1 引言

工业以太网技术不断提高的性能和迅速降低的成本，工业以太网成为当前的技术热点。EtherCAT(ethernet for control automation technology)是技术德国beckhoFF(倍福)公司提出的实时工业以太网技术，它基于标准的以太网技术，具有灵活的网络拓扑结构，支持星形、线性、树形等几乎所有的网络拓扑结构[1]。EtherCAT系统配置简单，具有高速、高有效数据率等特点，其有效数据利用率达到90%以上，全双工特性得以完全利用[2]。2005年2月，EtherCAT通过96% iec会员投票表决，正式成为iec规范——iec/pas62407，国际标准组织(iso)已将EtherCAT纳入iso15745标准。EtherCAT技术引起了自动化技术领域的广泛关注，并于2003年成立了EtherCAT技术组织，简称etg，到目前为止，etg组织成员已超过1500个[3]。

2 EtherCAT技术介绍

2.1 EtherCAT的组成和工作原理

EtherCAT采用主从式结构，主站可以用一般PC机，利用BeckhoFF公司开发的TWinCAT(the windows control and automation technology)组态软件来实现。控制周期从主站发出，主站发送下行电报，电报最大有效数据长度可达1498字节。数据帧遍历所有从站设备，每个设备在数据帧经过时分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文中指定位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器(WKC)加1，表示该数据被处理。整个过程只有几纳秒时间延迟[4]。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧做为上行电报直接发送给主站。主站收到此上行电报后，处理返回数据，一次通信结束。系统结构原理如图1所示。

图1 EtherCAT的工作原理

借助于从站中的EtherCAT专用芯片ET1100和主站中读取网卡数据的dma技术，整个协议处理过程都在硬件中进行，使EtherCAT的网络性能达到了一个新的高度。EtherCAT系统可以在30毫秒内刷新1000个io结点，可以在300毫秒内交换一帧多达1486个字节的协议数据，这几乎相当于12000个数字量输入或输出。

2.2 EtherCAT的协议

EtherCAT以标准以太网技术为基础，在mac(媒体访问层)加了一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期的数据帧的传输。EtherCAT采用标准的ieee802-3以太网帧，以太网帧的结构如图2所示，各个部分的含义如表1所示。

图2 EtherCAT帧结构

表1 以太网帧结构含义

EtherCAT在标准以太网帧结构中使用了一个特的以太网帧类型0x88a4，采用这种方式可以使控制数据直写入以太网帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在一网络中并行。一个EtherCAT帧中可以包含若干个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域，由fmmu(fieldbus memory management unit)寄存器和(syncmanager)寄存器定义，该区域最大可达4gb字节。EtherCAT报文由一个16位的wkc(working count)结束，其数据最大长度可达1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决主站对从站的寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因可以对EtherCAT从站进行任意的编址。

3 EtherCAT从站硬件设计

3.1 EtherCAT从站的结构

本文设计的EtherCAT从站节点硬件包括从站协议控制器、cpu和网络接口等部分组成。EtherCAT从站中最关键部分EtherCAT协议控制器，它实现EtherCAT的物理层与数据链路层议。现在市场上有多种EtherCAT协议控制器可供使用，本文选用beckhoff(倍福)公司的esc(EtherCAT slave controller)ET1100来作为EtherCAT协议控制器，使用英飞凌的16位mcu xc164作为从站结点的cpu。整个从站硬件结构如图3所示。

图3 EtherCAT从站硬件结构图

如图3所示，xc164和ET1100之间可以采用spi总线或者微控制器方式交换数据，e2rom用于存储ET1100的配置数据，在从站上电时由主站根据e2rom存储的数据配置ET1100。以太网口0和1分别用于接收主站的上行电报和发送下行电报。

3.2 从站控制器ET1100的结构

ET1100是一款功能强大EtherCAT从站控制器，具有丰富的接口资源，其内部功能结构如图4所示[5]。

图4 从站控制器ET1100的内部结构功能图