imtoken中文版app|ethercat 上位机

作者: imtoken中文版app
2024-03-14 17:20:47

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EtherCat伺服驱动与上位机及PLC之间通讯的那些问题_上位机与汇川伺服驱动器ethercat通信-CSDN博客

EtherCat伺服驱动与上位机及PLC之间通讯的那些问题

最新推荐文章于 2023-11-24 22:46:24 发布

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Ethercat

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工业自动化行业的工程师们，就算没用过ethercat协议，肯定也听说过。

一说起Ethercat，觉得似乎挺高大上的，不少支持EtherCat协议的设备，无论是驱动器还是PLC，价格都还不低。

EtherCat给人最大的印象，是通用性和高速，但事实远不是那么回事。这里要吐槽的是通用性。

如果你没有用过EtherCat设备，现在想要使用，那么，在选择控制器（上位机）和驱动器的时候，就千万要小心了，如果商家和你说：

我们的设备使用的是通用的EtherCat协议

这时候，你需要注意的是什么呢？

是兼容性！

也就是所谓的“通用”，这是一个非常大的问题。举个亲身的例子，之前有项目要用到数控系统和伺服驱动，为了方便，决定选用EtherCat总线，最后选择了华中数控的系统和科尔摩根的伺服，当时在选型时，都询问了厂家，关于是否支持EtherCat协议，厂家都给予了肯定回复，信誓旦旦地跟我说，我们的EtherCat协议是通用的，只要你的设备（上位机）是EtherCat，就可以通讯。

但是，等我们把东西买回来，上电测试，发现数控系统和伺服驱动器通讯不了，于是开始查问题，发现EtherCat初始化的时候，初始化不了，数控系统和伺服厂家各有各的说法，最后发现不兼容。

这是非常奇怪的事，大家都用EtherCat，都说是通用的，但最后二者无法通过EtherCat连接&#

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EtherCat伺服驱动与上位机及PLC之间通讯的那些问题

工业自动化行业的工程师们，就算没用过ethercat协议，肯定也听说过。一说起Ethercat，觉得似乎挺高大上的，不少支持EtherCat协议的设备，无论是驱动器还是PLC，价格都还不低。EtherCat给人最大的印象，是通用性和高速，但事实远不是那么回事。这里要吐槽的是通用性。如果你没有用过EtherCat设备，现在想要使用，那么，在选择控制器（上位机）和驱动器的时候，就千万要小心了，如果商家和你说：我们的设备使用的是通用的EtherCat协议这时候，你需要注意的是什么呢？是兼容性！也

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EtherCAT 实施5.1 主站5.1.1 主站实施服务5.1.2 主站样本代码5.2 从站5.2.1 EtherCAT Slave Controller5.2.2 从站评估工具包6. 小结7. 参考文献1. 引言页首现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术（参见图1）。图1: 传统现场总线系统响应时间在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。1.1 以太网和实时能力目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。2. EtherCAT 运行原理页首EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，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。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见图2）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。图 2: 过程数据插入至报文中由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）（参见图3）。图 3: 带宽利用率的比较符合IEEE 802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS（一种可供选择的以太网物理层标准[4，5]），以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了。之后，便可以如普通以太网一样，随时进行从底板物理层LVDS到100 Mb/s TX物理层的转换。3. EtherCAT 技术特征页首3.1 协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文（参见图4），这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。图 4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的标准帧另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。按照文献[3]所述，EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT 以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具（如：监视器）。3.2 拓扑EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等（参见图5）。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。图 5: 灵活的拓扑结构：线型、树型或星型拓扑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。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASE-TX模式传送信号；塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合；还可通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线（如：不同的光纤和铜电缆）的完整组合。快速以太网的物理层（100BASE-TX ）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米。由于连接的设备数量可高达65535，因此，网络的容量几乎没有限制。3.3. 分布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，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。最有效的同步方法是精确排列分布时钟（请参阅IEEE 1588标准[6]）。与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基（参见图6）。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。图 6: 同步性与一致性：相距电缆长度为有120米的两个分布系统，带有300个节点的示波器比较此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。3.4 性能EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O周期时间（参见表1）。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 µs。表 1: EtherCAT性能概貌100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100 M bps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。 3.5 诊断现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。试运行期间，驱动或I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行（配置上载）。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑结构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。此外，对于电磁干扰、连接器破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。3.6 高可靠性选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口（无需专用网卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可（见图7）。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。图 7: 使用标准从站设备的低成本线缆冗余3.7 安全性为了实现EtherCAT安全数据通信，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。EtherCAT被用作传输安全和非安全数据的单一通道。传输介质被认为是“黑色通道”而不被包括在安全协议中（见图8）。EtherCAT过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。这个“容器”在设备的应用层被安全地解析。通信仍然是单一通道的。这符合IEC61784-3附件中的模型A。图 8: 使用黑色通道的EtherCAT安全通信软件构件EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局（TÜV）评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。设备上实施EtherCAT安全协议必须满足安全目标的需求。相应的产品相关要求也必须考虑进来。图 9: EtherCAT安全系统图9中的应用示例受益于这种技术。安全元件在自动化系统中所需要的任意地方都可以使用。系统中可以使用不同规模的本地输入和输出元件。可以根据需求使用安全或非安全总线端子扩展额外的输入和输出。安全逻辑也嵌入到网络当中。这样不用安全扩展的标准PLC可以继续处理控制任务。安全输入和输出功能需要的本地安全逻辑由智能化的安全总线端子实现。这节约了昂贵的安全PLC所带来的成本，并可以根据当前任务随意裁剪逻辑功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全从站通过非安全的标准PLC路由。· 本协议在安全数据长度，通信介质或波特率方面么有限制。· EtherCAT被用作“黑色通道”，即，通信系统在安全处理中没有任何作用。· 协议被鉴定符合IEC61508定义的SIL3等级· 提供EtherCAT安全功能的产品已经于2005年就上市了。3.8 EtherCAT 取代PCI随着PC组件急剧向小型化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性——IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子（参见图10）。除了可以对分布式I/O进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。图 10: 分布式现场总线接口即使是其他无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯（参见图11），因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的成本。图 11: EtherCAT使控制器的体积显著减小3.9 设备行规设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。3.9.1 EtherCAT实现CANopen (CoE)CANopen©设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen©固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。3.9.2 EtherCAT实施伺服驱动设备行规IEC 61491 (SoE)SERCOS interface™ 是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS™框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图12）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS™数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS™协议状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS™协议的通信阶段。EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合，保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令，速度命令或扭矩命令。取决于实现方式，甚至可能继续使用相同的设备配置工具。图 12: 同时并存的多个设备行规和协议3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变（参见图13）。图 13: 对所有以太网协议完全透明EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE)这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。3.12 ADS over EtherCAT (AoE)ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen® 或 EtherCAT至IO-Link™ 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen® 或 IO-Link™从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE报文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT网络诊断信息的标准化方法。4. 基础设施成本页首由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。5. EtherCAT 实施页首EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O 端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT 使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。5.1 主站EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC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。例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。图 14: 主站实施的单个过程映像5.1.1 主站实施服务已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9, MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux, PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。5.1.2 主站样本代码另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。图 15: 主站样本代码结构5.2 从站EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。5.2.1 EtherCAT Slave Controller目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，可以购买授权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：· 串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。· 8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。· 32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。图 16: 从站硬件：带主机CPU的FPGA图 17: 从站硬件：带直接I/O的FPGA关于EtherCAT从站控制器的最新信息，请登录EtherCAT网站[1]。5.2.2 从站评估工具包倍福公司提供的从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT，无需功能强大的通讯处理器，因此，可将从站评估工具包中的8位微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件（相当于协议堆栈）和参考主站软件包（TwinCAT）。6. 小结页首EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC) 便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯（参见图18）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。图 19: 网络结构形式多样7. 参考文献页首[1]EtherCAT Technology Group (ETG) http://www.ethercat.org[2]IEC 61158-3/4/5/6-12 (Ed.1.0), Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Part 4-12: Data-link layer protocol specification – Part 5-12: Application layer service definition – Part 6-12: Application layer protocol specification – Type 12 elements (EtherCAT)[3]IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[4]IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation[5]ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits[6]IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[7]EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. Part 4: CANopen[8]IEC 61800-7-301/304 (Ed.1.0), Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-301: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 1 to network technologies – Part 7-304: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 4 to network technologies[9]SEMI E54.20: Standard for Sensor/Actuator Network Communications for EtherCAT.为何使用EtherCAT？EtherCAT独特的运行机制使其成为“工程师的明智之选”。此外，以下特点对某些应用具有特别的优势。1. 卓越的性能总的来说 EtherCAT 是最快的工业以太网技术，同时它提供纳秒级精确的同步。目标系统由总线系统控制或监测的所有应用都将从此大大获益。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 性能可以改善精度，获得更高的吞吐量，并降低成本。2. 灵活的拓扑在 EtherCAT 应用中，机器结构决定网络拓扑结构，而非反之。在传统的工业以太网系统中，可安装的交换机和集线器的数量是有限的，从而限制了整个的网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器，因此没有这样的局限性。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。由于自动链接检测功能，节点和网段可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。因此可在机器运转过程中进行设备交换。3. 简单且耐用配置、检测、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，无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层改善了抗电磁干扰的能力。网络可靠地定位检测潜在的干扰，从而大大减少了排除错误的时间。在启动时，网络将目标拓扑与现实拓扑对比从而检测差异。EtherCAT 出色的性能使得系统配置时降低对网络调试的需求。由于高带宽，可以将其他的 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。4. 集成安全功能性安全作为一个网络结构的集成部分？对于 FSoE（Functional Safety over EtherCAT）来说不是问题。FSoE 是得到实际验证的，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，一个非安全要求的控制器可以接受并处理安全数据。5. 低成本易实现EtherCAT 以相当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获得：ASIC 芯片、FPGA，或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时间关键任务，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，从而节省了该类组件及其安装、配置和维护的成本。基于这些原因，EtherCAT广泛适用于：· 机器人· 机床· 包装机械· 印刷机· 塑料制造机器· 冲压机· 半导体制造机器· 试验台· 测试系统· 抓取机器· 电厂· 变电站· 材料处理应用· 行李运送系统· 舞台控制系统· 自动化装配系统· 纸浆和造纸机· 隧道控制系统· 焊接机· 起重机和升降机· 农场机械· 海岸应用· 锯木厂· 窗户生产设备· 楼宇控制系统· 钢铁厂· 风机· 家具生产设备· 铣床· 自动引导车· 娱乐自动化· 制药设备· 木材加工机器EtherCAT 常见问题1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性?2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？· 2.4. 会员可以享有何种利益？· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？· 2.6 将来会否收取会费？· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？· 3.2 是否有专利权？· 3.3 如何授权？· 3.4 开放源代码是怎样的情况？· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？· 4.4 FPGA的授权费用如何？· 4.5 是否必须将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？· 5.4 何谓二级Vendor ID?· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？· 5.6 我们如何申请Vendor ID？6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？· 1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？卓越的现场总线性能决不会有坏处。即使对于慢速控制，使用EtherCAT也可以改善响应时间并简化配置工作，因为缺省配置就可以满足要求。此外，更短的响应时间可以改善您应用的性能，因为这缩减了传输等待时间（如，在下一个处理被初始化前对输入信号的等待时间）。如果您对性能要求并不苛刻，也可以因为EtherCAT的其它优势而选用它，比如，成本更低，更加灵活的拓扑结构，或者仅仅是使用方便。总而言之，您采用EtherCAT，就无需采用昂贵慢速的系统了。· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？有这样几种原因：低成本的从站控制器降低了从站设备的成本。无需任何特殊的主站卡，主板集成的以太网控制器即可满足要求。无需交换机或集线器，因此降低了基础设施的成本。使用标准以太网线缆。实施简单，因此降低了实施成本。支持自动配置，无需任何手动设置地址，无需任何网络调整，因此降低了配置成本。· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？不是的。与其他实时工业以太网系统一样，一个设备（主站）必须要担任网络管理、组织介质读取控制的任务。对于EtherCAT，有两种方式可以实现从站与从站的通讯：在同一个循环周期内基于拓扑结构，其中上游设备可以与下游设备交换数据，而独立于拓扑结构的情况需要在两个总线周期实现数据交换。EtherCAT比其他的协议更具有速度优势，即使需要两个周期实现从站与从站的通讯，相对来讲也是高速高效的。· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性? 对于一个通讯技术来说，保证其实施的一致性及兼容性是该技术成功的重要因素。因此EtherCAT技术协会非常重视这些特性。技术实施协议方面的一致性是兼容性的前提，这意味着来自于不同厂商的设备可以在同一个应用网络中协同工作。为保证一致性，必须使用一致性测试工具（CTT）。此外，我们还有遍布全球的一致性测试中心（ETC）。对于通过EtherCAT一致性测试的设备，ETC将颁发官方一致性证书。更多关于一致性测试及设备认证的信息可以在一致性测试页面找到。· 2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？不需要。但是，您或许希望通过加入ETG来向您的客户或供应商展示您对该技术的支持。对于一个ETG会员，您将被邀请参加ETG会议，获取详细的技术规范及相关信息，并影响该技术的发展。· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？虽然我们建议您加入ETG（见2.3/2.4），但如果您在您的机器或生产线上集成EtherCAT设备，那么我们认为您是最终用户，并不必须加入ETG。EtherCAT设备制造商必须要加入ETG，并获得一个EtherCAT Vendor ID。详情请在下载专区（请使用您的会员登录账号）下载EtherCAT Vendor ID政策（EtherCAT Vendor ID Policy）。会员资格免费获取（见2.5/2.6）。· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？可以通过给ETG总部发邮件info@ethercat.org申请ETG的会员资格。您将得到所有必须的信息，如需求，会员申请表格等。在成为会员之前，请仔细阅读ETG By-Laws· 2.4. 会员可以享有何种利益？ETG会员优先享受技术支持，可获取仅提供给会员的EtherCAT规范、指南、免费从站代码和其他支持工具及相关信息。会员将被邀请参加ETG会议，如技术委员会（TC）或技术工作组（TWG），对规范进行审核和讨论。ETG会员有资格参加指定的EtherCAT培训和研发课程。此外，ETG会员还可以在EtherCAT官网上推广其产品，并作为合作伙伴参与我们的全球系列研讨会和全球重要展览会上的ETG联合展台。ETG会员权益· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？会员年费或者其他的高额成本相对于获取一个开放的技术应该不是一个问题。因此，不仅没有ETG的会员费用，而且ETG会员获取协议堆栈，样本代码，评估套件，实施支持和其他的服务都是免费或者仅需很低的费用。· 2.6 将来会否收取会费？目前没有收取ETG会费的计划。如果将来需要收取会费（如，以支持ETG的外加服务），将由会员委员大会讨论通过决定。· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？在ETG技术委员会会议上将对EtherCAT技术进行详细探讨，鼓励各ETG会员加入技术工作组和项目团队，并提出宝贵的建议和意见。会员区有所有工作组的列表（需登录）ETG工作组欢迎各用户、OEM、系统集成商和设备制造商提供有价值的需求反馈，ETG的工作历史表明这种反馈非常有效。技术使用者和开发者之间直接和个人的联系可以加强关于"Know-how"知识和技术信息的深层次交流。查找ETG会员详细信息请点击这里：EtherCAT组织架构· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？ETG是（类似于德国大多数工会或政党）受德国法律允许的非注册协会或社团组织。根据相关法规，由于ETG不销售任何产品，因此ETG是一个非盈利性组织。会员对协会资产共同承担有限责任——ETG无资产，因此事实负债为零。· 3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？这意味着每一个人都可以使用，实施，并获利于该技术。还意味着EtherCAT实施应该是兼容的，任何人不应为防止他人使用而改变这种技术。EtherCAT是国际标准(IEC61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)。· 3.2 是否有专利权？是的，EtherCAT技术有专利权，如同其他任何值得拥有专利权的现场总线技术一样。可以提供独特功能的技术需要专利权和授权以保护其不受复制和伪造的伤害。· 3.3 如何授权？对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的出色样本）：低额的授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此，设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。· 3.4 开放源代码是怎样的情况？EtherCAT技术本身并不开源。 EtherCAT符合IEC，ISO和SEMI标准，因此每个人都可以平等地使用EtherCAT技术。此外，无需缴纳主站使用授权费用。 ETG所有会员和EtherCAT用户组共同维护并促进EtherCAT技术的进一步发展。如果您有关于技术实施或者EtherCAT技术结合共享和开放源码系统方面的相关问题，请联系ETG总部或EtherCAT技术的专利方Beckhoff。· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？有。EtherCAT从站控制器（ESC）实施可以从亚信电子、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、Trinamics、瑞萨电子、Intel以及 Xilinx获取。更多实施也即将发布。EtherCAT从站控制器概述可在资料下载区进行查询：下载区· 4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？可以参考EtherCAT Slave Implementation Guide（EtherCAT从站实施指南）作为从站实施的开始，请点击这里下载。该文件涵盖从站实施的起始步骤，包括开发硬件、软件、研讨会和培训、一致性，以及一步步的提示信息。 EtherCAT从站协议栈可以从多个供应商获取。 Beckhoff将从站协议栈代码(SSC)-源代码免费开放给所有ETG会员。 EtherCAT从站实施套件也可以从相关供应商获取。请在官方EtherCAT产品指南中查询更多从站评估套件：EtherCAT产品页面· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？对于主站来讲，你并不需要专用的硬件设备。任何以太网MAC都可以满足要求。EtherCAT对资源消耗非常小，因此也无需特殊的通讯处理器。主站代码可以从多种渠道获得，如一些通过样本代码包提供的免费开放代码，甚至一些包含了RTOS的主站产品。实施服务同样有不同的供应商可以提供。请点击此处了解EtherCAT产品情况。· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？当您从EtherCAT从站控制器供应商那里购买了ESC芯片，所有的EtherCAT功能已经包含在芯片中。对EtherCAT从站设备供应商来说，取得了ESC供应商资格则包含该授权，无需额外的EtherCAT授权费用。· 4.4 FPGA的授权费用如何？当您从您首选的半导体分销商那里购买了FPGA，EtherCAT代码尚未加载。EtherCAT IP核授权适用于Intel和Xilinx的FPGA。您只需支付一个授权即可制造尽可能多的EtherCAT从站设备。此外，也有基于数量的授权。· 4.5 是否必须将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？不是。在官方EtherCAT测试中心进行一致性测试是可选的——但是，您的客户可能会需要一致性测试证书，而一致性测试证书只能通过官方测试后才能发放。您必须确保您的研发设施中应用了官方一致性测试工具（CTT）。每年，ETG都会维护和进一步发展CTT，CTT以订阅的方式提供。关于一致性的更多详情，请点击此处获得。· 5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？EtherCAT Vendor ID是由EtherCAT技术协会为每一个供应商分配的唯一的标识号码。它与产品编码（product code ）一同将包含在EtherCAT设备的标识对象中。EtherCAT Vendor ID 列表· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？如果要求将Vendor ID授予合作伙伴公司，请联系ETG总部。但是，我们建议每个EtherCAT设备用户使用自己单独的Vendor ID。· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？不可以。该技术提供商的通信设备上附带有Vendor ID。您应使用自己独有的Vendor ID来替代它，以便于您的设备可以在网络中被识别。· 5.4 何谓二级Vendor ID?二级Vendor ID是从原Vendor ID派生出来的，专门用来标识通讯接口设备类产品的Vendor ID，但这类产品无法参加后续的一致性测试。· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？对于您的EtherCAT产品，你需要一个EtherCAT Vendor ID。然而，在您申请EtherCAT Vendor ID时，您可以提出申请与您CANopen® 的Vendor ID相同的号码，如果您申请的号码仍然可用，ETG则会分配给您。· 5.6 我们如何申请Vendor ID？非常简单，您仅需到EtherCAT网站的会员页面下载:EtherCAT Vendor ID 申请表格· 6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？不需要。RSoE协议采用一个黑色通道实现；无需为此设置安全相关的标准通讯接口。控制器，ASIC以及链接，耦合器相关的通讯接口都可以保留使用。· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？使用两个微控制器是实现SIL 3安全设备的常用方式。但这并不是Safety over EtherCAT规范的要求。实现这个协议必须满足以下要求：- 完全符合IEC 61508和IEC 61784-3；- 完全符合FSoE协议规范；- 完全符合安全完整性等级（SIL）要求和相应产品的指定需求。· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？可以。该协议可以在任何通讯中使用，可以是EtherCAT通讯，现场总线系统，以太网或类似的通讯，光纤，同轴线缆，甚至无线传输。对于通讯总线耦合器或其他设备没有限制或特别要求。· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？有，在ETG内部有服务提供商能够提供预先认证的FSoE协议栈和安全研发服务。Safety over EtherCAT协议非常简洁，协议状态机有明确的界定。经验表明，使用或不使用预认证的堆栈都可以在短时间内轻松实施。· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？是的。FSoE测试案例规范适用于FSoE设备，并通过TUV批准。对于FSoE从站，测试案例与EtherCAT测试工具配合使用，可以执行一个自动的测试。通常情况下，由于灵活的主站配置，对于主站堆栈的自动检测更复杂。因此，可用的测试案例规范可以用于对主站的认可。Safety over EtherCAT规则ETG.9100包括了对一个设备验收的完整测试流程。· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？是的。Safety over EtherCAT设备的研发需要评估。设备的实现包括通过EMC报告，Safety over EtherCAT一致性测试，并通过所有符合IEC 61508的安全周期流程。该评估将由机构实现。· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？是的。FSoE测试政策是需要通过官方FSoE测试中心测试的。进行FSoE一致性测试的前提是拥有有效的EtherCAT协议实施认证。FSoE测试中心的所有测试都可以在内部进行准备。· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？Safety over EtherCAT是一种为很多设备制造商所采用的技术。对于这样一种技术来说，兼容性是保证在应用领域能进行互操作的重要功能。取得授权的设备制造商都有权实施这一技术，但其设备必须具有符合规范的兼容性。授权是免费的。使用FSoE最终设备的机器制造商及控制系统提供商则无需该项授权。· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？Safety over EtherCAT的logo可以从ETG总部获取。使用Safety over EtherCAT Logo的产品必须遵循由ETG发布的ETG9001 EtherCAT标识规则。· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？如果您只是想在EtherCAT环节支持现有的Safety over EtherCAT设备，则无需在主站上进行任何安全相关的实施。可采用带一个EtherCAT从站接口的FSoE主站，同时也可以被用作安全逻辑设备。只有从-从通信必须由EtherCAT主站支持，将安全数据报从FSoE主站路由至FSoE从站，反之亦然。· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？不。您可以在机械设备中直接使用最终的Safety over EtherCAT产品，而无需授权。您务必留意产品中是否有SIL或PL认证，产品必须执行相关标准（IEC 62061, ISO 13849）或产品标准，以及与其他相关标准的兼容性，如必须符合国际的或国家的法律要求（如Directive of machinery, OSHA, UL等）。Vendor ID每个EtherCAT兼容设备必须使用由ETG分配的全球唯一的Vendor ID。EtherCAT Vendor ID的使用必须符合EtherCAT规范，并由ETG Vendor ID政策和相应的Vendor ID协议约束管理。为明确这一政策，一般规则如下：· 每个EtherCAT设备供应商必须是ETG会员，必须从EtherCAT技术协会取得有效的Vendor ID。· Vendor ID是免费的。· 在EtherCAT设备上市前，供应商必须实现Vendor ID。· 在机器中集成或使用EtherCAT设备的机器制造商，无需申请和使用Vendor ID。发布于 2021-05-28 14:08开放式 IEC 61131 控制系统设计（书籍）以太网（Ethernet）以太网协议赞同 181 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录IT技术专栏IT技术分享

EtherCAT有开源库可以在windows上用的吗？ - 知乎

EtherCAT有开源库可以在windows上用的吗？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册自动化C / C++CAN总线开放式 IEC 61131 控制系统设计（书籍）EtherCAT有开源库可以在windows上用的吗？关注者12被浏览48,472关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享3 个回答默认排序唐家二少关注这个我来简单回答一下,ethercat的开源主站有IGH，SOEM两种,前者是linux平台,后者都兼容,想再win上使用有很多限制，因为ethercat设计的目的就是工业总线，里面主要有PDO和SDO两种类型的数据，前者需要固定的定是周期发送或者接受数据,广泛的是1ms的周期，想想win下怎么能做到固定1ms定时周期呢？我曾经测试过，及时是用多媒体定时器或者说用优先级最高的线程自己做定时器，跑1个小时都有那么几次超过15.6ms的周期，这个时候ethercat接的从站就会超时报警,除非你在win下安装收费插件比如intime,rtx,kithara等，但是这几个授权都很贵，SDK就是几十万，然后每一份授权还要千把块钱发布于 2020-04-02 12:00赞同 23添加评论分享收藏喜欢收起dingdong 关注搜索一下多好，答案现成不用问吧。下面转给你(转)/********************************************************************** * EtherCAT主站对PHY有要求？ * 说明： * 之前常听说EtherCAT主站对PHY有特殊的要求，于是找点资料确认一下，结论 * 是没有什么特殊的要求，另外就是EtherCAT和CANOpen类似通过配置文件进行 * 功能配置。 * * 2018-11-30 深圳宝安西乡曾剑锋 *********************************************************************/一、参考文档： 1. EtherCAT https://en.wikipedia.org/wiki/EtherCAT 2. EtherCAT主站开发经验——基于X86或ARM https://jingyan.baidu.com/article/6181c3e0844e7d152ef15332.html二、Ethernet和EtherCAT在7层网络（ISO/OSI Reference Model）架构上的区别： 1. The TCP/IP Stack shown is not needed for typical fieldbus devices. 2. EtherCAT master can access all data including name and data types of an EtherCAT slave without complex tools. 3. EtherCAT uses Standard Ethernet (IEEE 802.3 - Ethernet MAC and PHY) without modifications.三、 Device Profiles： The device profiles describe the application parameters and functional behavior of the devices, i发布于 2020-03-13 07:20赞同 4添加评论分享收藏喜欢收起

EtherCAT超高速实时运动控制卡XPCIE1032H上位机C#开发（五）：通过RTSys进行调试与诊断 - 知乎

EtherCAT超高速实时运动控制卡XPCIE1032H上位机C#开发（五）：通过RTSys进行调试与诊断 - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT超高速实时运动控制卡XPCIE1032H上位机C#开发（五）：通过RTSys进行调试与诊断正运动技术做最好用的运动控制 — www.zmotion.com.cnXPCIE1032H功能简介XPCIE1032H是一款基于PCI Express的EtherCAT总线运动控制卡，可选6-64轴运动控制，支持多路高速数字输入输出，可轻松实现多轴同步控制和高速数据传输。XPCIE1032H集成了强大的运动控制功能，结合MotionRT7运动控制实时软核，解决了高速高精应用中，PC Windows开发的非实时痛点，指令交互速度比传统的PCI/PCIe快10倍。XPCIE1032H支持PWM，PSO功能，板载16进16出通用IO口，其中输出口全部为高速输出口，可配置为4路PWM输出口或者16路高速PSO硬件比较输出口。输入口含有8路高速输入口，可配置为4路高速色标锁存或两路编码器输入。XPCIE1032H搭配MotionRT7实时内核，使用本地LOCAL接口连接，通过高速的核内交互，可以做到更快速的指令交互，单条指令与多条指令一次性交互时间可以达到3-5us左右。RTSys开发软件简介RTSys是正运动推出的集成运动控制+机器视觉功能的开发软件，支持RTBasic、RTPlc梯形图、RTHmi、RTVision机器视觉等二次开发，并可混合编程、实时仿真、在线跟踪以及诊断与调试，快速实现智能装备的视觉定位、测量、识别、检测和复杂的运动控制等系统的开发，RTSys软件开发界面如下图所示。用户可通过串口或网口连接PC与控制器，使用RTSys软件编写的程序可以直接下载到正运动控制器里脱机运行，也可以在PC平台仿真运行。RTSys软件支持四种编程方式：RtBasic、RtPLC梯形图、HMI组态以及C语言编程。RTSys软件支持在线仿真调试，自带仿真器ZMC Simulator和组态程序仿真工具xplc screen。➜XPCIE1032H与MotionRT7实时内核的配合具有以下优势：1.支持多种上位机语言开发，所有系列产品均可调用同一套API函数库；2.借助核内交互，可以快速调用运动指令，响应时间快至微秒级，比传统PCI/PCIe快10倍；3.解决传统PCI/PCIe运动控制卡在Windows环境下控制系统的非实时性问题；4.支持一维/二维/三维PSO（高速硬件位置比较输出），适用于视觉飞拍、精密点胶和激光能量控制等应用；5.提供高速输入接口，便于实现位置锁存；6.支持EtherCAT总线和脉冲输出混合联动、混合插补。➜使用XPCIE1032H和MotionRT7进行项目开发时，通常需要进行以下步骤：1.安装驱动程序，识别XPCIE1032H；2.打开并执行文件“MotionRT710.exe”，配置参数和运行运动控制实时内核；3.使用ZDevelop软件连接到控制器，进行参数监控。连接时请使用PCI/LOCAL方式，并确保ZDevelop软件版本在3.10以上；4.完成控制程序开发，通过LOCAL链接方式连接到运动控制卡，实现实时运动控制。➜与传统PCI/PCIe卡和PLC的测试数据结果对比：平均值C++ LOCALC# LOCAL传统PCI/PCIe卡接口交互PLC网口通讯交互1w次单条读取交互周期4.70us5.3us64us500us-10ms10w次单条读取交互周期3.90us5.7us65us500us-10ms1w次多条读取交互周期6.20us8.85us472us500us-10ms10w次多条读取交互周期5.50us8.37us471us500us-10ms我们可以从测试对比结果看出，XPCIE1032H运动控制卡配合实时运动控制内核MotionRT7，在LOCAL链接（核内交互）的方式下，指令交互的效率是非常稳定，当测试数量从1w增加到10w时，单条指令交互时间与多条指令交互时间波动不大，非常适用于高速高精的应用。XPCIE1032H控制卡安装关闭计算机电源。打开计算机机箱，选择一条空闲的XPCIE卡槽，用螺丝刀卸下相应的挡板条。将运动控制卡插入该槽，拧紧挡板条上的固定螺丝。XPCIE1032H驱动安装与建立连接参考往期文章EtherCAT超高速实时运动控制卡XPCIE1032H上位机C#开发（一）：驱动安装与建立连接。一、C#语言进行运动控制开发具体C#新建项目以及程序开发流程具体可参考“运动控制卡应用开发教程之C#”。本文主要以官方提供的C#例程为大家进行讲解。1、进入光盘资料选择“PC函数库2.1.1”。2、点击“Windows平台”。3、点击“库文件与例程”。4、根据需要选择对应的函数库和例程（64位为例），这里选择64位。5、解压后选择“C#”例程。6、打开单轴运动项目文件夹（以单轴运动工程为例）。7、打开项目后，编译程序，可看到该例程控制台程序界面如图。在该界面有一个LOCAL连接BUTTON按钮，关联的方法为ZAUX_FastOpen方法，MotionRT7选择用此方式进行连接。连接上板卡之后，在该界面可先进行对应的轴参数设置，设置完之后轴选择，最后选择运动方式，点击运动即可。二、相关PC函数介绍相关PC函数介绍详情可参考“ZMotion PC函数库编程手册 V2.1.1”。三、RTSys调试与诊断1、控制器连接上位机开发的同时，要在RTSys上进行运动监控，首先要连接控制器。打开RTSys软件，点击菜单栏的控制器选项，选择连接。在弹出连接界面，选择Local,点击连接。2、轴参数界面连接成功之后，在界面右侧，会出现一个轴参数界面，这个界面可以实时监控轴的各个参数变化值。通过上述C#单轴例程进行参数设置之后，RTSys中轴参数会实时同步数据。此时通过上述C#上位机控制轴运动，在该界面可对轴运行进行实时监控，通过DPOS监控是否有脉冲发出以及MPOS参数监控轴是否有实际动作，是否有位置反馈等。通过ZAux_Direct_SetSpeed指令在上位机设置轴速度之后，实际轴速度变化不大；这个时候，我们可以在轴参数界面找到SPEED值，看是否和上位机设置的值一样，进而排查上位机速度值是否写进去。3、手动运动界面通过RTSys软件进行手动运动调试：点击RTSys菜单栏的工具按钮，选择手动运动，弹出手动运动界面，功能具体如下图。4、IO操作界面点击RTSys菜单栏工具按钮，打开“输入口”和“输出口"界面进行IO口的监控与调试。点击IO选择可手动选择想要监控的IO编号范围。上位机使用ZAux_Direct_GetIn指令读取输入口的状态，通过ZAux_Direct_GetOp指令读取输出口状态以及ZAux_Direct_SetOp指令设置输出口状态。通过上位机指令设置对应的IO口之后，这时候要确认上位机是否操作成功，打开IO操作界面的输入口和输出口即可对其进行监控与设置。5、寄存器界面点击RTSys菜单栏的工具，打开寄存器界面，点击该界面的寄存器类型下拉框，可监控或设置MODBUS、VR、TABLE等寄存器的值。该界面的“起始编号”指监控对应寄存器的起始编号。“个数”表示监控的对应寄存器从起始编号开始，监控的寄存器个数。上位机使用ZAux_Direct_MoveTable缓冲修改table寄存器的值，ZAux_Direct_SetVrf指令修改VR寄存器的值，以及ZAux_Modbus_Set0x指令修改modbus位寄存器的值以及其他寄存器的读写操作。上位机设置完对应寄存器之后，便可打开寄存器界面判断相关寄存器的值是否写成功。6、示波器界面点击RTSys菜单栏的工具，打开示波器界面，可对运动过程中的一些参数进行波形的抓取。示波器的操作方法：在RTSys编写好程序后，成功连接到控制器/仿真器后，打开示波器，设置好所需采集的数据源及对应编号，点击“启动”，再将程序下载至RAM/ROM（上位机编程直接编译运行上位机代码），即可采样按以上操作程序里需加入“TRIGGER”指令自动触发示波器采样。否则，需在点击“启动”后，点击“手动触发”再下载程序至RAM/ROM才可成功采样。示波器界面功能说明：（1）设置：打开示波器设置窗口，设置示波器相关参数。（2）启动：启动示波器（但不触发示波器采样）。（3）停止：停止示波器采样。（4）YT模式：有三种模式可切换，包括YT模式、XY模式、XYZ模式。切换成XY模式即XY平面显示两个轴的插补合成轨迹。XYZ模式即XYZ三维平面显示合成轨迹。（5）<<：按下隐藏通道名称和峰值，只显示通道编号。（6）连续采集：不开启连续采集时，到达采集深度后便停止采集，开启了连续采集之后示波器会持续采样。（7）跟随：开启跟随后横轴自动移动到实时采样处，跟随波形显示。（8）显示游标：用于标定测量示波器图形数据或者是坐标距离。在YT模式中使用该工具可测量两点之间所用时间，在XY模式中则测量坐标间距。X1和X2游标线与波形相交的交点横坐标即为通道(x)显示的数据，Y1和Y2游标线与波形相交的交点纵坐标即为通道(Y)显示的数据。（9）手动触发：手动触发示波器采样按钮（自动触发使用trigger指令）。（10）显示：选择当前通道曲线是否显示。（11）编号：选择需要采集的数据源编号，如轴号、数字量IO编号、TABLE编号、VR编号、MODBUS编号等。（12）数据源：选择采集的数据类型，下拉菜单选择，多种类型参数可选。（13）偏移：波形纵轴偏移量设置。（14）垂至刻度：纵轴一格的刻度。（15）水平刻度：横轴一格的刻度。注：若要设置示波器参数，如轴编号、数据源以及启动示波器设置窗口，要先停止示波器再设置。7、控制器状态点击RTSys菜单栏的控制器选项，点击控制器状态，打开控制器状态显示窗口。该状态包括基本信息、Zcan节点信息、槽位0节点信息、控制器通讯配置等内容。（1）基本信息：包括控制器型号、支持最大任务数、IP地址、软硬件版本号等控制器基本信息。（2）Zcan节点：在该界面可显示控制器的本地资源，包括轴数、数字量个数以及模拟量个数，还可显示通过CAN接口扩展的板卡信息。（3）槽位0节点：显示通过EtherCat口所接的设备的节点号、设备ID、拨码号等信息。（4）控制器通讯配置：显示CAN信息与RS232、RS485、RS422串口配置信息。使用上述上位机单轴运动例程抓取轴0指令位置（DPOS）以及轴实际反馈速度（MSPEED）曲线时，先打开示波器界面，设置好抓取的轴号，以及选择需要抓取的参数，设置完成之后，选择YT模式，点击启动，点击手动触发，最后运行上位机程序，抓取波形图如下所示。8、视频讲解https://www.zhihu.com/video/1717479376503816192本次，正运动技术EtherCAT超高速实时运动控制卡XPCIE1032H上位机C#开发（五）：通过RTSys进行调试与诊断，就分享到这里。更多精彩内容请关注“正运动小助手”公众号。本文由正运动技术原创，欢迎大家转载，共同学习，一起提高中国智能制造水平。文章版权归正运动技术所有，如有转载请注明文章来源。发布于 2023-12-11 09:45・IP 属地广东C#C# 编程运动控制卡赞同添加评论分享喜欢收藏申请

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运动控制是指对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按

照预期的轨迹和规定的参数(如速度、加速度参数等)完成相应的动作[yob。运动

控制起源于早期的伺服控制，伴随着数控技术、自动化技术和以太网通信技术的

发展而发展的。运动控制技术是推动工业自动化的主要动力，是促进企业产业转

型的关键技术「川。

运动控制系统处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及运动之间的协调，

实现精确的位置控制、速度和加速度控制、转矩和力的控制等[f121。单轴的运动控

制系统可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。多轴运动控制系统可以分成点位控

制、连续轨迹控制和同步控制[[13]。典型的运动控制系统，从结构上看，包括上位

机控制窗口、运动控制器、驱动器、电机以及测量反馈系统等几个部分组成，运

动控制系统示意图如图1-1所示。运动控制器是整个运动控制系统的核心，它按

照期望的机械运动向驱动器或放大器发出指令，进行插补运算、路径规划等任务，

并接受传感器反馈，实时监测运动情况并调整输出信号，从而达到性能指标实现

期望的运动。

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实时以太网(RTE, Real Time Ethernet)是常规以太网技术的延伸，以便满足

工业控制领域的实时性数据通信要求[[14]。目前，国际上有多种实时工业以太网协

议，根据不同的实时性和成本的要求使用不同的原理，大致可以分为以下三类[[15]

如图1-2所示。

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goodluck09876|

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2019-7-20 10:42

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(1)基于TCP/IP实现的工业以太网仍使用TCP/IP协议栈，通过上层合理的

控制来解决通信过程中的不确定因素。这种方式具有较高的传输速率，适应于大

量数据通信，更适合作为网关和交换设备的应用，不能实现很好的实时性。常用

的通信控制方法有:合理调度，减少冲突的概率;定义帧数据的优先级，为实时

数据分配最高优先级;使用交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有

Modbus/TCP和Ethernet/IP等。

C2)基于以太网实现的工业以太网仍然使用标准的、未修改的以太网通信硬

件，但是不适用TCP/IP来传输数据。它使用特定的报文进行传输。TCP/IP协议

栈能使用时间控制层分发一定的时间片来利用网络资源。该类协议主要有Ethernet

Powerlink, EPA C Ethernet for Plant Automation ), PROFINET IRT等。通过这种方

式可以实现较好的实时性。

(3)通过修改以太网协议实现的工业以太网，实现应答时间小于lms的硬实

时，从站使用特定的硬件实现。由实时MAC控制实时通道内的通信，从根本上

避免报文间的冲突。非实时数据依然能在通道中按原协议通信。典型协议有德国

倍福的EtherCAT、西门子的PROFINET IRT等。

综合比较以上三种方式实现的工业以太网，根据实时性和可靠性的要求，本

课题将采用EtherCAT总线来实现控制系统中主站PC机与从站运动控制器之间的

通信。

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goodluck09876

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goodluck09876|

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2019-7-20 10:52

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EhterCAT实时工业以太网技术由德国倍福自动化公司于2003年首次提出。

一经推出就在全球工业控制领域受到极大关注，在很多不同的领域、行业、企业

和科研单位都使用EtherCAT工业以太网技术成功地开发了他们的项目[29]。

在国外，瑞典Lund大学利用EtherCAT成功开发了全球首台基于实时JAVA

的机器人;德国BMW技术研究中心利用EtherCAT成功开发出测试电机的机床;

德国的IGH公司利用EtherCAT技术研发了测试液压工具的机床;意大利的公司

ECS使用EtherCAT技术研发成功他们的数控机床;法国Vernet Behringer公司使

用EtherCAT工业以太网开发了CNC数控系统[[30]

在中国，EtherCAT工业以太网也被广泛地应用。在2010年上海举办的世博

会中，互动金属球控制系统就是利用EtherCAT技术实现的，应用了TwinCAT自

动化软件和EtherCAT总线通讯;2006年，明阳电气有限公司使用EtherCAT开发

了广东省堪江风力发电机组的控制系统;2008年，科时敏公司利用EtherCAT现

场总线技术研发了热嫁胶贴标机的控制系统，使用了Beckhoff控制器和TwinSAFE

安全技术;2010年，沈阳高精数控技术有限公司利用EtherCAT总线和TwinCAT

开发出全数字高档数控装置。

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goodluck09876|

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2019-7-20 10:54

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EtherCAT工业以太网因其实时性强、可靠性高及同步性好等优点特别适合应

用于运动控制系统当中。本文在多轴运动控制系统中引入EtherCAT总线技术。在

深入研究EtherCAT总线技术和多轴运动控制技术的基础上，采用PC机为主站、

ARM+MCX314为从站处理器的系统架构。开发出一套基于EtherCAT的多轴运动

控制系统。

近年来工业以太网发展迅速，不断取代现场总线走向工业自动化领域的总线

最前端。现场总线因为其多种标准并存，没有统一的国际标准，致使控制网络的

系统与信息集成面临困难局面，给用户带来极大的不便，因此给现场总线技术的

推广和应用带来不利影响。以太网技术因成本低、扩展性强和兼容性强等诸多优

点，受到人们的青睐。虽然基于以太网的运动控制系统具有诸多优点，但以太网

在工业控制领域应用仍受到诸多质疑，主要的原因是其不确定性和欠佳的实时性。

目前，有许多方案致力于实现以太网的实时性，效果都不够理想。德国

BECKHOFF自动化公司于2003年开发出的EtherCAT实时以太网技术突破了其他

以太网解决方案的系统限制:通过该项技术，无需接受以太网数据包，将之解码，

然后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取

相应的数据报文，同样输入数据也是在报文经过时插入到报文中。整个过程报文

只有几纳秒的时间延迟，实时性获得极大提高[[32] [33 ]

1. EtherCAT系统构成

EtherCAT作为一种工业以太网总线，充分利用了以太网的全双工特性。使用

主从通信模式，主站发送报文给从站，从站从中读取数据或将数据插入至从站。

主站可使用标准网卡实现，从站选用特定的EtherCAT从站控制器ESC C EtherCAT

Slave Controller)或者FPGA实现，主要完成通信和控制应用两部分功能[34]

EtherCAT物理层选用标准以太网物理层器件。

一个EtherCAT网段可被简单看作一个独立的以太网设备，此“设备”接收并

发送标准的ISO/IEC8802-3数据帧。但是，这种设备并不局限于一个ESC或相关

的MCU，而是由多个EtherCAT从站组成，如图2-1所示。这些从站能将收到的

报文直接处理，并读取或插入有关的数据，再将报文发送给下一个EtherCAT从站。

最末尾的EtherCAT从站返回处理完全的报文，然后由第一个从站发送给主站。整

个通信过程充运行于全双工模式下，TX线发出的报文又通过RX线返回给主站。

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goodluck09876|

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2019-7-20 10:54

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报文通过从站控制器时，从站读取出相关命令并进行对应处理，数据处理通

过硬件完成，延间约为100-_SOOns，通信性能独立于MCU的响应时间。每个ESC

最大有容量为64KB的可用的内存编址，能进行连续或同步的读写。多个EtherCAT

命令数据可以被嵌入到一个以太网报文中，每个数据对应独立的设备或内存区。

EtherCAT极大提高了以太网的性能，比如操作1000个I/O信号的时间约为

30微秒。单个报文至多容纳1486字节的过程数据，和12000位I/O信号相当，更

新所需时间约为300微秒。控制100个伺服单元的时间约为100微秒[[35][36]

在基于PC的主站中，一般使用网络接口卡NIC C Network Interface Card

其中的网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理层数据收发器。但是在嵌入式主

站中，通信控制器通常集成在微处理器中。

EtherCAT从站设备同时实现应用控制和数据通信两部分功能，其组成如图2-2

所示，由四部分组成:从站控制微处理器、EtherCAT从站控制器ESC芯片、物理

层器件和其他应用层器件。

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:09

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EtherCAT报文由从站控制器来处理，使用双端口存储区完成主从站间的数据

交换。每个从站ESC在环路上按各自的顺序移位读写数据。当数据帧经过从站时，

ESC从中读取发送给自己的命令数据并放到内部存储区，插入的数据又被从内部

存储区写到子报文中。

从站控制微处理器主要负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从

ESC获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。从站控

制微处理器的选型根据设备控制任务，可以使用ARM或DSP; 8位、16位或32

位的处理器。EtherCAT从站采用M II接口模式时，需要使用标准以太网物理层器

件:物理层芯片PHY,隔离变压器等。采用EBUS接口时不需要任何其他芯片。

2. EtherCAT数据帧格式

EtherCAT数据直接嵌入在以太网数据帧中进行传输，只是采用了一种特殊的

帧类型，该类型为Ox88A4, EtherCAT数据帧结构如图2-3所示。

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:10

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EtherCAT数据包由数据头和数据实体两部分组成，EtherCAT数据头包含2

个字节，每个数据包里面可以只包含一个EtherCAT子报文，也可以包含多个子报

文;一个EtherCAT子报文对应着一个从站，因此一个EtherCAT数据包可以操作

多个EtherCAT从站，相应的数据长度在441498字节之间，表2-1给出了EtherCAT

数据帧结构定义。

893405d32861c43499.png (211.26 KB )

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2019-7-20 11:10

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:11

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由于EtherCAT实时工业以太网技术具有适用范围广、拓扑结构灵活、数据通

信效率高、实时性强和同步性能好等多种优点，所以特别适用于实时性要求高、

通信数据量大的运动控制系统[[37]。本课题控制系统设计采用“PC+运动控制器”

的方案，构建多轴运动控制系统，采用PC机为主站、ARM+MCX314为从站处理

器的架构。其核心插补与控制算法都放在工业PC中完成，运动控制器要求大为

降低，其主要完成数字给定量到实际脉冲信号的转变。该控制系统方案的优势在

于简化硬件设计工作，主要以标准化的硬件为主:上位机可以采用工业PC机、

下位机使用开发的通用运动控制器，方便日后升级维护。工业PC机与运动控制

器直接采用

J决速发展，

EtherCAT实时工业以太网进行通信连接。随着实时工业以太网技术的

伺服驱动器也朝着网络化发展。

元可以直接通过以太网总线连接到工业PC

系统架构设计框图。

该方案可以省去运动控制器，伺服单

机，使其更具有生命力。图2-4为控制

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:12

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工业PC机采用低功耗小体积无风扇的工业计算机，其运行实时Linux系统

通过运行在工控机上的上位机软件，上位机运行基于LinuxCNC开发的数控系统

具有设置运动控制参数，实时显示加工进度、系统的运行状态、发送控制指令等

功能。利用cncKad等软件将设计好的CAD图纸读取后，然后转化成要加工的代

码(G代码);数控软件将G代码文件导入通过LinuxCNC任务控制器中的G代

码解析器对其进行词法分析语义分析，然后输出加工函数发送给LinuxCNC的运

动控制器，运动控制器完成多轴插补、计算进给量和运动控制算法等功能后将位

置/速度指令通过通信网卡发送给 EtherCAT从站;从站运动控制器将收到

EtherCAT数据帧读取后，发送脉冲/方向控制信号给伺服驱动器(SC)控制电机

C SM)走相应的规划轨迹。32路的I/O将采集的开关信号(如限位，安全防护，

紧急停车等)发送给从站运动控制器，起到安全保护的作用。

在对一般数控装备(如数控冲床、数控机床)的电气图进行充分了解的基础

上，结合本控制系统架构，确定本课题多轴运动控制系统的设计指标分为主站PC

机和从站控制器两部分:

主站PC机的数控软件:

1.参数设置:系统参数设置、运动轴参数设置、工艺参数设置和模具库参数

设置;

2.加工状态:自动加工状态显示、手动加工状态显示、I/O状态显示和加工

图形仿真;

软件设置:软件信息、外部设备通信设置和高级设置;

警告与诊断:警告信息诊断和历史警告信息记录。

从站运动控制器:

1.控制轴数:)_5轴;

2.伺服电机控制方式:脉冲(PUL)和方向(DIR);

3.信号隔离性能:低速隔离)1Mbps;

4.通道12位模拟量输入:-_5 V一+_5 V ;

_5.机械限位、原点、接近原点信号输入:}12路;

伺服驱动器接口输入:

伺服启动(/S-ON ) ;

伺服驱动器接口输出:

指令脉冲(PULS , /PULS )、指令符号(SIGN,

/SIGN)、

伺服警报输出(ALM+, ALM- )、编码器分频脉冲

输出C相(PCO , /PCO ) ;

8.插补方式:}2轴直线、圆弧插补;

9.控制算法:S型加减速控制算法;

10.电源接口:直流12-24V ;

11.通讯接口:2个EtherCAT以太网通讯接口;1个RS232接口;1个SPI

扩展接口。

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:13

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EtherCAT主站可由PC计算机或其他嵌入式计算机来实现，使用PC计算机

构成EtherCAT主站时，一般采用标准的以太网网卡NIC C Network Interface Card )

作为主站硬件接口，主站功能由软件实现。由于本课题采用工业PC机作为控制

系统的主站，故设计主站只需注意选用标准以太网网卡来作为主从通信网卡即可。

从站运动控制器使用ARM+MCX314架构:以ARM为控制核心、MCX314

为伺服驱动芯片、ET 1200为从站控制器(ESC)，图2-_5为从站运动控制器的硬件

架构框图。EtherCAT通信模块数据链路层使用专用芯片ESC，通常需要一个微处

理器实现应用层功能。

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wangjiahao88

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wangjiahao88|

2019-7-20 11:15

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这个的门槛比较高，一般人玩儿不转。。。

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goodluck09876

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:15

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这个运行稳定。尤其适用于高速、无延迟的控制系统中。

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goodluck09876

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:16

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如图2-_5所示的从站运动控制器硬件架构:一方面，ARM作为运动控制器的

核心处理器，性价比高、功耗低、性能出色，并且其内部集成了大容量程序存储

器和SRAM，使得其可以单片化工作，避免外扩存储器，在简化电路的设计同时

提高了系统的稳定性;另一方面，MCX314作为专用运动控制芯片大大简化了运

动控制器的软硬件架构和开发工作，可将所有的加减速运动控制、多轴插补、原

点搜索交由运动控制芯片来处理。

本伺服运动控制系统硬件总体方案所包括的部分和所实现的功能如下:

1. EtherCAT主站采用无风扇工业PC机:除了集成标准以太网网卡，实现基

本的EtherCAT实时以太网通信之外，还具有丰富的配置来实现其他功能。PC机

采用无风扇设计，利用机体散热片自动散热，不采用风扇电机散热，极大降低故

障率;主板支持来电开机，-20 0C -}-60 0C宽温度运行范围，整机功率只有18W左

右，支持4个COM串口、2个千兆网接口、8个 USB接口;整机尺寸为

212* 150*43mm。

2. EtherCAT从站控制器ET 1200 : ET 1200是EtherCAT实现通信功能的核心

器件。可以采用M II接口方式外接物理层芯片、网络变压器等标准以太网物理层

器件;也可以采用EBUS接口方式，直接连接RJ4_5接口，根据实际需求设计1-2

个EtherCAT数据收发端口。采用SPI串行通信方式连接ESC的PDI接口与从站

控制ARM处理器。EtherCAT通信模块在控制系统中起着桥梁作用，实现主站PC

机与从站控制芯片的数据通信:一方面，通过EtherCAT实时以太网通信协议，主

站将控制数据存储到ET 1200内部存储区供ARM读取;另一方面，ET 1200通过

SPI串口方式与ARM通信，ARM读取ET 1200内部存储区指令数据或将反馈数据

写入ET 1200内部存储区供主站读取。

3. ARM核心处理器:ARM是运动控制器的核心处理单元，控制器适用于多

轴的实时高速高精度控制，因此需要有足够的I/O端口，灵活的编程功能，支持

浮点运算，高速运动控制算法，以实现较高的实时性，完成相对复杂的控制功能

和状态检测。因为ARM单片机具有浮点运算的功能，非常适合用于伺服控制算

法及轨迹规划的处理。因此，本控制器采用ARM芯片作为控制器的主处理器。

本设计中所用ARM选用STM32F427芯片，它是意法半导体推出的一款32位

Cortex-M4内核的处理器，具有丰富的片内外资源，能满足复杂工业现场中稳定

高效的运算需求。

4. MCX314运动控制芯片:MCX314AL是集4轴脉冲输入的伺服电机、步

进电机的定位控制、速度控制和插补驱动控制功能于一身的IC。可以进行各轴的

独立控制，选择4轴中的任意2轴或3轴可以实现直线插补、圆弧插补、位模式

插补和连续插补等功能。本控制器采用MCX314AL作为协处理器，用来实现控制

器的伺服驱动、原点搜索等多种功能。

_5.电源管理模块:为运动控制器主板和接口板提供两路相互独立的电源，包

含+24V, +5V, +3.3V等工作电压。

6. AD采样芯片:AD采样使用AD7606模数转换芯片，从安全防护角度考

虑不使用ARM芯片片内的ADC单元。

7.差分驱动和查分接收芯片:MCX314AL运动控制芯片输出的脉冲(PULS )

和方向(SIGN)信号经过差分芯片生成差分信号，增强信号的抗干扰能力和传输

距离，最终传输给伺服驱动器。伺服驱动器输出的编码器C相分频脉冲信号为差

分信号，经过控制器板上的MC3486差分接收芯片处理后输入给MCX314AL进行

分析。差分发送芯片选用TI公司的AMS36LS310

8.光祸隔离模块芯片:光祸隔离采用的是TLP281-4芯片，该芯片集成4路

光祸，用于对I/O信号进行安全隔离。

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goodluck09876

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goodluck09876|

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控制系统软件设计分为主站软件设计和从站运动器软件两大部分，如图2-_5

所示。主站软件包含冲床数控系统界面程序、LinuxCNC架构分析及配置、EtherCAT

主站协议安装、linux实时性改造等方面。从站运动控制器软件包含ARM主控制

程序、从站EtherCAT通信程序、FSMC并行总线驱动程序、MCX314加减速控制

程序等。

主站程序开发主要是在Linux环境下使用GCC编译器开发，数控界面使用

QT开发。从站使用Keil环境在STM32上开发各芯片驱动程序和运动控制程序。

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本课题EthreCAT主站选用工业PC机，型号为GK1037，采用无风扇设计，

可达到无尘，无噪音，提高可靠性并降低故障率，如下图3-1所示。CPU采用英

特尔低功耗的赛扬1037U，双核1.8G处理器，整机功耗只有18W左右，主机支

持4个COM串口，支持8个USB接口(其中2个USB3.0接口6个USB2.0接

口)，支持24小时开机，并且带有2个标准千兆以太网口实现EtherCAT总线控制。

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goodluck09876

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goodluck09876|

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2019-7-20 11:18

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EtherCAT从站控制器ESC C EtherCAT Slave Controller)是由德国BECKHOFF

自动化有限公司提供的，包括ASIC芯片和IP-Core，实现EtherCAT数据链路层

协议。目前ASIC从站控制专用芯片有ET1100和ET 1200，也可以使用IP-Core

将EtherCAT通信功能集成到设备控制FPGA当中，并根据需要配置功能和规模。

从本控制器的功能需求和性价比考虑，ESC芯片选用倍福公司的ET 1200}3g}。图

3-2为ET 1200从站控制器结构图。

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