從零開發(fā) EtherCAT 主站一EtherCAT 為什么能成為工業(yè)實時通信的主流文章目錄從零開發(fā) EtherCAT 主站一EtherCAT 為什么能成為工業(yè)實時通信的主流前言一、工業(yè)現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程1.1 第一代串口通信時代1.2 第二代現(xiàn)場總線時代1.3 第三代工業(yè)實時以太網(wǎng)時代二、為什么普通 Ethernet 無法滿足工業(yè)實時控制2.1 普通 Ethernet 的通信方式2.2 普通交換機也會帶來延遲三、EtherCAT 為什么這么快3.1 什么是 On-The-Fly3.2 一個數(shù)據(jù)幀控制整個網(wǎng)絡(luò)3.3 ESC 是 EtherCAT 的核心四、EtherCAT 的實時性到底來自哪里4.1 全雙工 Ethernet4.2 硬件直接完成數(shù)據(jù)交換4.3 Working CounterWKC五、EtherCAT 與 CAN/CAN FD 有什么區(qū)別六、總結(jié)系列文章導(dǎo)航前言隨著工業(yè)自動化不斷向智能制造、高精度運動控制和多軸協(xié)同方向發(fā)展傳統(tǒng)現(xiàn)場總線已經(jīng)逐漸難以滿足越來越高的實時性要求。尤其是在機器人、數(shù)控機床、半導(dǎo)體設(shè)備、新能源裝備等領(lǐng)域一個控制器往往需要同時管理幾十甚至上百個從站設(shè)備并且要求數(shù)據(jù)能夠在毫秒甚至微秒級完成同步。如果你之前開發(fā)過CAN/CAN FD、CANopen、Modbus等通信協(xié)議那么學(xué)習(xí) EtherCAT 會更加容易因為它們都是工業(yè)通信的重要組成部分。但當(dāng)你真正接觸 EtherCAT 后會發(fā)現(xiàn)它的設(shè)計理念與傳統(tǒng)總線有著本質(zhì)區(qū)別。本系列文章將基于SOEMSimple Open EtherCAT Master Qt從零開發(fā)一個完整的 EtherCAT 主站軟件包括EtherCAT 協(xié)議原理SOEM 框架源碼分析PDO 實時通信SDO 參數(shù)讀寫FoE 固件升級Qt 主站軟件開發(fā)完整項目實戰(zhàn)作為系列第一篇我們先回答一個最基礎(chǔ)的問題EtherCAT 為什么能夠成為工業(yè)實時通信領(lǐng)域的主流協(xié)議一、工業(yè)現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程工業(yè)通信的發(fā)展并不是一蹴而就而是隨著工業(yè)自動化需求不斷提升逐漸演進的。1.1 第一代串口通信時代早期工業(yè)設(shè)備主要采用RS232和RS485進行通信。它們具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳輸距離遠等優(yōu)點因此廣泛應(yīng)用于 PLC、儀器儀表以及工業(yè)控制設(shè)備。但隨著設(shè)備數(shù)量不斷增加它們的缺點也越來越明顯通信速率較低擴展能力有限多節(jié)點管理復(fù)雜實時性能不足。因此僅依靠串口通信已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)控制需求。1.2 第二代現(xiàn)場總線時代隨后工業(yè)領(lǐng)域迎來了現(xiàn)場總線的發(fā)展階段。典型協(xié)議包括CANCAN FDCANopenProfibusDeviceNet這一階段最大的特點就是支持多節(jié)點總線通信。例如 CAN 總線通過消息仲裁機制讓多個節(jié)點共享一條總線大大降低了布線成本同時具有較高的可靠性。不過當(dāng)系統(tǒng)開始出現(xiàn)以下需求時傳統(tǒng)現(xiàn)場總線逐漸暴露出性能瓶頸數(shù)十個伺服同時控制上百個 IO 點實時刷新多軸同步控制亞毫秒級通信周期。1.3 第三代工業(yè)實時以太網(wǎng)時代為了兼顧高帶寬與高實時性工業(yè)通信逐漸進入實時以太網(wǎng)時代。典型協(xié)議包括EtherCATPROFINETEtherNet/IPPOWERLINKSERCOS III其中EtherCAT 由于采用了完全不同的數(shù)據(jù)處理方式在運動控制領(lǐng)域逐漸成為主流解決方案。二、為什么普通 Ethernet 無法滿足工業(yè)實時控制很多初學(xué)者都會產(chǎn)生一個疑問EtherCAT 本質(zhì)上也是 Ethernet它為什么還需要設(shè)計一套新的協(xié)議答案其實很簡單普通 Ethernet 并不是為實時控制而設(shè)計的。2.1 普通 Ethernet 的通信方式假設(shè)主站需要向多個從站發(fā)送控制命令。傳統(tǒng) Ethernet 的通信流程通常如下Master │ ├── Frame → Slave1 ├── Frame → Slave2 ├── Frame → Slave3 ├── ... └── Frame → SlaveN每一個設(shè)備都需要單獨發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀。隨著從站數(shù)量不斷增加Frame 數(shù)量越來越多CPU 處理負擔(dān)越來越大網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷被占用通信周期越來越長。因此很難滿足高實時控制需求。2.2 普通交換機也會帶來延遲普通 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)中的交換機需要經(jīng)歷接收完整數(shù)據(jù)幀解析 MAC 地址查找轉(zhuǎn)發(fā)表再重新發(fā)送。整個過程都會引入一定延遲。對于普通辦公網(wǎng)絡(luò)來說這點延遲幾乎可以忽略。但對于250μs、125μs 甚至更短周期的運動控制系統(tǒng)來說這種延遲已經(jīng)無法接受。三、EtherCAT 為什么這么快EtherCAT 最大的創(chuàng)新就在于一句話數(shù)據(jù)幀經(jīng)過從站時從站即可完成數(shù)據(jù)讀寫而無需等待整個數(shù)據(jù)幀接收完成。這就是著名的On-The-Fly邊經(jīng)過邊處理技術(shù)。3.1 什么是 On-The-Fly傳統(tǒng) Ethernet接收完整數(shù)據(jù)幀 ↓ CPU 解析數(shù)據(jù) ↓ 重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀EtherCAT數(shù)據(jù)幀進入 ESC ↓ 讀取屬于自己的數(shù)據(jù) ↓ 寫入返回數(shù)據(jù) ↓ 立即繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)整個過程由EtherCAT Slave ControllerESC在硬件層完成。CPU 幾乎無需參與實時數(shù)據(jù)交換。這也是 EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)極低通信延遲的重要原因。3.2 一個數(shù)據(jù)幀控制整個網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng) EthernetMaster ├── Frame1 → Slave1 ├── Frame2 → Slave2 ├── Frame3 → Slave3 └── ...EtherCATMaster │ ▼ 一個 EtherCAT Frame │ ▼ Slave1 │ ▼ Slave2 │ ▼ Slave3 │ ... │ ▼ 返回 Master整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換通常只需要一個 EtherCAT Frame。相比傳統(tǒng) Ethernet大大減少了通信開銷。3.3 ESC 是 EtherCAT 的核心EtherCAT 從站內(nèi)部都會集成一個ESCEtherCAT Slave Controller。ESC 的主要職責(zé)包括識別屬于自己的數(shù)據(jù)修改返回數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀管理 Mailbox管理同步管理器SyncManager管理 FMMU 映射。可以說ESC 才是真正實現(xiàn) EtherCAT 高實時性的核心硬件。四、EtherCAT 的實時性到底來自哪里很多資料都會說EtherCAT 實時性高。但真正的原因其實來自多個方面。4.1 全雙工 EthernetEtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn) 100 Mbps 全雙工以太網(wǎng)。相比傳統(tǒng)總線帶寬更高不需要總線仲裁不存在節(jié)點競爭發(fā)送的問題。4.2 硬件直接完成數(shù)據(jù)交換傳統(tǒng)通信PHY ↓ MAC ↓ CPU ↓ 協(xié)議棧 ↓ 應(yīng)用程序EtherCATPHY ↓ ESC ↓ DPRAM實時數(shù)據(jù)無需經(jīng)過復(fù)雜的軟件協(xié)議棧因此能夠獲得更低延遲。4.3 Working CounterWKCEtherCAT 數(shù)據(jù)報中包含Working CounterWKC。每經(jīng)過一個成功處理數(shù)據(jù)報的從站W(wǎng)KC 都會增加。最終主站只需要檢查 WKC 是否符合預(yù)期就能夠快速判斷是否所有從站都正常工作是否存在掉線設(shè)備是否發(fā)生通信異常。這一機制相比逐個查詢設(shè)備狀態(tài)更加高效。后續(xù)我們會專門用一篇文章詳細介紹 WKC 的工作原理。五、EtherCAT 與 CAN/CAN FD 有什么區(qū)別很多嵌入式開發(fā)工程師都是從 CAN 開始接觸工業(yè)通信因此這里做一個簡單對比。對比項目CAN/CAN FDEtherCAT通信介質(zhì)CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)最大速率CAN 1 MbpsCAN FD 數(shù)據(jù)段最高可達數(shù) Mbps100 Mbps 全雙工通信方式廣播 仲裁主站統(tǒng)一調(diào)度數(shù)據(jù)交換多幀通信單幀遍歷所有從站多軸同步能力一般非常優(yōu)秀典型應(yīng)用汽車電子、分布式控制工業(yè)自動化、機器人、運動控制需要注意的是兩者并不是競爭關(guān)系而是面向不同應(yīng)用場景CAN/CAN FD更適合成本敏感、節(jié)點較少的控制系統(tǒng)。EtherCAT更適合高實時、高同步、高性能的工業(yè)自動化設(shè)備。六、總結(jié)通過本文我們了解了 EtherCAT 成為工業(yè)實時通信主流的原因可以總結(jié)為以下幾點工業(yè)自動化的發(fā)展推動了工業(yè)實時以太網(wǎng)的普及。EtherCAT 采用 On-The-Fly 技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀邊經(jīng)過邊處理。ESC 硬件負責(zé)實時數(shù)據(jù)交換大幅降低 CPU 負擔(dān)。一個 EtherCAT Frame 即可完成整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換提高了通信效率。Working CounterWKC進一步保證了通信可靠性。當(dāng)然這只是認識 EtherCAT 的第一步。很多讀者可能還會產(chǎn)生新的疑問EtherCAT 數(shù)據(jù)幀到底長什么樣一個 Frame 中包含哪些內(nèi)容什么是 Datagram主站又是如何知道每個從站的數(shù)據(jù)位置這些問題我們將在下一篇文章中繼續(xù)深入分析。系列文章導(dǎo)航章節(jié)標(biāo)題狀態(tài)第一篇EtherCAT 為什么能成為工業(yè)實時通信的主流?第二篇EtherCAT 通信原理詳解數(shù)據(jù)為什么能邊經(jīng)過邊處理待更新第三篇EtherCAT 狀態(tài)機ESM完整解析待更新第四篇PDO、Mailbox、CoE、FoE 到底是什么待更新如果本文對你有所幫助歡迎點贊、收藏并關(guān)注本專欄。后續(xù)將繼續(xù)更新《從零開發(fā) EtherCAT 主站》系列結(jié)合真實項目從協(xié)議原理到 SOEM 源碼再到 Qt 主站開發(fā)一步步完成一個功能完整的 EtherCAT Master。