一、工业以太网总览

表 1 给出了常见的几种工业以太网及其管理组织。

表 1-1 常见工业以太网及其管理组织列表

上述各种工业以太网管理组织的标识如图 1-1所示。

图1-1 工业以太网管理组织

根据从站设备的实现方式，可将工业以太网分为三种类型：

（1）类型 A ——  通用硬件、标准 TCP/IP 协议

Modbus/TCP、Ethernet/IP、PROFInet/CbA（版本 1）采用这种方式。使用标准 TCP /IP 协议和通用以太网控制器，结构如图1- 2 所示。这种方式下，所有的实时数据（如过程数据）和非实时数据（如参数配置数据）均通过 TCP/IP 协议传输。其优点是成本低廉，实现方便，完全兼容通用以太网。在具体实现中， 某些产品可能更改/优化了 TCP/IP 协议以获得更好的性能，但其实时性始终受到底层结构的限制。

图 1-2 工业以太网类型 A 结构

（2）类型 B —— 通用硬件、自定义实时数据传输协议

Ethernet Powerlink、PROFInet/RT（版本 2）采用这种方式。采用通用以太网控制器，但不使用 TCP/IP 协议来传输实时数据，而是定义了一种专用的包含实时层的实时数据传输协议，用来传输对实时性要求很高的数据，结构如图1-3 所示。TCP/IP 协议栈可能依然存在，用来传输非实时数据，但是其对以太网的读取受到实时层（Timing-Layer）的限制，以提高实时性能。这种结构的优点是实时性较强，硬件与通用以太网兼容。

图 1-3 工业以太网类型 B 结构

（3）类型 C —— 专用硬件、自定义实时数据传输协议

EtherCAT、SERCOS-III、PROFInet/IRT（版本 3）采用这种方式。这种方式在类型 B 的基础上底层使用专有以太网控制器（至少在从站侧），以进一步

优化性能。其优点是实时性强，缺点是成本较高，需使用专有协议芯片、交换机等。

二、Modbus/TCP

国家标准 GB/T 19582-2008《基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范》中给出的 Modbus 协议模型如图 2-1 所示，其中白色部分表示已有标准/规范，如Modbus 串行链路基于现有 TIA/EIA 标准：TIA/EIA-232-F 和 TIA/EIA-485-A， Modbus/TCP 基于 IETF 文件：RFC 793 和 RFC 791，灰色部分表示该标准中所定义的内容。

图 2-1 Modbus 协议模型

可以看出，Modbus/TCP 只是将 Modbus 应用层协议简单地移植（映射）到

TCP/IP 网络上。

2.3Modbus/TCPADU 格式

Modbus PDU（协议数据单元）与基础通信层无关，在串行链路和 TCP/IP 上都是相同的。区别在于，在 TCP/IP 上使用一种专用报文头来识别 Modbus 应用数据单元，称为 MBAP 报文头（Modbus 应用协议报文头）。Modbus/TCP 协议数据单元格式如图 2-2 所示。

图 2-2 Modbus/TCP 协议数据单元

MBAP 报文头长度为 7 字节，格式如表 2-1 所示。其中，事务处理标识符、协议标识符和单元标识符都由客户机在请求报文中设置，服务器在响应报文相应域中返回相同内容。

表 2-1 MBAP 报文头格式

与串行链路上使用的 Modbus/RTU 应用数据单元相比，Modbus/TCP 应用数据单元有如下区别：

（1）MBAP 报文头中的单元标识符取代了 Modbus 串行链路上使用的从站地址域，这使得单个 IP 地址可支持多个 Modbus 终端单元，如 Modbus/TCP-串行链路网关可支持多个串行链路从站设备；

（2）MBAP 报文头中增加了附加长度信息，以便接收节点识别报文边界；

（3）Modbus/TCP ADU 中去掉了 CRC 校验域，这是因为以太网帧中已经包含了 CRC-32 差错校验域。

Modbus 协议规定，通过注册 502 端口上的TCP 接收所有Modbus/TCP ADU。

2.2Modbus/TCP 组件结构模型

Modbus 协议规范中提供了一个通用的Modbus/TCP 组件结构模型，如图2-12

所示。

图 2-12 Modbus/TCP 组件结构模型

该组件结构模型包括以下几个部分：

（1）用户应用：用户特定应用程序，位于组件结构顶层。

（2）通信应用层：一个 Modbus 设备可以提供一个客户机和/或一个服务器Modbus 接口，并提供 Modbus 客户接口，使用户应用可以生成各类 Modbus 服务请求。

（3）TCP 管理层：负责全面管理报文传输 TCP 连接，并控制未知 IP 地址的访问连接以保证数据安全。TCP 502 端口是为 Modbus/TCP 保留的，每个Modbus 服务器必须在 502 端口提供监听服务，允许建立连接和交换数据，而Modbus 客户机端口必须大于 1024。

（4）TCP/IP 协议栈：底层的 TCP/IP 协议栈主要包括 TCP/IP/ICMP/ARP 等协议及以太网 MAC 子层。

三、Ethernet/IP

EtherNet/IP 是 ODVA 推出的一种开放的工业网络标准，充分利用了现有的商用以太网技术、芯片以及物理介质。与DeviceNet 和ControlNet 一样，EtherNet/IP在应用层也使用 CIP（Common Industrial Protoco1，通用工业协议）协议，具有相同的应用对象库和设备描述。CIP 协议族模型如图 3-1 所示。

图3-1 CIP 协议族模型

Ethernet/IP 将 CIP 附加在标准的 TCP/IP 协议之上。对于面向控制的实时 I/O数据，采用 UDP／IP 协议来传送，其优先级较高。而对于显式信息（如组态、参数设置和诊断等），则采用 TCP／IP 来传送，其优先级较低。

为进一步提高实时性，ODVA 组织将 IEEE 1588 精确时间同步协议用于

Ethernet/IP，制定了 CIP sync 标准。该标准要求每秒钟由主控制器广播一个同步化信号到网络上的各个节点，使所有节点的同步精度准确到微秒级。

四、Ethernet Powerlink

Ethernet POWERLINK（以下有时简称为 EPL）自 2001 年由贝加莱公司推出

以来，存在三个版本，如图 4-1 所示。

图 4-1 EPL 版本

4.1技术特点（贝加莱宣称）

（1）单个网段最多连接 240 个实时站点；

（2）真正的确定性通信；

● 达到 IAONA 实时等级 4 级（最高等级）；

● 快速，100Mbit/s，最小循环周期 200us；

● 网络站点之间精确同步，抖动小于 1us。

（3）标准化；

● 底层技术采用 IEEE802.3u，快速以太网；

● 支持 IP 协议（TCP，UDP…）；

● 集成 CANopen 行规 EN50325-4，实现设备的互操作性；

● 基于标准的以太网芯片，不需要特别的 ASICs。

（4）直接点到点通信；

（5）支持热插拔；

（6）支持多 CPU 解决方案，优化负载，使之大体平衡。

4.2工作原理

首先需要说明的是，Powerlink 存在三个版本，三个版本互不兼容，下面所述的工作原理仅适用于版本 2（现行版本）。

Ethernet Powerlink 参考模型如图 4-3 所示。

（1）物理层/MAC 层

图 4-3 EPL 参考模型

Ethernet POWERLINK 帧在以太网帧的数据域里传输，格式如图 4-4 所示。

图 4-4 EPL 帧格式

数据域位场含义如表 4-1 所示。

表 4-1 EPL 帧说明

为避免冲突、尽量利用带宽，EPL 在时间上重新组织了网络中站间信息交换机制，在 CSMA 基础上引入时间槽管理机制。网络其中一个站点充当管理站管理网络通信，对其他所有站点给定同步节拍，分别分配各站发布权限，各站只能在得到发布权限后才可发布信息。

（2）数据链路层

EPL 数据链路层以标准的以太网 CSMA/CD 技术（IEEE802.3）为基础，但是 CSMA/CD 的工作原理决定了它不能实现通信的确定性，于是 EPL 引入SCNM(Slot Communication Network Management)机制，实现了数据通信的确定性。SCNM 有时也被称为时间槽通信管理机制。

SCNM 给同步数据和异步数据分配时槽，保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，从而彻底杜绝了网络冲突的发生。SCNM 由 EPL 网络中的管理节点 MN（Managing Node）来管理，其他的节点称为控制节点控制节点

（Controlled Node）。

SCNM 规定在一个 EPL 网络中只有一个激活的管理节点，管理节点配置网络中所有可用的节点。只有管理节点可以独立地发送数据，控制节点只有在得到管理节点允许的情况下发送数据。

图 4-5 SCNM 概念

SCNM 协议按照一定的规则预先计划并组织了消息组，一个消息组设为一个EPL  循环（见图 4-6）。在每个循环中可以分为同步阶段和异步阶段，同步阶段每个同步节点占有固定间隔的时槽，由管理节点轮流访问，从而实现通信的确定性。异步阶段发送非实时数据，数据传送由管理节点调度。

EPL 循环可以分为 4 个阶段：开始阶段，同步阶段，异步阶段和空闲阶段。每个阶段的时间由管理节点预先配置，长度可以不同。管理节点随时监控循环时间，以保证预设的时间不发生冲突。一旦冲突发生，管理节点自动延续到下一个循环的开始位置。

图 4-6 EPL 循环

图 4-7 循环时间冲突时管理节点的处理方式

开始阶段：

管理节点广播发送 Start-of-Cyclic（SoC）帧开始通信周期。它的发送接收时间作为所有站点时序的基础。只有 SoC 帧由时间控制，其他帧由事件控制。

同步阶段：

管理节点发送 SoC 帧后开始同步数据交换。管理节点发送指定地址的单向请求帧 PollRequest 给控制节点，目标控制节点广播发送响应帧 PollResponse 给其他所有的节点，允许其他所有的节点监控该帧。PollRequest 和 PollResponse 都可以传输应用数据。管理节点循环访问完同步节点后，管理节点广播发送响应帧 PollResponse。

异步阶段：

管理节点发送 SoA（Start-of-Asynchronous）帧表示异步阶段的开始，SoA 帧用来标记非激活的控制节点，给要发送异步数据的控制节点令牌，以及给控制节点发送异步数据的权限。异步数据的发送由管理节点进行调度，如果控制节点要发送异步数据，它在 PollResponse 帧或 StatusResponse 帧中通知管理节点。管理节点的异步数据调度器会决定在哪个循环可以发送异步帧。这决定了发送请求不会被无限期地拖延，即使在网络负载很高的情况下。

空闲阶段：

空闲阶段是异步阶段结束和下一个循环开始之间的时间间隔，在这个阶段， 所有的网络组件“等待”下一个循环的开始。

“Active”节点的识别

管理节点配置有网络中所有节点的列表。管理节点启动的时候，所有的控制节点被标记为“Inactive”，然后这些控制节点被 IdentRequest 帧（特别的 SoA 帧）周期访问。当控制节点接收到标有自己地址的 IdentRequest 帧时，它在同一个异步周期中返回响应帧 IdentResponse。当管理节点接收到控制节点来的响应帧IdentResponse 时，该控制节点被标记为“Active”。

4.3性能评估

MAC 访问方式为轮询（市场营销中使用时间片/时间槽），类似于 Profibus；配置参数传输使用 TCP/IP，过程控制数据传输使用其它方式；

使用集线器（非交换机），半双工机制；需使用主站板卡，非标准网络控制器； 受限制的总线型拓扑；

图 4-8 所示应用实例中，包括 1 个主站、6 个驱动节点、2 个 I/O 节点，线缆长度 400m，一个网络周期时间为 291μs。作为对比，同样拓扑结构下， SERCOS-II(16Mbps)为 250μs 以下，EtherCAT 为 17μs。

图 4-8 EPL 应用实例

一种基于标准芯片的 Powerlink 节点结构如图 4-9 所示。

图4-9 

最初，Powerlink 宣称“只使用标准的以太网芯片”，但是通过软件实现的协议栈性能并不令人满意。节点需要 32 位 CPU，另外，集线器芯片已经是老式的， 最终还是需要专用集成电路芯片或 FPGA。

这种分散式的接口实现成本较高，性能无法预测，因此 Powerlink 现在转变到FPGA 实现上，类似于PROFInet、SERCOS-III 和EtherCAT。这意味着，Powerlink也在由类型 B 转变到类型 C（类型 B、类型 C 参见第一节中所述）。

4.4应用开发

POWERLINK 的设计概念为灵活的实现，它不使用 ASIC 这样的私有技术， 而采用广泛可获取的芯片来实现，如通过 ARM、ARM+FPGA、FPGA、多协议芯片来实现，根据实现者对于网络的实时性要求而自由选择，并且，在某些应用要求不高的情况下， 采用通用的标准以太网在标准工业 PC 上就可实现POWERLINK 从站，这意味着 POWERLINK 具有非常灵活的实现。

（1）B&R（贝加莱）POWERLINK 从站方案

除了 IXXAT，Hilscher 及 PORT 这些服务提供商，B&R 现在也提供了一个基于 ALTERA 和 XILINX FPGA 芯片的 POWERLINK 从站方案，受益于不断下降的芯片价格和无需 License 的优势，POWERLINK 从站接口在相同性能下其价格相较于基于 ASIC 的工业以太网系统降低了 45%的成本，除了参考设计，B&R 同时也提供在设计阶段的支持，企业级的维护和 POWERLINK 测试系统。由于其高性能和低生产成本，来自 B&R 的 POWERLINK 从站方案也可以用于对成本敏感的产品，例如带有部分电气的紧凑型传感器，高性能的伺服驱动或模块化的I/O 系统。新的参考设计不需要制造商有太多的 POWERLINK 技术经验。

整个包也包括了一个简单的 API，它可以通过 SPI 或 8/16 微处理器接口，允许各种主机处理器（例如 ARM，X86 或 DSP）连接到一个 POWERLINK 网络。简单的传感器则无需外部的处理器并可以直接连接到一个 POWERLINK 从站FPGA，从而降低整体成本。

五、PROFInet

PROFINET 由 PROFIBUS 国际组织（PI）推出，包括三个版本，如图5-1所示。

图5-1

（1）PROFInet CbA

PROFINET 基于工业以太网技术，使用 TCP/IP 和 IT 标准。TCP/IP 是 IT 领域以太网通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在 100 ms 的量级， 不过，这个响应时间对于工厂控制级的应用已经足够。

（2）PROFInet RT

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET 提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通信通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通信栈中的处理时间， PROFINET 实时通信（RT）的典型响应时间是 5－10ms。

（3）PROFInet IRT

在现场级通信中，对通信实时性要求最高的是运动控制（Motion Control）， PROFINET 的同步实时（Isochronous Real-Time, IRT）技术可以满足运动控制的高速通信需求，在 100 个节点下，其响应时间要小于 1ms，抖动误差要小于 1μs， 以此来保证及时的、确定的响应。

图 5-2 

注：图中 IRT 通信周期时间 0.25-1.0ms 是误导性的，许多 IRT 设备不支持

1ms 周期时间。

● PROFInet RT 使用标准以太网控制器加软件解决方案实现“ 软实时”。

● PROFInet IRT 使用专用控制器芯片。

● 时间片处理由专用交换式芯片完成。交换机可集成在设备内部。

拓扑结构：总线型（最多 25 个节点），Branch（分支型？），树型周期时间：250μs-4ms，1μs 抖动误差

时间片结构如图 5-3所示。一个时间片分为两部分：实时通道和 TCP/IP 通道。实时通道包括时钟同步和确定性通信（实时数据传输），TCP/IP 通道传输开放性数据。

尽管规范中规定周期时间最小可达 250μs，大多数西门子的 IRT 主站设备仅支持 500μs 周期时间。

图5-3

根据 PI 组织公开发布文档，Profibμs-IRT 性能如表5-1所示。

表5-1

有趣的是，西门子开发了另一种闭环运动控制网络——基于百兆以太网的Drive-CLiQ，用于连接 Sinamacs 控制器、位置传感器（编码器、转速计等）和终端 HMI 模块。

总的来看，PROFInet RT 并非低价，性能也并不十分优秀，但由于西门子的市场策略（像推销 Profibμs 一样），长期来看会取得成功。目前德国几家主要汽车厂商已经宣布在汽车装配线上应用 PROFInet RT（不包括动力传动领域，即， CNC 和运动控制领域）。PROFInet IRT 地位则比较尴尬，虽然其性能优越，但是芯片价格昂贵，网络实施和配置复杂，关键算法不公开，最终其定位可能在西门子伺服运动控制应用中，很少有第三方厂商支持。另外，西门子最新的运动控制产品在闭环运动控制中使用了 Drive-CLiQ，而不是 PROFInet IRT。

六、SERCOS-III

SERCOS-III 特性如下：

a)将 SERCOS 机制应用在以太网物理层中；

b)100Mbps 网络传输速率；

c)硬件基于同步机制和环型拓扑；

d)集成了非实时通道（例如 TCP/IP）

e)周期和非周期通信；

f)从站间可交叉通信；

g)支持媒介冗余；

h)物理层使用 100BASE-TX 或光纤；

i)硬实时特性需要专用主站板卡；

j)每个网络最多 511 个从节点（v1.1 版本之后）；

k)只支持总线型+环型拓扑。

除最后三项外，SERCOS-III 特性与 EtherCAT 很相像。

SERCOS-III 采用了 EtherCAT 的功能机制：动态处理(on the fly)以太网帧， 又有所区别，如下：

a)SERCOS-III 将输入和输出数据分为两帧，即，一次循环至少有两帧；

b)从站节点两次处理数据：经过时和返回时；

c)刚性构架设计：运行时无法改变，不能处理位运算映像（no bit-wise mapping）；

d)非实时数据（例如 TCP/IP）插入在帧间隙。与 EtherCAT 相比较，这些区别有如下影响：

a) 更低的带宽。从站设备处理两次，因此平均比 EtherCAT 慢 2~3 倍；

七、EtherCAT

EtherCAT 拥有杰出的通信性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而 EtherCAT 则建立了新的技术标准——30µs 内可以更新 1000 个 I/O 数据，物理介质可选择双绞线或光纤，并可利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件（可省去集线器和交换机）。EtherCAT 还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而 EtherCAT 只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC)便可实现。

EtherCAT 拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通信（参见图 18）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法， 使以太网技术可以向下延伸至 I/O 级。EtherCAT 功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。

7.1性能参数

EtherCAT 性能参数如下所示。传输速率：2×100 Mbps (全双工)

拓扑结构：几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。一个网段内

最多支持 65535 个节点。

刷新时间：

● 256 个分布式数字量 I/O：11µs

● 1000 个分布式数字量 I/O（分布于 100 个节点）：30µs

● 200 个模拟量 I/O(16 位)：50µs ，20kHz 采样频率

● 100 个伺服轴(每轴 8 字节输入/输出数据)：100µs

● 一个现场总线主站——网关（1486 字节输入/输出）：150µs性能比较：

● 40 轴(每轴 6 字节输入/输出数据)

● 50I/O 站，总共 560 个 EtherCAT 总线端子

● 2000 数字量+ 200 模拟量 I/O 总线长度 500m

● EtherCAT 性能：周期时间 230µs ，33%总线负载

● 其它总线性能：

● Profinet IRT 763 µs , Powerlink V2 2347µs , Profinet RT 6355 µs

7.2运行原理

图 7-1 性能比较

在多数工业以太网中，每个设备的数据传输使用单个以太网帧，这样其有效数据利用率非常低。例如，最短的以太网帧为 84 字节（包括内部的包间隔 IPG）。如果一个驱动器周期性地发送 4 字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收 4 字节的命令值和控制字信息，那么，即使是总线负荷为 100%（即：无限小的驱动响应时间）时，其可用数据率也只能达到 4/84=4.8%。

EtherCAT 关键技术机制是 Frame Processing on the Fly（高速动态帧处理）。通过该项技术，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。EtherCAT 从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧：嵌入在每个从站中的 FMMU（现场总线存储管理单元）在帧经过该节点时读取相应的编址数据，同时把输入数据插入至报文中，然后将报文传输到下一个设备，如图 x 所示。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主站发出的帧被传输并经过所有从站，直到网段（或分支）的最后一个从站。当最后一个从站设备检测到其开放端口时，便将帧返回给主站。在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通信。

图 7-2 过程数据插入至报文中

由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达

90%以上。100Mb/sTX 的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于

100Mb/s（即大于 2×100Mb/s 的 90%），如图 7-3 所示。

图7-3带宽利用率的比较

EtherCAT 可以在单个以太网帧中最多实现 1486 字节的分布式过程数据通信。其它工业以太网解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而 EtherCAT 系统在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通信，因此，EtherCAT 主站不需要专用的通信处理器，采用标准的以太网 MAC 控制器即可实现。EtherCAT 从站采用专用的EtherCAT 从站控制器（ESC）来高速动态地处理数据。网络的性能并不取决于从站使用的微处理器性能，因为所有的通信都是在从站控制器硬件中完成的。过程数据接口（PDI）为从站应用层提供了一个双口随机存储器（Dual-Port-RAM） 来实现数据交换。

7.3协议

EtherCAT 协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型（0x88A4）。采用这种以太类型即可允许在以太网帧内直接传输控制数据，而无需重新定义标准以太网帧。EtherCAT 帧可包括几个子报文，每个子报文都服务于逻辑过程映像区的一块特定内存区域，该区域最大可达 4GB。数据序列是独立于物理顺序的，所以以太网端子模块的可以任意编址。从站之间的广播，多播和通信也可得以实现。当 EtherCAT 组件与主站控制器运行在同一个子网，或者在控制软件直接读取以太网控制器时，可以使用以太网帧直接传输数据。

然而，EtherCAT 不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP 将 EtherCAT 协议封装为 UDP/IP 数据报文，如图 x 所示。这意味着，任何以太网协议堆栈的控

制均可编址到 EtherCAT 系统之中，甚至通信还可以通过路由器跨接到其它子网中。在这种情况下，系统性能显然取决于控制器的实时性能和以太网协议的实现方式。由于 UDP 数据帧只需要在第一个站点解包，所以 EtherCAT 网络自身的响应时间几乎不受影响。

图 7-4 EtherCAT：符合 IEEE802.3[3]的标准帧

另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT 也非常适合控制器之间（主/从） 的通信。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通信接口也相同。从站到从站的通信则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通信，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关， 因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通信，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通信，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于 EtherCAT 的性能非常卓越， 因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。

7.4分布时钟

精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。

最有效的同步方法是精确排列分布时钟（请参阅 IEEE1588 标准）。与完全同步通信中通信出现故障会立刻影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通信系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。

采用 EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通信采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于 1 微秒的、确定性的同步误差时间基。而跨接工厂等外部同步则可以基于 IEEE1588 标准。

此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地

时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在 EtherCAT 中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通信系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通信测量技术。

7.5设备行规

EtherCAT 协议栈模型如图 x 所示。现场总线技术已经为 I/O 设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT 无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口，如 FoE（EtherCAT 实现文件读取）、EoE

（EtherCAT 实现 Ethernet）、SoE（EtherCAT 实现 SERCOS）、CoE（EtherCAT 实现 CANopen）等。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到 EtherCAT 技术的转换过程。

7.6应用开发

图 7-4EtherCAT 协议栈模型

EtherCAT 主站可以使用现有诸多厂商开发的主站模块，也可以使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的 EtherCAT 主站功能。开发人员只要把这些代码与目标硬件及所使用的 RTOS 加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。RT-Linux, RTX, RTXC, QNX, VxWorks, Windows CE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista/7 with TwinCAT RTE 等。

EtherCAT 从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片，或者使用 FPGA +

EtherCAT IP 核授权的形式。

目前有多家制造商均提供 EtherCAT 从站控制器芯片，如 Beckhoff 公司的

EtherCAT ASIC 芯片ET1100/ET1200，提供了 16/32 数字量 I/O、SPI 和 8/16 位μC（仅 ET1100）接口方式，可以单独使用或与通用微处理器配合使用。EtherCAT ASIC 能够实现简单的数字量模块，而不再需要微控制器或研发自带处理器的智能设备。这两种 ASIC 芯片都带有分布式时钟功能，能够实现 EtherCAT 从站<1 μs 的高精度同步。赫优讯的 netX 系列芯片也可作为 EtherCAT 从站控制器。

Beckhoff 公司的ET1810/ET1815 是用于Altera和Xilinx FPGA 的EtherCAT IP 核，可以在一个 FPGA 上实现 EtherCAT 通信功能和专用功能。EtherCAT 功能可自由配置。可将 IP Core 集成到自己的 FPGA 设计中，并提供 Avalon(Altera) 或 OPB(Xilinx)接口与软核处理器通信。物理接口和内部功能可调，例如 FMMU 和同步管理器数量、PRAM 大小等等。过程数据接口（PDI）和分布式时钟也是可配置的。其中包含的各个功能都与 EtherCAT 规范和 EtherCAT ASIC 芯片

（ET1100，ET1200）兼容。

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