EtherCAT​简介

概览

使用​NI 9144​扩展​机​箱​及​一系列​工业​通信​驱动,​美国​国家​仪器​公司​不断​推出​的​确定​性​分布​式​I/​O​产品​平台​扩展​了​其​对于,​包括​NI 9144​扩展​机​箱​及​一系列​工业​通信​驱动,​且​均​支持​被​称为​EtherCAT®​的​这种​开放​性​实​时​Ethernet​协议​的​支持。​本​技术​文​档​涵​盖了​EtherCAT 技术​在​NI​产品​应用​中的​基本​原理,​包括​协议​基础、​数据​传输、​及​分布​式​时钟​同步。

目录

  1. 简介
  2. EtherCAT​协议​基础
  3. 数据​传输
  4. 高速​性能
  5. 定​时​及​同步
  6. 使用​NI​的​EtherCAT​硬件
  7. 更多​相关​资源

简介

EtherCAT(以太​网​控制​自动​化​技术)​是​一种​用于​确定​性​以太​网​的​高性能​工业​通信​协议,​它​扩展​了​IEEE 802.3​以太​网​标准,​使得​数据​传输​中​具有​可​预测​性​定​时​及​高​精度​同步​等​特点。​这个​开放​性​标准​作为​IEC 61158​的​组成​部分,​常用​于​机械​设计​及​运动​控制​等​应用​中。

EtherCAT​在​标准​的​以太​网​电缆​上​应用​主/​从​式​的​构​架。​美国​国家​仪器​公司​的​EtherCAT​主​设备​由​带有​两​个​以太​网​端​口​的​实​时​控制器​构成,​如​NI CompactRIO​及​PXI。​每​个​NI​从​设备​同样​包含​两​个​端​口,​允许​以​菊花​链​模式​与​主​控制器​连接。

图​1. 采用​NI​硬件​的​EtherCAT​主/​从​构架

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EtherCAT​协议​基础

EtherCAT​协议​直接​以​标准​以太​网​的​帧​格式​传输​数据,​并不​修改​其​基本​结构。​当主​控制器​和​从​设备​处于​同一​子​网​时,​EtherCAT​协议​仅​替换​以太​网​帧​中的​Internet 协议​(IP)。

图​2. EtherCAT​中的​以太​网​帧​结构

数据​以​过程​数据​对象​(PDOs)​形式​在​主​从​设备​之间​传输。​每​个​PDO​都​包含​单​个​或​多个​从​设备​的​地址,​这种​数据​加​地址​的​结构​(附带​用于​校​验​的​传输​计数​位)​组成​了​EtherCAT​的​报​文。​每​个​Ethernet​帧​可能​包含​数​个​报​文,​而​一个​控制​周期​中​可能​需要​多​帧​来​传送​所需​的​所有​报​文。

 

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数据​传输

对于​某些​实​时​协议,​主​控制器​发送​数据​包​后​必须​等待​每​个​从​节点​完成​对​数据​的​解析​和​复制。​然而​这种​确定​性​方法​很​难​维持,​因为​主​控制器​必须​添加​并​管理​一定​量的​处理​时间​及​每​个​从​设备​的​抖动。

EtherCAT​技术​能够​在​工作​中​处理​每​个​以太​网​帧,​从而​克服​了​上述​系统​限制。​举例来说,​设想​以太​网​的​帧​就像​行驶​中的​火车,​EtherCAT​报​文​是​每节​火车​车厢,​PDO​数据​的​比​特​就是​车厢​内的​乘客,​这些​数据​可以​被​提取​并​插入​到​合适​的​从​设备​中。​整​辆​火车​不​停止​地​穿越​所有​从​设备,​在​末端​从​设备​处​又​掉头,​重新​反向​穿越​所有​从​设备。

图​3. EtherCAT​数据​传输

同样​道理,​当​设备​1​收到​主​设备​发出​的​以太​网​数据​包​后,​将​自动​开始​将​数据​包​发送​到​设备​2,​其间​对​数据​包​的​读写​延迟​仅​为​数​纳​秒。​由于​数据​包​不断地​在​从​设备​之间​传递,​数据​就​能​同时​存在​于​数​个​设备​上。

上述​方法​有​什么​实际​意义​呢?​我们​假设​有​50​台​从​设备,​需要​向​每​个​从​设备​发送​不同​数据。​对于​非​EtherCAT​的​网络,​需要​发送​50​个​不同​的​数据​包;​而​对于​EtherCAT,​只需​发送​一个​包含​所有​从​设备​数据​的​长​数据​包​就​行​了,​该​数据​包​将​遍​历​所有​从​设备。​如果​所有​从​设备​需要​接受​相同​的​数据,​那么​只需要​发送​一个​短​数据​包,​所有​从​设备​接收​数据​包​的​同一​部分​便可​获得​该​数据,​从而​优​化​了​数据​传输​速度​及​带​宽。

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高速​性能

EtherCAT​专​为​例如​控制​之类​的​单​点​应用 (single-​point applications) 实现​高性能、​高​通道​数​而​设计。​由于​使​从​设备​的​读写​可在​同一​帧​中​完成,​因此​EtherCAT​报​文​结构​针对​于​分散​的​I/​O​是​一种​优​化​结构。​此外,​由于​整个​协议​处理​由​硬件​完成,​从而​独立​于​协议​栈​运行​时间、​CPU​性能​或​软件​执行。​例如,​通过​直接​存储​器​存取​(DMA),​数据​在​网​卡​与​主​处理​器​或​从​设备​I/​O​间​传输​时,​能够​实现​最低​的​CPU​使用​率。​同时,​每​个​NI​从​设备​均​使用​若干​专用​于​PDO​传输​及​地址​解析​的​现场​总​线​存储​管理​单元​(FMMUs)。​从​设备​(而​非​主​设备)​独立​进行​相应​报​文​的​映射,​从而​降低​了​主​设备​的​复杂​性,​释放​更多​资源。

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定​时​及​同步

实现​确定​性​网络​的​另​一个​因素​是​主​控制器​通过​分布​式​时钟​同步​从​设备​的​能力。​从​设备​中​必须​有​一台​输出​主​时钟​用于​与​其它​从​设备​时钟​进行​同步。​在​NI​的​设计​实现​中,​第一​台​从​设备​包含​了​主​时钟,​主​控制器​发送​的​特殊​同步​报​文​在​每​个​扫描​周期​中​读​取​主​时钟。​该​报​文​更新​并​调整​所有​其它​从​设备​时钟,​以​消除​时钟​偏移。

精确​同步​非常​重要,​尤其是​在​大​范围​分布​式​处理​应用​中​要求​同步​执行​时,​如​运动​轴​间​的​协调​运动。​NI​采用​时间​戳​来​衡量​发送​与​返回​帧​之间​的​时差。​利用​这种​方式,​可以​计算​节点​间​的​传输​延​时,​通过​准确​调节​分布​式​时钟​便可​实现​精确​同步​(小​于​1 µs)。

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使用​NI​的​EtherCAT​硬件

美国​国家​仪器​公司​提供​多种​在​EtherCAT​上​兼容​确定​性​分布​式​I/​O​的​平台。​对于​主​控制器,​用户​可​选用​带​两​端​口​的​CompactRIO​控制器​或​插​有​NI PXI-8231/8232​以太​网​接口​卡​的​PXI​系统,​配合​适用​NI-​Industrial Communications for EtherCAT​软件​驱动。​用户​可​通过​菊花​链​方式​在​控制器​上​连接​多台​NI 9144​从​设备​机​箱​完成​时间​确定​性​应用,​以​最小​的​处理​器​资源,​维持​硬件​的​高​确定​性。

NI 9144​是​坚固​的​8​槽​机​箱,​可​支持​30​多种​模拟、​数字​C​系列​模​块。​这些​I/​O​模​块​能​提供​直接​连接​各类​传感器​性,​并​能​重​用于​其它​NI​硬件​平台。​最​重要​的是,​创新​性的​技术​使得​NI 9144​的​配置​过程​最​简化,​在​LabVIEW 8.6 Real-​Time​软件​中​能够​自动​识别​所有​连接​的​从​设备​及其​模​块。​使用​LabVIEW,​您​可以​通过 I/​O 变量​拖曳、​实​时​测试​面板、​I/​O 强制​等​功能​轻松​实现​与​物理​通道​连接,​实现​调​试​功能。

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更多​相关​资源

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