小伙伴們，我們又來了。上期大概介紹了EtherCAT的一些特性，本期我們將會(huì)更詳細(xì)的介紹一下EtherCAT的實(shí)現(xiàn)方式，通信周期的意義到底是什么、SDO和PDO到底是什么等概念。

首先要聲明，盡管本期介紹略微深入，實(shí)際上小伙伴使用正運(yùn)動(dòng)控制器的時(shí)候是非常簡單的，你完全可以不了解下面的概念就可以充分利用正運(yùn)動(dòng)在總線上的多種優(yōu)勢，這篇文章是為感興趣，想了解更多的小伙伴寫的。只有了解更多，才能解決復(fù)雜問題哦。

ZMC408CE | 實(shí)現(xiàn)“8通道獨(dú)立PSO”應(yīng)用場景

說到EtherCAT總線控制器，這里為大家介紹一款正運(yùn)動(dòng)技術(shù)推出的高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器ZMC408CE。

ZMC408CE核心技術(shù)采用了先進(jìn)的FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件位置比較輸出、精準(zhǔn)輸出功能，保證連續(xù)軌跡加工的出色性能和穩(wěn)定性，以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)捕獲的實(shí)時(shí)性，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)控制和提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

ZMC408CE支持EtherCAT+脈沖軸混合插補(bǔ)，可脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行，軸數(shù)8-32軸可選，支持ZDevelop+多種高級上位機(jī)混合編程，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、電子凸輪、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工和30+種機(jī)器人模型的控制。

ZMC408CE產(chǎn)品亮點(diǎn)

1.高性能處理器，提升運(yùn)算速度、響應(yīng)時(shí)間和掃描周期等；

2.一維/二維/三維、多通道視覺飛拍，高速高精；

3.位置同步輸出PSO，連續(xù)軌跡加工中對精密點(diǎn)膠膠量控制和激光能量控制等；

4.多軸同步控制，多坐標(biāo)系獨(dú)立控制等；

5.EtherCAT同步周期可快至125us；

6.EtherCAT總線和脈沖軸混合插補(bǔ)；

7.直線插補(bǔ)、任意空間圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)等；

8.應(yīng)用靈活，可PC上位機(jī)開發(fā)，也可脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行；

想要了解更多關(guān)于ZMC408CE的詳情介紹，可以點(diǎn)擊“推薦|8通道PSO的高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器”查看。

EtherCAT設(shè)計(jì)目標(biāo)和優(yōu)勢

工業(yè)現(xiàn)場往往需要穩(wěn)定并且實(shí)時(shí)的通信，傳感器和IO信號(hào)需要高速響應(yīng)，電機(jī)的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸。在EtherCAT之前，就已經(jīng)有CAN總線等現(xiàn)場總線。

但隨著現(xiàn)場的自動(dòng)化系統(tǒng)越來越龐大，傳統(tǒng)總線的瓶頸就越來越明顯：帶寬不夠高，傳輸數(shù)據(jù)量少，無法充分利用IT技術(shù)的發(fā)展等。所以就誕生了一批基于Ethernet的現(xiàn)場總線，EtherCAT就是其中的佼佼者之一。

EtherCAT總線的官方描述是基于Ethernet的現(xiàn)場總線（如上圖），為什么不直接使用Ethernet呢，因?yàn)楝F(xiàn)場通信的一些特征是和IT領(lǐng)域完全不同的：

1.單個(gè)系統(tǒng)擁有大量節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）。

2.這些節(jié)點(diǎn)一般需要傳輸數(shù)據(jù)量比較少，但實(shí)時(shí)性要求很高。

如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用一個(gè)Ethernet數(shù)據(jù)幀來通信的話，最后的通信效率就會(huì)非常的低。按照官方的一個(gè)計(jì)算示例，最終的帶寬利用率可能不到5%，并且，基于Ethernet的通信協(xié)議，例如TCP，會(huì)帶來額外的帶寬開銷和延遲，大量的帶寬都被無效的數(shù)據(jù)占用。

EtherCAT的解決方法就是，所有的節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)數(shù)據(jù)幀，主站發(fā)出數(shù)據(jù)幀后，所有的從站會(huì)在飛行中處理數(shù)據(jù)，讀取自己需要的，塞入自己需要返回的數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)把數(shù)據(jù)幀繼續(xù)向下傳輸，直到碰到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用Ethernet的全雙工特性再將數(shù)據(jù)返回給主站。

利用這種傳輸方式，數(shù)據(jù)幀的最大有效數(shù)據(jù)率（maximum effective data rate）可以超過90%，主站是唯一允許主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的設(shè)備，其他節(jié)點(diǎn)只能順序傳輸報(bào)文，這樣可以避免Ethernet網(wǎng)絡(luò)中常見的沖突和延時(shí)，保證EtherCAT數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)特性。并且，從站使用專用芯片（ESC）在飛行中處理數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，完全使用硬件來處理， 使得整個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)間保持穩(wěn)定可預(yù)測，和每個(gè)從站的不同部署完全無關(guān)。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中可以傳輸周期性的數(shù)據(jù)和非周期性的數(shù)據(jù)。

周期性數(shù)據(jù)是通過PDO(Process Data Object)來交換的，一般用于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，例如電機(jī)的命令位置和反饋位置，IO信號(hào)的交互等。

非周期的數(shù)據(jù)是可以通過郵箱協(xié)議來傳輸，最常見的就是CoE(Canopen Over EtherCAT)，可以SDO(Service Data Object)來傳輸信息，SDO一般用于非實(shí)時(shí)的通信，例如電機(jī)參數(shù)的配置(例如分辨率, 最大電流等)，包括從站的PDO配置信息也是通過SDO來傳輸?shù)摹?/p>

配置PDO就像為你的數(shù)據(jù)買高鐵票，這樣主站和從站在正式工作之前就已經(jīng)提前知道了將會(huì)有哪些數(shù)據(jù)上這列高鐵，每過一個(gè)從站ESC芯片將會(huì)自動(dòng)取下來對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，塞入需要返回的數(shù)據(jù)。這樣可以最大化的縮減無效的數(shù)據(jù)，并且加快處理速度。

PDO信息的傳輸周期就是我們經(jīng)常說的EtherCAT通信周期。例如正運(yùn)動(dòng)的常規(guī)固件默認(rèn)都是1ms的周期（1K的通信頻率），正運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)品可以設(shè)置125us的周期（8K的通信頻率）。為什么默認(rèn)是1ms而不是更短的周期（更高的頻率）呢？控制器在這1ms內(nèi)在做什么呢？從站又在做什么呢？

這個(gè)要從CSP的工作模式和電機(jī)的控制環(huán)路說起，后面章節(jié)會(huì)再詳細(xì)介紹。[一般1ms已經(jīng)足夠小了（1K已經(jīng)足夠高了）。并且，電機(jī)之間的同步不是靠數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時(shí)間，而是靠分布式時(shí)鐘的，可以實(shí)現(xiàn)納秒級的同步，上期文章有介紹]。

前面提到，因?yàn)镋therCAT數(shù)據(jù)幀的獨(dú)特設(shè)計(jì)，有效數(shù)據(jù)率非常高，所以在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域可以充分利用起來Ethernet的百兆帶寬，實(shí)際上百兆帶寬也可以讓非常多的電機(jī)實(shí)現(xiàn)1ms的通信周期，例如正運(yùn)動(dòng)家就有128軸的控制器（一般人我不告訴他哦）。

那上次留下的一個(gè)問題是，既然EtherCAT百兆總線已經(jīng)這么好了，為什么還要去設(shè)計(jì)千兆和萬兆總線？

答案是隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了更龐大更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如先進(jìn)的物流系統(tǒng)或者磁懸浮系統(tǒng)需要非常多的軸（幾百甚至上千），并且這些軸之間需要精確同步；或者需要采集大量傳感器數(shù)據(jù)的測量設(shè)備，都對總線的帶寬提出了更高的要求。

更高的帶寬可以讓現(xiàn)場總線進(jìn)入更多的應(yīng)用領(lǐng)域，同樣更強(qiáng)的總線也可以支撐設(shè)計(jì)以前沒有的復(fù)雜系統(tǒng)。

本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT和Ethernet的不同點(diǎn)有哪些？通信周期又是什么意思？就分享到這里。

更多精彩內(nèi)容請關(guān)注“正運(yùn)動(dòng)小助手”公眾號(hào)，需要相關(guān)開發(fā)環(huán)境與例程代碼，請咨詢正運(yùn)動(dòng)技術(shù)銷售工程師：400-089-8936。

本文由正運(yùn)動(dòng)技術(shù)原創(chuàng)，歡迎大家轉(zhuǎn)載，共同學(xué)習(xí)，一起提高中國智能制造水平。文章版權(quán)歸正運(yùn)動(dòng)技術(shù)所有，如有轉(zhuǎn)載請注明文章來源。

審核編輯黃宇