工业以太网EtherCAT技术的原理及其实现

1、工业以太网技术的原理及其实现图12下一页工业以太网技术是工业控制行业中的研究热点。技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的关注。本文详细介绍了技术的原理和协议形式，并结合给出了一种具体的从站实现方式。过去十几年中，现场总线是工厂自动化和过程自动化领域中现场级通讯系统的主流解决方案。但随着自动化控制系统的不断进步和发展，传统的现场总线技术在许多应用场合已经难以满足用户不断增长的需求。以太网已经在局域网和上取得了巨大的成功，在整个企业的信息系统中，以太网已经非常成功的应用于市场经营管理层、生产管理层和过程监控层。如果能够在底层设备网络上引入以太网不仅可以使现场设备层、过程控制层和管

2、理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。目前，工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点，多家自动化公司推出了自己的工业以太网解决方案。目前主要的工业以太网标准有以下几种：以及我国研制的等。与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所支持、软硬件资源丰富、易于与连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。是由德国自动控制公司开发的一种工业以太网技术，该技术以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的产品研发人员的关注。2003年底ET()组织成立，负责技术的推广和宣传。目前，该组织目前已经拥有多个成员，很多成员组织已经开发出

3、基于的产品。二、技术原理是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。协议可以包括几个报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。作为一种实时以太网协议，从站的模型可工业以太网技术的原理及其实现图以用图简单描述。在图中，国际标准组织所定义的开放系统互连七层模型被压缩成了具有物理层、数据链路层和应用层的3层模型。物理层为网络信号的传输提供了物理链路。数据链路层的主要任务是在特定的“时间窗”内从以太网帧中提取数据并把要输出的数据插入到以太网帧内，同时对数据进行检查校验。如果动作

4、在特定的时间窗内不能完成，就会认为动作失败。应用层的作用是处理数据链路层的请求，并作出适当的反应。的模型协议本身决定了它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。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，非常适合主从控制器之间的通讯。主站传递的以太网帧包含了所有的从站数据，报文在从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回主站。射一丁寸世网湫HdSB站$EfPeiVlu艳苴呃茅MKCV巩湫N8QEIFeiCVlIE4PV13(88Vt)EfpGic对丄艳耳

5、CKQ：寸B站g协议结构如图所示。图表明，由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，充分利用了层的带宽，采用协议进行数据传输，可用的数据传输速率可达以上，的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理个数字量只需微秒，处理个位模拟量信号只需微秒，即取样频率达到。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合，可以做到真正把以太网应用于传感器执行器级。协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等，并且不受限于级在故障诊断方面，通过校验，可以有效地检测出数据传送期间的位故障，通过匹配性检查可以进行断线检测和故障定位。另外，系统的协议还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计

6、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。三、的实现技术的实现包括主站实现和从站实现。主站不需要专用的通讯处理器，只需使用无源的卡或主板集成的以太网设备即可，完全采用软件方式在主机中实现协议的识别和封装。可以在单个以太网帧中最多实现148字6节的分布式过程数据通讯。为了方便主站的开发，组织现在提供主站样本代码，可以方便的把该代码嵌入到实时操作系统中，加快项目开发进程。本文采用的主站的人机界面如图3所示。TOC o 1-5 h zOOM(M00DICO盟05g初00J80000CO、：00OO01COfOfli0100003001(ESOoweWJ曲沖coKooa400000ODDO0

7、0H)CO9000050tX)M00CODOOO0000“00180000C-noc00OQM)饷flOTOMWMCOWCOWOQ、0008DOM3000000000000-*VEa?n4Vor时ywwrCOOODQ0000QOOQ000000工业以太网技术的原理及其实现图作为微作0为0工业以太网实现了协议的应用层，可以通过位并口对内0部的进行数据存取。带有两个接口,!*图测试用主站人机界面从站是通过专用硬件实现的，目前，有多家制造商均提供从站控制器，也可以一次性购买获取授权的二进制代码，通过价格低廉的实现从站控制器的功能。实现从站的专用硬件都具有两个地址，可以很容易的扩展两个网口，目的是便于实现级联，构成各种拓扑结构。本文采用公司的位处理器处理器，采用公司的协议通讯控制器。它们在硬件上实现了协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的的物理层。网络变压器的作用是实现隔离和阻抗匹配。主站与从站的数据通讯速率达到，具体的实现从站的原理框图如图所示。工业以太网技术的原理及其实现图工业以太网技术的原理及其实现图图4从站原理框图四、结论与展望作为工业自动化以太网解决方案，以其高速、简单、易于实现正在获得越来越多的研发人员的青睐，国际上已经有多个厂家研发出自己的主站产品和从站芯片，国内也有多个厂家开始