工业以太网技术是工业控制行业中的研究热点。EtherCAT技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的关注。本文详细介绍了EtherCAT技术的原理和协议形式,并结合TMS320LF2407给出了一种具体的EtherCAT从站实现方式。
【关键词】 工业以太网, EtherCAT, TMS320LF2407.
The principle of Industry Ethernet-EtherCAT
and its implementation
WANG Wei-jian
(Research Center of Shang Hai Xin Hua Control Technology Group Co.Ltd)
Industry Ethernet is becoming researching hot. EtherCAT as a kind of industry Ethernet is getting much more attention with its high speed, simplicity and easy availability. This paper introduces the principle of EtherCAT and its protocol, in addition, this paper tells how to implement EtherCAT slave with TMS320LF2407.
Key words Industry Ethernet, EtherCAT,TMS320LF2407.
图1 EtherCAT的OSI模型
EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包,将其解码,之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理,需要主站和从站配合完成工作,因而,EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。EtherCAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据,报文在I/O从站间传递,每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置,然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后,将报文传递回EtherCAT主站。
EtherCAT协议结构如图2所示。图2表明,由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据,EtherCAT充分利用了IO层的带宽,采用EtherCAT协议进行数据传输,可用的数据传输速率可达90%以上,100 Mbit/s的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理1000个数字量I/O只需30微秒,处理200个l6位模拟量信号只需50微秒,即取样频率达到20kHz。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合,可以做到真正把以太网应用于传感器/执行器级。EtherCAT协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型,包括线型、树型、星型等,并且不受限于级联交换机或集线器的数量。
在故障诊断方面,EtherCAT通过CRC校验,可以有效地检测出数据传送期间的位故障,EtherCAT通过匹配性检查可以进行断线检测和故障定位。另外,EtherCAT系统的协议还可以对各个传输段分别进行品质监视,与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。
图3 测试用EtherCAT主站人机界面
EtherCat从站是通过专用硬件实现的,目前,有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器,也可以一次性购买获取授权的二进制代码,通过价格低廉的FPGA实现从站控制器的功能。实现从站的专用硬件都具有两个MAC地址,可以很容易的扩展两个网口,目的是便于实现级联,构成各种拓扑结构。
本文采用TI公司的16位处理器TMS320LF2407作为微处理器,采用Beckhoff公司的ET1100作为工业以太网Ethercat协议通讯控制器。TMS320LF2407实现了EtherCat协议的应用层,可以通过16位并口对ET1100内部的DPRAM进行数据存取。ET1100带有两个MII接口,它们在硬件上实现了EtherCat协议的数据链路层,外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的的物理层。网络变压器的作用是实现隔离和阻抗匹配。主站PC与从站的数据通讯速率达到100Mbit/s,具体的实现从站的原理框图如图4所示。
图4 从站原理框图
本文作者的创新点:基于16位处理器TMS320LF2407和ET100实现了EtherCAT从站,搭建了EtherCAT技术验证平台,在国内引领了EtherCAT技术的的产品化。
参考文献
[1] 崔衍 王潜平 马海波 基于FPGA 的工业以太网灵活解决方案 微计算机信息,2009,2-2:p167-p169
[2] 陈卫民 谢楠 基于ARM的工业以太网智能网关研制 微计算机信息,2008,2-2:p133-p134
上一篇:以太网技术基本原理