在這一部分中，我將詳細(xì)介紹EtherCAT、它的終端應(yīng)用，以及它的工作方式。

德國(guó)倍福自動(dòng)化公司 (Beckoff Automation) 發(fā)明了EtherCAT。自從2003年以來(lái)，它一直處于EtherCAT技術(shù)組 (ETG) 框架之下，而EtherCAT技術(shù)組是一個(gè)由大約2600家成員公司組成的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線組織。

EtherCAT常見(jiàn)于工廠自動(dòng)化、半導(dǎo)體工具、包裝機(jī)器人技術(shù)以及其它應(yīng)用領(lǐng)域。我最喜歡的一個(gè)非工業(yè)應(yīng)用示例就是迪斯尼內(nèi)的水舞水幕秀，其中由EtherCAT來(lái)控制燈光顯示。

在技術(shù)層面，EtherCAT是如圖1中顯示的主從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。EtherCAT從器件具有2個(gè)以太網(wǎng)連接器，以支持一個(gè)簡(jiǎn)單的線路拓?fù)?。為了達(dá)到冗余的目的，也可以支持環(huán)形拓?fù)洌谶@個(gè)情況下，EtherCAT主器件必須要有2個(gè)以太網(wǎng)端口。一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)能夠支持多達(dá)65535個(gè)從器件。

圖1：具有EtherCAT數(shù)據(jù)幀流程的EtherCAT主從示例網(wǎng)絡(luò)

只有EtherCAT主器件生成一個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀；所有從器件接收和處理這個(gè)數(shù)據(jù)幀。最后一個(gè)從器件回送這個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀，而這個(gè)數(shù)據(jù)幀在經(jīng)歷所有從器件（無(wú)需進(jìn)一步處理）后，返回到主器件。這個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀已經(jīng)為每個(gè)從器件的數(shù)據(jù)處理預(yù)留了空間，而所有的從器件都不會(huì)更改數(shù)據(jù)幀本身的長(zhǎng)度。這有點(diǎn)兒像為乘客準(zhǔn)備了多個(gè)車廂和座位的火車一樣，每個(gè)從器件都有一個(gè)指定的車廂或指定的座位。EtherCAT允許到“座位”層的尋址—而數(shù)據(jù)處理是在數(shù)據(jù)位上進(jìn)行的。

一個(gè)EtherCAT主器件只需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC外設(shè)，這是因?yàn)橹髌骷趯?shí)時(shí)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀方面沒(méi)有特定的需要。主器件只需要用準(zhǔn)確的時(shí)基來(lái)觸發(fā)啟動(dòng)EtherCAT數(shù)據(jù)幀。

一個(gè)EtherCAT從器件需要特定的以太網(wǎng)硬件 (EtherCAT MAC) 支持—通常的實(shí)現(xiàn)方式是圖2中所示的專門用途集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) –這是因?yàn)樗枰幚碓谶\(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入的EtherCAT數(shù)據(jù)幀。這意味著EtherCAT MAC在進(jìn)行數(shù)據(jù)幀接收的同時(shí)，要處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀。典型的EtherCAT器件在已接收和已發(fā)送數(shù)據(jù)幀之間具有1μs的端口到端口延遲。

圖2：具有一個(gè)ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT從器件

EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中不支持其它類型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。這主要是為了保持實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通道的暢通，用于EtherCAT數(shù)據(jù)幀的處理。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中有非EtherCAT數(shù)據(jù)幀（與EtherCAT不匹配的以太網(wǎng)類型）的情況下，EtherCAT從器件將通過(guò)使數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)和 (CRC) 無(wú)效來(lái)銷毀這個(gè)數(shù)據(jù)幀。這使得非EtherCAT數(shù)據(jù)幀在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)器件中無(wú)法使用，而它們將最終停止“污染”EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝在一個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀內(nèi)，可以在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中傳送標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP)，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 (UDP)）。這通過(guò)位于EtherCAT主機(jī)處理器協(xié)議棧頂端的不同EtherCAT系統(tǒng)配置完成。其中的一個(gè)示例系統(tǒng)配置就是用EtherCAT實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)。

EtherCAT器件的其它特性和功能包括：

分布時(shí)鐘—從器件和主器件上的高精度時(shí)間同步方法。

支持環(huán)回的快速鏈路斷開檢測(cè)（需要以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器支持）--當(dāng)以太網(wǎng)PHY檢測(cè)到一個(gè)鏈路斷開時(shí)，它通知EtherCAT硬件。在10μs內(nèi)，EtherCAT硬件將環(huán)回EtherCAT數(shù)據(jù)幀。請(qǐng)查看TI的TLK1xx以太網(wǎng)PHY收發(fā)器系列，這個(gè)系列的器件支持快速鏈路斷開特性。

在EtherCAT中使用ASIC或FPGA會(huì)增加成本和電路板面積。一個(gè)替代的解決方案就是使用許多TI Sitara處理器中的PRU-ICSS外設(shè)。例如，TI提供針對(duì)AM335x處理器的PRU-ICSS固件，從而使EtherCAT從器件無(wú)需使用一個(gè)外部FPGA（圖3）。你可以用TMDSICE3359評(píng)估板來(lái)評(píng)估TI的EtherCAT從器件解決方案。

圖3：集成了TI Sitara處理器的EtherCAT從器件

審核編輯：郭婷