什么是EtherCAT？
介紹
簡介
EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一種高性能實時以太網通信協(xié)議，用于在工業(yè)自動化領域中進行實時控制和通信。它是由德國Beckhoff自動化公司在2003年開發(fā)的，并被國際電工委員會（IEC）標準化為IEC 61158標準。
EtherCAT的設計目標是實現(xiàn)極低的通信延遲和高帶寬的數據傳輸，以滿足高速控制和數據采集的需求。它通過一種特殊的主從架構實現(xiàn)，其中一個主站（Master）負責協(xié)調整個網絡，而從站（Slave）則負責提供輸入輸出功能。
特點和優(yōu)勢
實時性能：EtherCAT具有非常低的通信延遲，通常在微秒級別，這使得它適用于對實時性要求較高的應用，如高速運動控制和精密定位系統(tǒng)。
高帶寬：EtherCAT支持高達100Mbps的數據傳輸速度，能夠滿足大量實時數據和控制信息的傳輸需求。
靈活性：EtherCAT支持靈活的拓撲結構，可以適應各種網絡配置，包括星形、總線型、樹型等。它還支持熱插拔設備和自動配置，簡化了網絡的部署和維護。
易于集成：EtherCAT可以與現(xiàn)有的以太網基礎設施兼容，因此可以與其他以太網設備進行無縫集成。此外，EtherCAT還提供了各種接口和開發(fā)工具，使得開發(fā)人員能夠輕松地實現(xiàn)EtherCAT的應用。
開放標準：EtherCAT是一個開放的標準，遵循國際電工委員會（IEC）的標準化規(guī)范，因此可以被各個廠商和組織廣泛采用和支持。
EtherCAT已經在工業(yè)自動化領域得到廣泛應用，包括機器人控制、工業(yè)自動化設備、測試和測量系統(tǒng)等。它的高性能和可靠性使得它成為一種理想的通信協(xié)議，用于實現(xiàn)實時控制和數據傳輸。
EtherCAT系統(tǒng)組成
EtherCAT由一個主站設備和多個從站設備組成。主站設備使用標準的以太網控制器，具有良好的兼容性，任何具有網絡接口卡的計算機和具有以太網控制的嵌入式設備都可以作為EtherCAT的主站。對于PC計算機而言，主站控制器多采用倍福開發(fā)的TwinCAT軟件。EtherCAT從站使用專門的從站控制器（ESC），如專用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理層使用標準的以太網物理層器件，如傳輸介質通常使用100BASE-TX規(guī)范的5類UTP線纜。
在EtherCAT網絡中，主站和從站之間的通信是實時的、高效的和可靠的。主站通過廣播方式將命令和控制數據傳輸到所有的從站，從站接收到相應的數據后進行處理并發(fā)送響應。這種并行處理的方式使得EtherCAT能夠實現(xiàn)低延遲和高帶寬的數據交換，適用于對實時性要求較高的工業(yè)自動化應用。
主站
主站（Master）：主站是EtherCAT網絡中的中央控制單元，負責協(xié)調整個網絡的操作和通信。主站通過發(fā)送命令和控制數據來控制和監(jiān)視從站的行為。主站還負責在網絡中進行同步和時序控制，確保從站按照預定的時間表執(zhí)行任務。主站通常由一臺計算機、PLC（可編程邏輯控制器）或專用的EtherCAT主站控制器實現(xiàn)。
主站的主要功能包括：
網絡管理：主站負責網絡配置和管理，包括從站的添加和刪除、參數設置和診斷等。
數據交換：主站向從站發(fā)送命令和控制數據，接收從站的反饋和狀態(tài)信息，實現(xiàn)數據交換和通信。
同步控制：主站通過發(fā)送同步信號確保網絡中的從站按照統(tǒng)一的時間基準執(zhí)行任務，實現(xiàn)精確的同步控制。
從站
從站（Slave）：從站是EtherCAT網絡中的被控制設備或模塊，負責提供輸入輸出功能和執(zhí)行主站的命令。從站可以是各種工業(yè)自動化設備，如傳感器、執(zhí)行器、驅動器等。從站接收主站發(fā)送的命令和控制數據，并根據指令執(zhí)行相應的操作。從站還將采集的數據和狀態(tài)信息反饋給主站。
從站的主要功能包括：
數據交換：從站接收主站發(fā)送的命令和控制數據，并將采集的數據和狀態(tài)信息發(fā)送回主站。
響應控制：從站根據主站的命令執(zhí)行相應的操作，如控制執(zhí)行器的運動、讀取傳感器數據等。
狀態(tài)反饋：從站向主站報告設備的狀態(tài)和異常信息，以供主站進行診斷和監(jiān)控。
硬件
EtherCAT從站常使用ESC+MCU結構，如下圖:
EtherCAT主站芯片
EtherCAT主站芯片是用于構建EtherCAT網絡中主站（Master）功能的集成電路。它們提供了實時通信和控制所需的硬件和軟件支持，使得開發(fā)人員能夠輕松實現(xiàn)EtherCAT通信并控制從站（Slave）設備。
以下是幾個常見的EtherCAT主站芯片：
Beckhoff ET1100系列：Beckhoff自家開發(fā)的EtherCAT主站芯片。它具有高性能和可靠性，支持高速EtherCAT通信，可用于實現(xiàn)實時控制和數據傳輸。
Renesas R-IN32系列：Renesas電子公司推出的EtherCAT主站芯片。這些芯片集成了ARM Cortex-A處理器和EtherCAT通信控制器，具有強大的處理能力和豐富的接口選項。
TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一種綜合型芯片，集成了ARM Cortex-A處理器和EtherCAT主站功能。它們適用于嵌入式控制器和工業(yè)自動化應用，提供了靈活性和可編程性。
Intel Cyclone系列：Cyclone系列FPGA芯片由Intel提供，可以用于實現(xiàn)EtherCAT主站功能。這些芯片具有可編程性，可以根據應用需求進行定制和優(yōu)化。
EtherCAT從站芯片
從站芯片是用于構建EtherCAT網絡中從站（Slave）設備功能的集成電路。它們提供了實時通信和控制所需的硬件和軟件支持，使得開發(fā)人員能夠輕松實現(xiàn)從站設備的EtherCAT通信和響應主站的指令。
以下是幾個常見的EtherCAT從站芯片：
Beckhoff ET1200系列：Beckhoff自家開發(fā)的EtherCAT從站芯片。它提供了高性能的EtherCAT通信功能，可用于實現(xiàn)從站設備與EtherCAT網絡的連接和通信。
亞信ASIX AX58100：AX58100是一款2/3端口EtherCAT從站控制器(ESC)，集成兩個支持100Mbps全雙工操作與HP Auto-MDIX功能的快速以太網PHY。
Renesas R-IN32M系列：Renesas電子公司推出的高性能EtherCAT從站芯片。它們支持多種接口和功能，適用于各種工業(yè)自動化設備的EtherCAT通信需求。
TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一種綜合型芯片，集成了ARM Cortex-A處理器和EtherCAT從站功能。它們適用于嵌入式控制器和工業(yè)自動化應用，具有靈活性和可編程性。
硬件FPGA：除了專門的從站芯片，一些開發(fā)人員也選擇使用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來實現(xiàn)EtherCAT從站功能。使用FPGA可以靈活定制從站的功能和接口，適應各種應用需求。
EtherCAT應用層協(xié)議
EtherCAT的應用層直接面向應用任務，它定義了應用程序與網絡連接的接口，為應用程序訪問網絡提供手段和服務。通過對常用協(xié)議進行簡單修改，與EtherCAT通訊協(xié)議相兼容，從而可得EtherCAT多種應用層協(xié)議，主要包括：EoE、CoE，SoE以及FoE等。
EtherCAT協(xié)議本身具有良好的同步特性和數據傳輸速度，非常適用于伺服系統(tǒng)的控制，其中CoE與SoE可實現(xiàn)交流伺服驅動器控制的應用層。CoE是在CANopen協(xié)議基礎上，對協(xié)議進行了一些補充。CoE完全遵從CANopen的應用行規(guī)，其中CiA402行規(guī)用于伺服和運動控制。SERCOS是一種高性能數字伺服實時通信接口協(xié)議，包含多種通信技術和設備行規(guī)。SoE是指在EtherCAT協(xié)議下運行SERCOS協(xié)議規(guī)定的伺服控制行規(guī)，使用EtherCAT協(xié)議操作SERCOS行規(guī)定義的伺服參數和控制數據。
工具軟件
以下內容在公眾號：《物聯(lián)網知識》后臺均可獲取
TwinCAT：用于充當ECAT主站和從站燒寫EEPROM
Altova XMLSpy 2013：用于讀寫XML文件
SSC_V5i12：從站協(xié)議棧代碼工具，是EtherCAT協(xié)會為會員免費提供的
KEIL 5:STM32 IDE
