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1.EtherCAT网络架构
EtherCAT是一种实时工业以太网技术,它充分利用了以太网的全双工特性。
使用主从模式介质访问控制(MAC),主站发送以太网帧给主从站,从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。
主站使用标准的以太网接口卡,从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCATSlaveController),EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。
从以太网的角度来看,一个EtherCAT网段就是一个以太网设备,它接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧。
;但是,这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及相应的微处理器,它可由多个EtherCAT从站组成,EtherCAT系统运行如图7-3所示。
这些从站可以直接处理接收的报文,并从报文中提取或插入相关的用户数据,然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文,并由第一个从站作为响应报文将其发送给控制单元。实际上只要RJ45网口悬空,ESC就自动闭合(close)了,产生回环(LOOP)。
;2.EtherCAT主站组成
EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡,只需使用无源的NIC(NetworkInterfaceCard)卡或主板集成的以太网MAC设备即可。
EtherCAT主站很容易实现,尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。
使用PC计算机构成EtherCAT主站时,通常是用标准的以太网卡作为主站硬件接口,网卡芯片集成了以太网通信的控制器和收发器。
EtherCAT使用标准的以太网MAC,不需要专业的设备,EtherCAT主站很容易实现,只需要一台PC计算机或其他嵌入式计算机即可实现。
EtherCAT主站使用标准的以太网控制器,传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆,如图7-4所示。
;;从站的通信功能是通过从站ESC实现的。
EtherCAT通信控制器ECS使用双端口存储区实现EtherCAT数据帧的数据交换,各个从站的ESC在各自的环路物理位置通过顺序移位读写数据帧。报文经过从站时,ESC从报文中提取要接收的数据存储到其内部存储区,要发送的数据又从其内部存储区写到相应的子报文中。数据报文的读取和插入都是由硬件自动来完成,速度很快。
从站使用物理层的PHY芯片来实现ESC的MII物理层接口,同时需要隔离变压器等标准以太网物理器件。
EtherCAT从站设备同时实现通信和控制应用两部分功能,其结构如图7-5所示。
;;EtherCAT从站由以下四部分组成。
(1)EtherCAT从站控制器ESC
EtherCAT从站通信控制器芯片ESC负责处理EtherCAT数据帧,并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与从站本地应用的数据交换。各个从站ESC按照各自在环路上的物理位置顺序移位读写数据帧。在报文经过从站时,ESC从报文中提取发送给自己的输出命令数据并将其存储到内部存储区,输入数据从内部存储区又被写到相应的子报文中。数据的提取和插入都是由数据链路层硬件完成的。
;(2)从站控制微处理器
微处理器负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从ESC读取控制数据,实现设备控制功能,并采样设备的反馈数据,写入ESC,由主站读取。通信过程完全由ESC处理,与设备控制微处理器响应时间无关。从站控制微处理器性能选择取决于设备控制任务,可以使用8位、16位的单片机及32位的高性能处理器。
(3)物理层器件
从站使用MII接口时,需要使用物理层芯片PHY和隔离变压器等标准以太网物理层器件。使用EBUS时不需要任何其他芯片。
(4)其他应用层器件
针对控制对象和任务需要,微处理器可以连接其他控制器件。
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