利用UVW和HALL采样电路驱动BLDC电机。另外还可引出了ADC、DAC、CAN和RS485等扩展接口。02 从站软件设计从站栈代码代码结构EtherCAT从站栈代码(EtherCAT Slave Stack Code)的代码结构如下图所示,包含ESC内存接口、mailbox(CoE、EoE等等)、DC(Sync)同步功能、过程数据处理、状态机和本地通信应用等结构。其中过程数据的处理使用对象字典,和CoE协议定义的一致。基础的示例代码可以从官方的SSC Tool获得。状态机EtherCAT状态机(ESM,EtherCAT Slave Machine)负责协调主站和从站应用程序在初始化和运行时的状态关系。SSC代码中的ESM在AL_ControlInd()函数实现。EtherCAT设备必须支持四种状态,另外还有一个可选的状态。所有的状态改变都由主站发起。具体可以看《ETG.1000-part 6》应用层协议规范。ESI从站信息接口文件EEPROM内容结构ESC使用EEPROM来存储所需要的设备相关信息,称为从站信息接口SII(Slave Information Interface)。EEPROM的容量为1Kbit ~ 4Mbit,取决于ESC规格。EEPROM内容结构如下图所示。采用字地址,字0~63是必须的基本信息。这些信息都写在XML文件中。XML文件结构每个从站都要有一个XML配置文件,XML里定义的对象字典和PDO设置,需要和固件里的对象字典相对应。还记得”概述“里讲到的从站信息文件xml文件吧。 标蓝色的几个部分是主要的配置内容。下图是XML编辑器转换的视图,关键的对象字典和数据类型都在Devices->Device->Profile元素里。上面部分为制造商信息,下面部分为从站描述信息,包括设备标识、设备名称、接口类型、FMMU通道、SM、过程数据定义、邮箱、分布时钟、EEPROM。发布于 2022-03-21 23:05Ethernet软硬件产品设计(硬件)赞同 31 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCATEtherCAT的实现
EtherCAT从站开发入门-CSDN博客
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EtherCAT从站开发入门
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xmc4800
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EtherCAT从站开发中,除了常见的ESC(FPGA IP)+DSP方案外,TI、瑞萨、英飞凌等芯片厂家也纷纷推出了集成ESC功能的芯片,本文介绍英飞凌XMC4800芯片的入门使用,并在后续文章中,基于英飞凌提供的从站例程,介绍EtherCAT基本原理和具体的代码实现过程。
一、软硬件环境
(1) XMC4800 Relax EtherCAT Kit开发板 (2)编程软件DAVE4.3.2 (3)测试主站Twincat v3.1
二、 获取例程
从英飞凌官网下载开发板的例程: http://www.infineonic.org/document/detail/index/id-216122 解压后如下图所示: 其中SSC目录下已经包含SSC5.1相关的源码。
三、导入工程
打开DAVE,File->Import导入之前下载的工程:
四、编译并下载
右键点击XMC4800_ECAT_Relax_EEP工程并选择Build Project,编译完后如下: 点击工具栏上的Run或Debug按钮将工程下载到开发板。
五、使用Twincat3进行测试
将例程中的从站设备描述文件XMC4800_Relax.xml拷贝到Twincat3对应目录: C:\TwinCAT\3.1\Config\Io\EtherCAT
打开Twincat3并新建工程,扫描设备:
扫描到从站后,就可以控制LED灯的亮灭,并检测到开发板上的按钮状态。
点亮LED1和LED3:
检测按钮状态:
六、一致性测试
使用ETG官方提供的一致性测试软件CTT对从站进行测试,结果如下: 可见,从站可通过一致性测试。
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EtherCAT从站开发入门
EtherCAT从站开发中,除了常见的ESC(FPGA IP)+DSP方案外,TI、瑞萨、英飞凌等芯片厂家也纷纷推出了集成ESC功能的芯片,本文介绍英飞凌xmc4800芯片的入门使用过程,并在后续文章中,基于英飞凌提供的从站例程,介绍EtherCAT基本原理和具体的代码实现过程。一、软硬件环境...
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简化XML生成,简化编程,快速入门
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简化编程Keil程序示例:
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EtherCAT从站控制芯片TMC8462、8461、8460
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EtherCAT salve从站控制芯片 TMC8462、8461、8460EtherCAT的研发目标是将以太网应用于需要短暂数据更新时间(也称周期时间,≤100 µs)的自动化应用,且通信抖动小(为了实现精确同步,≤1 µs)、硬件成本更低。
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本文主要简述EtherCAT从站开发关键知识点:COE对象字典、PDO、SDO、状态机、同步模式、关键API接口等。
EtherCAT从站开发设计指南,总线远程IO篇
2301_79171935的博客
08-15
1080
EtherCAT是全球响应能力最高的工业以太网技术,广泛应用于工业自动化,本文从工程实践出发讲解设计EtherCAT从站
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ethercat从站开发流程
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EtherCAT是一种实时工业以太网通信协议,由德国Beckhoff公司开发。在EtherCAT网络中,从站设备扮演着从属角色,接受主站的指令进行控制操作。下面是EtherCAT从站开发的一般流程:
1. 硬件设计:选择合适的EtherCAT芯片,并与MCU进行连接,然后进行硬件设计。确保从站硬件符合EtherCAT标准。
2. 软件开发:编写从站设备的驱动程序、控制逻辑和EtherCAT协议栈。
3. EtherCAT从站实时栈:使用EtherCAT从站实时栈开发包,搭建起整个EtherCAT从站框架。
4. EtherCAT从站配置:使用EtherCAT Master工具对从站进行配置,将其添加到EtherCAT网络中,并完成地址分配等设置。
5. EtherCAT从站测试:使用EtherCAT分析工具对从站进行性能测试和分析。对EtherCAT设备进行全面的性能测试,确保EtherCAT网络的高性能和可靠性。
6. EtherCAT应用程序的开发。EtherCAT从站应用程序是整个系统的核心。根据要求完成EtherCAT控制器的开发。
EtherCAT从站的开发流程非常重要,确保了EtherCAT应用程序和硬件设备的连接,使其在工业控制领域可靠的被应用。
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EtherCAT — 以太网现场总线
选对合适的通信技术非常重要:它决定了控制性能是否能直达现场层,以及可以使用哪些设备。EtherCAT 是由倍福开发的工业以太网技术,它能够助力实现通信速度更快、更简单、更经济的设备和系统。EtherCAT 以太网现场总线将以太网的优势和传统现场总线系统的简洁性融合于一体,避免了 IT 技术不必要的复杂性。2003 年成立的 EtherCAT 技术协会(ETG)确保 EtherCAT 技术对所有潜在用户开放。ETG 是目前全球最大的现场总线用户组织,拥有来自 67 个国家的 6000 多家会员单位(截至到 2020 年 12 月)。
EtherCAT 是一种具有良好开放性和超高稳定性的技术,已经被纳入国际 IEC 标准:目前,EtherCAT 协议仍然保持稳定不变;但是该技术仍在不断扩展并保持兼容性。这意味着当前设备可以轻松地集成到现有系统中,无需考虑版本是否不同。扩展功能包括用于同一网络中设备和人员安全的 Safety over EtherCAT 安全协议,以及用于将通信与供电(2 x 24 V)集成在同一根四芯电缆上的 EtherCAT P。还有 EtherCAT G/G10,它们具有更高的传输速率,同时通过分支控制器理念集成现有的 EtherCAT 设备,因此与百兆 EtherCAT 技术可以无缝连接。
ETG手册。EtherCAT
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EtherCAT 端子模块
EtherCAT 端子模块产品可以适用于自动化领域的几乎所有信号类型。
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EtherCAT 端子盒
EtherCAT 的高性能直达现场层:倍福可提供由 EtherCAT 端子盒组成的防护等级高达 IP 67 的 I/O 系统。
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EtherCAT 插拔式模块
EtherCAT 插拔式模块简化了标准设备的接线工作,同时缩短了系统的安装时间。
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EtherCAT 和现场总线电缆
EtherCAT 和现场总线电缆确保可靠的数据传输,适用于工业应用环境和其它恶劣的环境条件。
更多信息
工程师的选择:EtherCAT 的六大核心优势
卓越的性能
灵活的拓扑
简单且耐用
集成功能安全
低成本易实现
支持最多样化的厂商和设备
卓越的性能
灵活的拓扑
简单且耐用
集成功能安全
低成本易实现
支持最多样化的厂商和设备
EtherCAT 是迄今为止速度最快的工业以太网技术之一,同时它提供纳秒级精度的同步。所有由总线系统控制或监测的系统应用都将从此大大获益。EtherCAT 系统中设备的快速反应时间减少了处理步骤中的状态转换等待时间,从而显著提高了应用的效率。最后,相对于设定了相同循环时间的其他总线系统,EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30% 的 CPU 负载。而最好的情况下,EtherCAT 性能可以提高精度,提升数据吞吐量,并降低成本。
在 EtherCAT 应用中,机器结构决定网络拓扑结构,而不是网络拓扑结构决定机器结构。在传统的工业以太网系统中,可安装的交换机和集线器的级联数量是有限的,这限制了整个网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器,因此没有这方面的限制。简而言之,EtherCAT 在网络拓扑方面没有任何限制。几乎无限数量的节点可以组成线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。由于具备自动链接检测功能,节点和网段可以在运行中断开及重新连接 — 甚至连接到其他地方。线型拓扑可以拓展为环形拓扑,从而实现线缆冗余。主站设备仅需要第二个以太网口即可实现这种冗余功能,而从站设备已经具备了支持冗余功能的条件。因此可在机器运行期间断开设备。
配置、诊断、维护都与系统的成本息息相关。以太网现场总线使得所有这些任务变得异常简单:EtherCAT 可以自动配置地址,而无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层增强了抗电磁干扰的能力。网络可以准确地定位潜在的干扰,从而大大缩短了故障排除时间。在启动时,网络会对目标拓扑与现实拓扑进行对比以检测差异。EtherCAT 出色的性能通过减低对网络调试的需求,从而缩减系统配置的工作量。高带宽可以将其他 TCP/IP 与控制数据同时传输。然而,EtherCAT 并不是基于 TCP/IP 的,因此无需使用 MAC 地址或 IP 地址,更不需要 IT 专家配置交换机或路由器。
将功能性安全作为网络结构的一个不可或缺的部分?这对于 FSoE(Fail Safe over EtherCAT)来说不是问题。FSoE 是经使用验证的,自 2005 年就有了通过 TÜV 认证的 FSoE 设备。协议满足 SIL 3 系统要求,且适用于集中控制和分散控制系统。由于采用了黑色通道的方式及特别精简的安全容器(Safety Container),FSoE 也可以应用于其他总线系统。该集成方案及精简的协议可降低系统成本。此外,一个对安全等级要求不高的控制器也可以接收并处理安全数据。
EtherCAT 以相当于甚至低于传统现场总线系统的价格水平提供工业以太网的特性。对于主站设备,硬件仅需要一个以太网端口 — 而无需昂贵的接口卡或协处理器。不同形式的 EtherCAT 从站控制器可以从很多供应商那里获得:作为 ASIC 芯片、基于 FPGA,或作为标准微处理器的可选总线接口。由于这些便宜的控制器可以承担所有对时间要求苛刻的任务,EtherCAT自身并不向从站设备 CPU 提出任何性能要求,从而降低了设备成本。因为 EtherCAT 不需要交换机或其他有源基础组件,从而节省了此类组件及其安装、配置和维护的成本。
EtherCAT 是迄今为止在市场上拥有厂商和设备种类最多的工业以太网技术之一。而且,由于倍福发明了 EtherCAT,其他厂商通常使用倍福的 TwinCAT(EtherCAT 控制器的黄金标准)来测试他们的 EtherCAT 产品。倍福开发了 1000 多种 EtherCAT 设备,是全球 EtherCAT 产品系列最多的厂商,当然,如果需要的话,您还可以使用其他 3000 家正式注册的厂商提供的 EtherCAT 产品进行补充。而目您也可以使用 EtherCAT 从站控制器芯片轻松开发出目前市场上还没有的产品。
技术详解
基于以太网
EtherCAT 是工业以太网,采用标准的以太网数据帧和符合以太网标准 IEEE 802.3 的物理层。EtherCAT 还可以满足工业自动化领域的各项具体需求:
需要确定的响应时间的硬实时性系统由多个节点构成,且每个节点只有少量的周期性过程数据相对于 IT 和办公应用中的硬件成本而言,工业自动化的硬件成本更加重要
标准以太网网络几乎无法满足以上需求的现场级应用。如果每个节点使用一个独立的以太网报文传输几个字节的周期性过程数据,那么有效数据利用率会明显下降:因为以太网报文的最短长度为 84 字节(包括帧间距),其中的 46 个字节可以用于过程数据。
例如,一个驱动器发送 4 字节的实际位置和状态信息过程数据,同时接收 4 字节的目标位置和控制字信息数据,则发送/接收报文的有效数据利用率下降到 4.8%(4/84)。另外,驱动器通常在接收到目标值后,触发传输实际值需要一定的响应时间。最终,100 Mbit/s 的带宽会所剩无几。而在 IT 领域通常使用的路由(IP)和连接(TCP)协议栈需要为每个节点使用附加的协议头,会产生进一步的延时。管理 MAC 和 IP 地址、SNMP、IGMP Snooping、路由器和交换机并不适合所有应用。
EtherCAT 运行原理
一个 EtherCAT 数据帧足以完成所有节点控制数据的发送和接收,这种高性能的运行模式克服了传统以太网无法解决的各种问题。EtherCAT 主站发送一个报文,报文顺序经过所有节点。EtherCAT 从站设备高速动态地(on the fly)读取寻址到该节点的数据,并在数据帧继续传输的同时插入数据。这样,数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时。当某一网段或分支上的最后一个节点检测到开放端口(无下一个从站)时,利用以太网技术的全双工特性,将报文返回给主站。EtherCAT 报文的最大有效数据利用率高达 90% 以上,而由于采用全双工特性,有效数据利用率理论上高于 100 Mbit/s。EtherCAT 主站是网段内唯一能够主动发送 EtherCAT 数据帧的节点,其他节点仅传送数据帧。这一设想是为了避免不可预知的延时,从而保证 EtherCAT 的实时性能。EtherCAT 主站采用标准的以太网介质访问控制器(MAC),无需额外的通信处理器。因此,任何集成了以太网接口的硬件平台都可以实现 EtherCAT 主站,而与所使用的实时操作系统或应用软件无关。EtherCAT 从站设备使用 EtherCAT 从站控制器(ESC)在硬件中高速动态地(on the fly)处理 EtherCAT 数据帧,不仅使网络性能可预测,而且其性能独立于具体的从站设备实施方式。
EtherCAT 协议
EtherCAT 将其报文嵌入到标准的以太网数据帧中(形成 EtherCAT 数据帧)。由于 EtherCAT协议被优化为适用于短周期性的过程数据,因此无需庞大的协议堆栈,例如 TCP/IP 或 UDP/IP。节点之间的以太网 IT 通信可以选择通过邮箱通道实现,而不会影响实时数据传输。EtherCAT 数据帧包含一个或多个 EtherCAT 子报文,子报文头标明了主站设备的访问方式:
读,写,或读-写通过直接寻址访问指定的从站设备,或通过隐式寻址访问多个从站设备
隐式寻址方式主要用于周期性交换的过程数据。每个报文定位到 EtherCAT 网段中过程映像的具体位置,可以为过程映像提供 4 GB 的地址空间。网络启动阶段,在全局地址空间中,为每个从站分配一个或多个地址。如果多个从站设备被分配到了相同的地址域,那么可通过单个报文对其进行寻址。
由于报文中包含了所有的数据访问相关信息,因此主站可决定何时对哪些数据进行访问。例如,主站设备可以使用短循环周期刷新驱动器中的数据,长循环周期采样 I/O 端口,固定的过程数据结构不是必要的。
除了逻辑寻址外,EtherCAT 主站还可以通过设备在网络中的位置寻址从站设备。该方法是在网络启动期间检测网络的拓扑结构,并将其与预期的拓扑结构进行比较。在检查完网络配置后,EtherCAT 主站为每个节点分配一个配置好的节点地址,并通过该固定的地址与节点进行通信。这使得主站可以有针对性地访问某个从站设备,即使网络拓扑结构在运行期间发生改变,例如对于热插拔组。除循环数据之外,其他数据报文可用于实现异步通信或事件驱动的通信。
灵活的拓扑结构
EtherCAT 几乎支持所有的拓扑结构:线型、树型、星型、菊花链型。EtherCAT 使得带有成百上千个节点的纯总线型或线型拓扑结构成为可能,而不受限于级联交换机或集线器。最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合:用于创建分支的端口被直接集成到 I/O 模块中,无需专用的交换机或其他有源设备。另外,还可以使用以太网中常用的星型拓扑结构。
模块化、复杂的机器往往需要在运行过程中连接或断开一个网段或独立的节点(热连接)。EtherCAT 从站控制器已经具备了这种热插拔特性的基础。当移除一个相邻站点时,该站点对应的端口会自动关闭,网络的剩余部分继续正常运行。整个检测时间 < 15 μs,从而保证了平稳切换。
有多种灵活的电缆类型可供选择:成本低廉的工业以太网电缆可采用 100BASE-TX 模式(传输信号)连接两个间距长达 100 米的节点。对于节点间距大于 100 米的应用,还可使用光纤(如100BASE-FX)。可以说,以太网的任何线缆类型都适用于 EtherCAT。
EtherCAT 有充足的带宽资源,因此可以通过 EtherCAT 网关集成作为底层总线的传统现场总线系统。这种用法特别有助于从传统网络移植到 EtherCAT 系统的应用,使系统逐步升级到 EtherCAT,并可以继续使用尚不支持 EtherCAT 接口的自动化组件。
EtherCAT 网络可连接多达 65535 个设备,网络容量几乎没有限制。由于实际上节点数量没有限制,可以将模块化设备设计为每个 I/O 片都是一个独立的 EtherCAT 从站。因此无需本地扩展总线,高性能的 EtherCAT 能直达每个模块。因为在总线耦合器上无需网关,所以没有任何延时。
用于高精度同步的分布式时钟
精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如,对于执行协同运动的多个伺服轴的应用便是如此。下面将进一步详细解释,在控制单根轴时,准确的时基同样也很重要。
对于完全同步的通信,通信错误会立即影响其同步品质,而与其相比,分布式同步时钟对于通信系统的抖动具有很好的容错性。因此,EtherCAT 采用分布式时钟(DC)的方式同步节点。各个节点的时钟校准完全基于硬件。第一个具有分布时钟功能的从站设备的时间被周期性地发布给系统中的其他设备。采用这样的机制,其它从站时钟可以根据参考时钟精确地进行调整。整个系统的抖动远小于 1 µs,通常在两位数的纳秒范围内。
由于参考时钟发送时间到其他从站设备时产生轻微的传输延时,因此必须能够测量该延时并补偿给每个从站设备,以确保通信的同步性和同时性。可在网络启动期间测量该延时,如有需要,甚至在通信过程中还可以连续不断地进行测量,从而保证各个从时钟彼此之间时差不超过 1 µs。
如果所有节点都具有相同的时间信息,那么它们可以同时触发输出信号,也可以给输入信号附上一个精确的时间戳。对于运动控制而言,除了同步性和同时性外,精确的周期同样重要。在运动控制应用中,速度值通过检测到的位置值计算,因此位置的精确等距测量非常关键(例如,以精确的周期)。此外,分布式时钟的使用也可以减轻主站设备的负担;因为位置测量等动作由本地时钟触发,而不是在接收到数据帧的时候触发,主站设备对数据帧的发送没有那么严格的要求。 这样可以用软件在标准以太网硬件上实现主站堆栈。主站即使是几微秒范围内的抖动也不会降低分布式时钟的精度!由于时钟的精度与何时进行设置无关,因此数据帧的绝对传输时间变得无关紧要。EtherCAT 主站只需确保在从站设备的直流信号触发输出之前及早发送 EtherCAT 报文。
Webinar: Distributed Clocks
诊断和错误定位
传统现场总线的应用经验表明,诊断能力对于机器的可用性和调试时间起着决定性的作用。在故障排除过程中,错误检测和错误定位非常重要。EtherCAT 可以在启动过程中扫描网络拓扑结构,并将其与预期的拓扑结构进行对比。另外,EtherCAT 还在其系统具有许多额外的诊断能力。
每个节点中的 EtherCAT 从站控制器利用校验码对传输的数据帧进行错误检测,只有在数据帧被正确接收之后,从站应用才会得到相关信息。而一旦发现位错误,错误计数器就会自动加 1,后面的节点则会被通知数据帧中包含错误。主站也会检测到数据帧包含错误,并摒弃其中的信息。主站通过分析节点的错误计数器,能够检测到系统中发生错误的最初位置。这相对于传统的现场总线系统而言有很大优势,在传统现场总线中,错误一旦发生就会沿着公用线缆一路传播,而不可能对错误进行定位。EtherCAT 能够检测并定位偶发的干扰,避免对机器运行造成影响。链路丢失计数器功能可以快速定位 EtherCAT 网段中出现松动的连接器。
得益于其独特的运行原理,EtherCAT 具有出色的带宽利用率。采用此种传输方式,EtherCAT 比传统以太网那样每个节点用一个独立帧的传输方式的效率高出数倍。如果使用同一循环周期,在一个 EtherCAT 帧内由于位错误引发干扰的可能性很低。而且,在典型的 EtherCAT 方式中,由于循环周期更短,恢复错误所需要的时间也将明显缩短。因此,在应用中对于主站出现这样的问题也会更为简单。
由于 EtherCAT 使用的是标准以太网数据帧,因此可以借助免费的以太网软件工具记录以太网网络流量。例如,常用的 Wireshark 软件自带用于 EtherCAT 的协议解释器,因此,工作计数器、指令等协议专用的信息,都以纯文本形式显示。然后,主站能够循环确认是否所有节点都在与一致的数据协作。如果工作计数器的值与它应该有的不同,主站不会将这个数据报文的数据传输给控制应用程序。然后,主站设备能够借助来自节点的状态和错误信息以及链接状态,自动检测出造成意外行为的原因。
Webinar: EtherCAT diagnostics
高可用性
对于具备高可用性的机器或设备,当出现线缆损坏或节点故障时,不应影响对某个网段的访问或导致整个网络出现故障。EtherCAT 通过简单的措施实现线缆的冗余性。通过将网络中最后一个节点与主站设备中的以太网端口连接,可以将线型拓扑结构扩展为环型拓扑结构。在需要冗余的情况下,例如当线缆损坏或节点出现故障时,可被主站堆栈中的附加软件检测到。仅此而已,而各节点无需为此而改变,甚至不会“意识到”它们正在冗余线路中运行。
位于从站设备中的链路检测功能会自动地检测并解决冗余问题,且恢复时间不超过 15 µs,因此最多破坏一个通信周期。这意味着即使是周期时间很短的运动控制应用,在线缆损坏时,也可以平稳地继续工作。
使用 EtherCAT 还可以通过热备份实现主站设备的冗余。对于比较脆弱的网络部件,例如通过拖链连接的部件,可以使用分支线缆连接,确保在线缆损坏时,机器的其他部分仍能继续运行。
EtherCAT 发展历程
XFC
XFC 基于高效的控制和通信架构,可以实现 I/O 响应时间 ≤ 100 μs。
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EtherCAT P
全新的单电缆解决方案 — 铺平了无控制柜的自动化之路。
更多信息
EtherCAT G
EtherCAT G 基于成功的 EtherCAT 技术运行原理,同时将数据速率提升到 1 Gbit/s 或 10 Gbit/s。
更多信息
EtherCAT 技术协会 — ETG
EtherCAT 技术协会(ETG)确保 EtherCAT 技术对所有潜在用户开放。EtherCAT 设备制造商、技术提供商和用户共同推动该技术的发展。他们拥有一个共同目标:保持 EtherCAT 的稳定性和互操作性。ETG 每年都会在欧洲、亚洲和美国举办多次 Plug Fest 活动。Plug Fest 活动聚集 EtherCAT 设备研发者进行测试,以保证设备的互操作性。每个制造商在产品发布前应使用官方 EtherCAT 一致性测试工具对其 EtherCAT 设备进行一致性测试。在成功通过了授权测试实验室的测试后,ETG 将为制造商颁发一致性证书。
ETG 是全球最大的现场总线组织。ETG 官网主页上可以找到所有会员名单。然而,对于 ETG 来说,最重要的并不是会员数量,而是会员的活跃度。EtherCAT 设备的数量和种类都是无可比拟的,同时。在欧洲、亚洲和美国,EtherCAT 采用率都超过了其他工业以太网技术。
里程碑
2003 在汉诺威工业博览会上推出 EtherCAT 技术2003 SPS/IPC/DRIVES 展会期间,EtherCAT 技术协会(ETG)宣布正式成立2005 Safety over EtherCAT 技术被引入市场2007 EtherCAT 成为 IEC 标准2016 EtherCAT P:超高速通信和动力系统整合在一根电缆中2019 EtherCAT G:将性能提升到千兆级别
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