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【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站 - 知乎
【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站 - 知乎首发于EtherCAT切换模式写文章登录/注册【EtherCAT】4.实现一个成熟的从站小皎皎一只可爱的小皎皎学习EtherCAT最好从从站开始,因为从站包含了EtherCAT大量原理,例如状态机,PDO映射等。学习从站代码有利于理解过程数据如何传输,XML有什么作用。本文介绍一些从站的基础知识,以及如何设计一个功能完善的从站。从站硬件无论是以ASIC还是FPGA的形式,ESC都是从站的核心,主站通过读写ESC的DPRAM空间实现数据传输。ESC通过PDI接口将数据发送到MCU,在MCU中执行实际的应用层操作。ESC根据倍福公司的IP core设计,目前主流的ESC芯片包括: ASIX公司的AX58100芯片;BeckHoff自己的ET1100芯片;Microchip的LAN9252芯片;FPGA:ET1810(altera)和ET181(xilinx);由于都是基于BeckHoff的IP core设计的,因此这几个芯片在实际功能上差距并不大,区别在于DPRAM的大小,SM的数量,FMMU的数量,PDI的方式等。芯片网口FMMUSMRAM(kBYTE)数字IOSPI slaveLocal BUSAX581002内部PHY,1MII88932Y8/16 asyncLan92522内部PHY,1MII34432Y8/16 sync/asyncET11004EBUS/MII88816Y8/16 sync/async关于芯片的详细参数,可以访问ESC具有各类AL寄存器供主站访问,但实际不执行具体的应用层操作,从站应用层的管理由专门的MCU进行。stm32有强大的性能和完善的生态,因而是应用层使用最为广泛的芯片,也可以采用其他的硬件例如Arduino或者ESP32实现应用层逻辑,但是要支持对应ESC的相关PDI接口。一般来说,从站硬件系统如下图所示:从站最小系统从站软件从站帧的链路层功能都是由ESC完成的。从站软件运行在MCU中,主要执行的是应用层的操作。MCU通过PDI接口读取ESC中的PDO和SDO数据,然后执行应用层的处理,例如状态机,COE,EOE等相关逻辑。MCU需要一套协议栈执行相关的逻辑,目前使用最多的从站协议栈是EtherCAT技术组(EtherCAT Technology Group,ETG)为会员提供的Slave Stack Code(SSC),SSC支持几乎所有应用层协议栈(EOE,COE,FOE)等,同时还提供了对专有协议Cia402等的支持。除此之外,SSC还提供了专门的工具来配置协议栈和PDO。SSC的缺点是,它是针对BeckHoff自己的PIC和ET1100芯片写的,如果使用stm32或者其他通用处理器,需要手工移植代码。ssc的代码框架除了SSC之外,另一个比较有名的EtherCAT开源协议栈是SOES(GitHub - OpenEtherCATsociety/SOES: Simple Open Source EtherCAT Slave),SOES支持EOE和COE这两种较为常用的应用层协议,同时支持静态和动态的PDO映射。SOES的代码相较于SSC精简很多,代码可移植性较好。商用从站协议栈中,比较具有代表性的是KPA协议栈(https://koenig-pa.de/products/ethercat/kpa-ethercat-slave-stack)。作为商用协议栈,KPA协议栈几乎支持所有的EtherCAT特性,包括: 邮箱协议:COE,EOE,FOE,SOE,VOE 分布时钟DC;不同的扫描速率;从可移植性的角度,KPA协议栈实现了一个硬件抽象层,支持不同ESC和主控芯片的数据交互。下图是KPA协议栈的程序结构,从图中可以看出,数据从DPI传输到MCU后,首先通过的是硬件抽象层,主循环轮询AL事件来获取过程数据和邮箱数据的更新,然后基于对象字典更新PDO和SDO。从站功能操作系统层对于实时性和同步要求极高的场合,一般一个系统运行一个从站任务就好了,例如电机驱动从站,此时不建议使用操作系统,直接进行SSC协议栈移植即可。但是实时要求不强的场合,每个任务/接口使用一个从站是很浪费的,毕竟ESC还是有点小贵的,对于任务很多的从站,还是有必要上嵌入式实时系统。下面介绍一下嵌入式操作系统的作用。操作系统层的主要作用是合理对从站任务进行调度。作为现场总线的一部分,一个EtherCAT从站一般至少包含两个任务,一个从主站获取EtherCAT数据,另一个与控制设备(比如电机或CAN总线)交互。在多任务环境下,为了确保EtherCAT通信的实时性、增强任务调度的合理性、有效利用系统资源,从站应当基于实时操作系统进行开发。相较于Linux等操作系统,嵌入式操作系统具有如下特点:小型系统:由于嵌入式设备功能明确,操作系统往往与应用程序编译在一起运行。实时性:嵌入式操作系统往往是实时操作系统。很多嵌入式设备对处理的实时性有严格要求,这种实时性是通过操作系统层面的任务调度机制、任务优先级的设定和应用程序的快速处理来达到的。可移植性:由于嵌入式设备的应用场景多样,复杂程度千差万别,应用程序的大小各不相同,移植的需求是频繁发生的。ucos,vxworks,FreeRTOS和RT-thread是较具代表性的实时操作系统。这里以RT-thread为例介绍嵌入式实时系统的组成,RT-thread不仅是一个实时操作系统,也是一个完善的嵌入式软件生态。它的底层是RT-thread内核,基于内核还提供了网络框架,设备框架,以及各类API。最后在应用层还提供了各类具体应用。RT-thread架构线程管理 RT-thread内核是一个RT-thread程序的核心,RT-thread内核是一个基于优先级的全抢占式多线程调度系统,在该实时系统中,线程是最小的调度单位,系统中除了中断处理函数、调度器上锁部分的代码和禁止中断的代码是不可抢占的之外,系统的其他部分都是可以抢占的,包括线程调度器自身。RT-thread的线程调度关系如下。在RT-thread 中,实际上线程并不存在运行状态,就绪状态和运行状态是等同的。RT-thread线程RT-thread最多支持256个线程优先级,0优先级代表最高优先级,最低优先级留给空闲线程使用。同时它也支持创建多个具有相同优先级的线程,相同优先级的线程间采用时间片轮转调度算法进行调度,使每个线程运行相应时间。线程间通信 RT-thread支持线程间的同步和通信。采用信号量、互斥量与事件集实现线程间同步,线程通过对信号量、互斥量的获取与释放进行同步。支持邮箱和消息队列等通信机制。邮箱和消息队列的发送动作可安全用于中断服务例程中。通信机制支持线程按优先级等待或按先进先出方式获取。时钟管理 任何操作系统都需要提供一个时钟节拍,以供系统处理所有和时间有关的事件,如线程的延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等。时钟节拍是特定的周期性中断,中断之间的时间间隔取决于不同的应用,时钟节拍率越快,系统的额外开销就越大,从系统启动开始计数的时钟节拍数称为系统时间。RT-Thread 的时钟管理以时钟节拍为基础,时钟节拍是 RT-Thread 操作系统中最小的时钟单位。RT-Thread 的定时器提供两类定时器机制: 单次触发定时器:这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件,然后定时器自动停止。 周期触发定时器:这类定时器会周期性的触发定时器事件,直到用户手动的停止定时器否则将永远持续执行下去。通常使用定时器定时 回调函数(即超时函数),完成定时服务。用户根据自己对定时处理的实时性要求选择合适类型的定时器。内存管理 内存是系统的重要资源,特别是对于资源紧张的嵌入式设备来说。RT-Thread将内存分为动态内存堆和静态内存池,对于动态内存的申请,RT-Thread提供小内存分配算法,slab算法和memheap算法。为了避免内存碎片,提高分配效率,RT-Thread还在.data段提供一个静态的内存池。设备管理 和Linux驱动框架类似,RT-Thread也通过I/O设备模型框架对外设进行管理。I/O 设备管理层实现了对设备驱动程序的封装。应用程序通过 I/O 设备管理接口获得正确的设备驱动,然后通过这个设备驱动与底层 I/O 硬件设备进行数据交互。设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在,双方只需关注各自的功能实现,从而降低了代码的耦合性、复杂性,提高了系统的可靠性。硬件抽象层硬件抽象层的主要作用是提升程序的可移植性。与ESC的数据交互,是EtherCAT从站MCU最为重要的功能。MCU通过PDI访问ESC的内存空间,读取寄存器和过程数据,因此,有必要对ESC的数据访问进行封装,封装的目的是保证在MCU应用层能够通过通用的接口实现对不同类型从站ESC,不同接口PDI的访问。关于硬件抽象层的封装,SOES实现了所有硬件访问相关函数:应用层协议EtherCAT从站的目标是能够支持各类应用层协议,这其中最主要的是COE协议和基于COE的各类行规。此外还需要支持FOE,EOE,SOE等协议。COE:CANopen over EtherCAT,EtherCAT协议在应用层支持CANopen协议,并作了相应的扩充,CoE协议完全遵从CANopen协议。COE协议十分核心且复杂,在此不作过多介绍。EOE:EtherNet over EtherCAT,该协议支持EtherCAT能分段传递标准的以太网数据报文,使得EtherCAT协议同样能支持TCP/IP、UDP/IP协议。SOE:Servo Drive over EtherCAT。SERCOS是世界首个应用于伺服控制的协议。EtherCAT协议在应用层接口上兼容了这个协议,简称为SOE。SERCOS应用层协议为主站设计了信息接口,可以通过配置EtherCAT过程数据报文,实现周期性传递伺服驱动器的数据。FOE:File Access over EtherCAT。该协议可以使用EtherCAT总线上传、下载固件,刷新从站的固件。并且可以通过命令行工具加载或存储文件。结合实际需求,COE和基于COE的行规协议CiA402等是必须实现的,FOE、EOE作为程序的扩展功能有必要实现,而SOE不是常用需求。动态PDO映射静态PDO映射是将PDO变量“写死”在从站中,对于实际应用场景是十分不友好的,例如某个机型的电机需要实时传输电机温度,但在另一个机型中不需要温度信息,如果使用静态PDO映射,为了提升传输效率,删除温度PDO,则需要修改代码,烧写固件,更新XML文件。这样会带来巨大的工作量。特别是基于CiA402的驱动器来说,经常要根据上位机软件的需求修改传输变量。动态PDO映射允许定制PDO以满足客户需求,TwinCAT和KPA studio等上位机软件都支持以勾选的形式动态配置PDO。为了使得上位机能够修改PDO assign,需要在xml中配置mandatory为false(SSC在EXCEL)中可以配置。动态PDO映射的基本原理是操作对象字典的0x1C12和0x1C13对象,这两个对象分别管理输出和输入的PDO映射。过程如下:将Ethercat状态机切换到PreOP状态,此状态可以用SDO来配置PDO映射;清除PDO指定对象的PDO映射对象,即设置0x1C12-00,与0x1C13-00为0;PDO映射对象无效,即对0x1600-0x1603/0x1A00-0x1A01的子索引设置为0;重新配置PDO映射内容;0x1600-01开始的是RxPDO内容,0x1A00-01开始的是TxPDO;设置PDO映射对象总数;写有效的PDO映射对象索引到PDO指定对象设置PDO指定对象的总个数,即将映射对象个数写入到1C12-00h和1C13-00h转换Ethercat状态机到安全操作以上,配置的PDO映射将有效。分布时钟EtherCAT各个从站得到帧后会进行处理或者转发,这需要一定的微小时间。但当需要经手的从站多,或者数据量大的时候,积少成多会导致较大的延迟,并且电缆线内信号传输也占有一定的延时时间。分步时钟可以使所有的EtherCAT设备使用相同的系统时间,从而控制各设备的任务的同步执行,支持分布式时钟的从站称为DC从站。为使各个从站的参考时钟达到绝对同步,主站会计算各个从站的偏移时间,这个值会写入对应从站的系统时间偏移寄存器。在从站端,分布时钟由ESC芯片实现,ESC为从站控制微处理器提供同步的中断信号和时钟信息,分布时钟单元可以产生两个同步信号SYNC0和SYNC1,用于给应用层提供中断或直接触发的输出数据更新。MCU可以通过ESC的中断信息和时间漂移寄存器的值更新本地系统时钟。分布时钟是从站的重要功能,SSC和SOES都实现了分布时钟,可以参考这两者的设计实现该功能。SDK目前从站代码开发主要有两种方式: 基于现有的代码进行移植:目前对于成熟的ESC(ET1100、LAN9252、AX58100)都有比较成熟的解决方案。但移植仍然要求对代码较为熟悉,如果添加新功能较为困难,综合来看较为麻烦;基于从站软件生成:SSC,SOES和KPA都提供了对应的从站代码生成器,但是SSC是针对自己的的PIC32芯片的,仍然需要手动移植代码;SOES和KPA的从站软件都属于商用软件需要较高的授权费;因此通过一个SDK简化从站开发流程是有必要的,参考SOES的slave editor,SDK所需的功能如下:从站基本信息:允许通过界面添加XML的必要信息,例如vendor ID,product ID等;数据链路层配置,允许通过界面配置FMMU,SM同步管理器和邮箱;PDI的配置:允许通过界面配置PDI相关寄存器;PDO的配置:这是从站软件的核心,允许通过界面直接添加和管理PDO,由于PDO是从站最重要的功能,此功能将极大简化从站开发过程;代码生成和XML的生成。SOES的上位机软件从站性能从站响应时间从站响应时间是从站的性能指标,指从发送一帧数据,经过每个从站ESC的处理,到主站接收到这帧数据的时间。从站响应时间主要由硬件和网络结构,数据传输量决定,具体地:带宽:传输延时和带宽有关系,对于单个bit,从发送到确认,不考虑线路损耗的时间是(1/BandWidth)。假设EtherCAT网络的带宽是100Mbit/s,则每字节的传输延时是(1/100M)*8 = 80us;主站硬件延时:主站硬件同样存在延时,一般在几us左右;主站软件延时:主站软件一般会带来几微秒的延时,取决于主站的性能;从设备数量:每个MII/PHY接口的ESC会带来1us的延时,而EBUS接口的则只有0.3us;KPA studio的数据界面,在运行状态下可以查看从站响应时间。编辑于 2023-08-29 15:47・IP 属地浙江EtherCAT 总线驱动器赞同 2011 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录EtherCAT介绍工业以太网总线EtherCAT技
[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案-CSDN博客
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[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案
文火冰糖的硅基工坊
于 2023-07-10 23:33:46 发布
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第1章 EtherCAT通信原理
1.1 网络架构
1.2 分层模型
2.1 物理层
1.2 数据链路层
1.2.1 EtherCAT数据帧结构
1.2.2 EtherCAT报文寻址
第2章 EtherCAT从站
2.1 概述
2.2 EtherCAT从站的组成包括:
2.3 EtherCAT从站的硬件
2.4 从站控制信息芯片(PHY层/MAC层)
2.5 EtherCAT从站的软件
2.6 常见的EtherCAT从站解决方案
2.7 常见的EtherCAT从站开发板:
2.8 常见的额EtherCAT从站模块:
参考:
第1章 EtherCAT通信原理
1.1 网络架构
EtherCAT网络运行原理如图2-1所示。
以太网设备之间接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧,这些从站可以直接处理接收到的子报文,并对这些报文进行相应的加工,例如提取某些数据或插入需要的用户数据,之后将加工之后的报文传输给下一个EtherCAT从站。
最后一个EtherCAT从站的功能则是发回经过完全处理的报文,并由第一个从站作为相应报文将其发送给控制单元。
每个从站的数据并非使用各自独立的以太网帧,而是把每个从站的以太网帧合并在一起。
这是因为etherCat网络采用的是中央调度机制,而不是独立竞争机制。
(1)下行:主站可以通过一个以太网帧,同时控制多个从站设备,提升了系统的实时性。
(2)上行:主站通过通过一个以太网帧,同时获取多个从站设备发来的数据,提升了系统的实时性。
1.2 分层模型
EtherCAT参考模型如图2-2所示:
EtherCAT网络具有物理层(PHL)、数据链路层(DLL)和应用层(APL)。
2.1 物理层
EtherCAT物理层是EtherCAT参考模型中的最底层,它为网络信号的传输提供了物理接口,同时接收来自数据链路层的数据单元,并对它们进行相应的解码。
根据系统需求,可以选择是否加入通信帧数据,之后再将处理的物理信号发送给其他节点的传输介质,然后在之后的节点上接收信号并进行解码。
要想实现设备之间的数据交换,在物理层的下面就必须有连接设备的实际传输介质。
EtherCAT物理层连接原理如图2-3所示。
其中,
RJ45是一种标准的网络物理接口;
隔离变压器用来隔离信号以保证通信的可靠性;
物理层芯片PHY则用来实现数据编译、译码和收发;
在物理层芯片PHY和以太网通信控制芯片ESC之间是通过一个MII(Media Independent Interface)接口来交换数据。
ESC芯片是实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成电路芯片,它处理EtherCAT数据帧,并为从站控制装置提供数据接口。
1.2 数据链路层
数据链路层处于ISO/OSI参考模型中的第二层,为物理层把数据帧转化为原始位,并负责将来自高层的数据打包成帧以及流量控制、纠错和帧的重发。
媒体访问控制(MAC)地址、网桥和网络接口卡(NIC)即工作在这一层。
数据链路层最基本的功能就是通过该层的协议使相邻两个节点之间进行可靠的数据传输。
1.2.1 EtherCAT数据帧结构
EtherCAT的数据帧结构采用符合标准的IEEE802.3的以太网标准帧,EtherCAT协议用于过程数据的优化协议,采用的数据帧类型为0x88A4。
如图2-4所示,EtherCAT数据帧的数据内容包括:
数据头(2Byte)、数据(44~1498Byte)。
EtherCAT帧可包括一个或者多个EtherCAT子报文,每个报文都服务于一块逻辑过程影像区的特定内存区域(可达4GB)。
每个EtherCAT子报文都以一个2Byte的WKC结束,WKC的功能是记录子报文被从站操作的次数,主站为每个通信服务子报文设置预期的WKC,通过与返回的WKC实际值进行比较来判断子报文是否被正确处理。
一个以太网帧可以包含多个子报文,每个子报文为一个从站服务,拥有报文所属从站的地址编号。
1.2.2 EtherCAT报文寻址
EtherCAT通信由主站发送EtherCAT数据帧读写从站设备的内部存储区来实现,EtherCAT报文使用多段寻址方式操作ESC内部存储区,实现多种通信服务。
1) 网络寻址
EtherCAT网络寻址方式如图2-5所示,一个EtherCAT网段相当于一个以太网设备,主站首先使用以太网数据帧头的MAC地址寻址到网段,然后使用EtherCAT子报文头中的32位地址寻址到段内设备,段内寻址可以使用两种方式:设备寻址和逻辑寻址。
第2章 EtherCAT从站
2.1 概述
在EtherCAT(以太CAT)网络中,从站(Slave)是指通过EtherCAT总线连接到主站(Master)的外部设备或模块。
从站通常是实时控制系统中的执行器(写)、传感器(读)、驱动器(写)等外部设备。
从站在EtherCAT网络中起到了连接外部设备和主站之间的桥梁作用。它们接收主站发送的命令和控制信息,根据指令执行相应的操作,并将执行结果和实时数据通过EtherCAT总线返回给主站。
每个从站在EtherCAT网络中都有一个唯一的站地址(Station Address),用于区分不同的从站设备。主站可以通过发送同步和数据帧来轮询所有从站,以获取实时数据或向从站发送控制指令。
从站在EtherCAT网络中的工作方式具有以下特点:
实时性:EtherCAT网络是一种实时网络,从站通过接收实时的同步和数据帧来保持和主站的通信。这使得从站能够以非常低的延迟和高的精确性响应主站的命令。 链式拓扑结构:EtherCAT网络采用了链式拓扑结构,从站之间通过EtherCAT总线按顺序连接。主站通过发送帧的方式从第一个从站开始,逐个传递到最后一个从站。 灵活性:从站可以是不同类型的外部设备或模块,例如执行器、传感器、驱动器等。从站可以根据应用需求进行配置和定制,以满足不同的实时控制任务。
总的来说,EtherCAT的从站扮演着实时控制系统中与外部设备交互的角色,它们通过EtherCAT总线与主站进行数据交换和通信,以实现高性能的实时控制和数据传输。
主站与从站的关系,类似无线通信基站与手机的关系。
2.2 EtherCAT从站的组成包括:
从站控制器(Slave Controller):从站控制器是从站的核心组件,负责从站的通信和协议处理。它与EtherCAT总线进行物理连接,并通过处理和解析主站发送的帧来发送和接收数据。 物理通信接口和连接器(Communication Interface and Connector):从站通常具备适配EtherCAT网络的通信接口和连接器,以便连接到EtherCAT总线,并与主站进行通信。通常使用以太网接口(例如RJ45接口)或M8/M12连接器等。 存储器(Memory):从站通常具有自己的存储器,用于存储从站配置参数、状态信息、应用数据等。存储器在一些从站设备中可以作为数据缓存区,用于输入和输出数据的临时存储。 输入/输出接口(I/O Interface):从站需要与外部设备或模块进行数据交换,因此具备输入/输出接口。输入接口用于接收主站发送的命令和控制信息,输出接口用于发送实时数据和执行结果。 实时时钟(Real-Time Clock):一些从站需要具备实时时钟,以便在需要时间同步或时间戳等应用场景时提供准确的时间基准。 外部设备/模块(External Devices/Modules):从站还包括与其连接的外部设备或模块,例如执行器(如电机驱动器)、传感器、开关等。这些外部设备/模块通过从站与主站进行数据交换和控制。
总体而言,从站由从站控制器、存储器、输入/输出接口、实时时钟、通信接口和连接器等组成,并与外部设备或模块互联,以满足实时控制系统的数据交换和控制需求。每个从站的具体组成和功能可以根据应用需求和设备类型的不同而有所差异。
2.3 EtherCAT从站的硬件
在EtherCAT网络中,从站的硬件通常由以下几个部分组成:
从站控制器芯片(Slave Controller Chip):从站控制器芯片是连接从站设备到EtherCAT总线的关键组件。它负责处理EtherCAT协议、数据的发送和接收,并与其他硬件组件进行通信。常见的从站控制器芯片包括Beckhoff的EtherCAT Slave Controller、Wiznet的W5500等。 物理通信接口和连接器(Communication Interface and Connector):从站需要通过适配EtherCAT网络的通信接口和连接器与总线进行物理连接。通常使用以太网接口(例如RJ45接口)或M8/M12连接器等。 存储器(Memory):从站通常具有自己的存储器,用于存储从站配置参数、状态信息、应用程序代码和数据等。存储器可以是片上内存(SRAM、Flash等)或外部存储芯片。 输入/输出接口(I/O Interface):从站可能需要进行输入和输出数据的交换,因此具备输入/输出接口。输入接口用于接收主站发送的命令和控制信息,输出接口用于发送实时数据和执行结果。 外部设备/模块(External Devices/Modules):从站的硬件配置还包括与其连接的外部设备或模块,例如执行器(如电机驱动器)、传感器、开关等。这些外部设备/模块通过从站与主站进行数据交换和控制。 供电模块(Power Supply):EtherCAT从站需要供电才能正常工作,供电模块提供所需的电力。供电可以通过外部电源适配器或总线供电方式实现。
需要注意的是,具体的从站硬件配置因应用需求和设备类型而有所差异。不同厂商的从站设备可能具有不同的硬件设计和组成。因此,在实际使用中,根据具体的应用需求和厂商提供的规格,选择适当的从站硬件设备进行使用。
2.4 从站控制信息芯片(PHY层/MAC层)
从站控制器芯片是连接从站设备到EtherCAT总线的关键组件,它负责处理EtherCAT协议、数据的发送和接收,并与其他硬件组件进行通信。以下是一些常见的从站控制器芯片:
Beckhoff EtherCAT Slave Controller:Beckhoff是EtherCAT技术的主要推动者之一,他们提供了多种型号的EtherCAT从站控制器芯片,如EK1100、EK1110等。这些芯片具有高性能和可靠性,并支持多种EtherCAT协议功能。 Wiznet W5500:Wiznet的W5500是一款基于SPI接口的Ethernet控制器芯片,它可以作为从站控制器芯片用于EtherCAT网络。该芯片集成了以太网物理层收发器,提供了高质量的以太网通信性能。 Renesas R-IN32M3系列:Renesas的R-IN32M3系列是专为EtherCAT应用设计的高性能MCU,内置了EtherCAT从站控制器。这些芯片具有强大的处理能力和多种外设接口,适用于复杂的实时控制应用。 TI Sitara系列:德州仪器(TI)的Sitara系列是一组基于ARM架构的处理器,其中一些型号具有集成的EtherCAT从站控制器。这些芯片具有强大的计算能力和丰富的通信接口选项,适用于高性能和高集成度的应用。 Hilscher netX系列:Hilscher的netX系列芯片是专为工业以太网通信应用设计的,包括EtherCAT从站控制器功能。这些芯片具有低功耗、高性能和丰富的外设接口,适用于工业自动化和控制系统。
这只是一些常见的从站控制器芯片示例,市场上还存在其他厂商提供的从站控制器芯片。在选择从站控制器芯片时,需要根据具体的应用需求、性能要求和供应商支持等因素进行评估和选择。
2.5 EtherCAT从站的软件
EtherCAT从站的软件通常由以下几个部分组成:
EtherCAT从站驱动程序:EtherCAT从站驱动程序是在从站控制器芯片上运行的软件代码,负责实现EtherCAT协议的解析、数据的发送和接收等功能。这些驱动程序通常由芯片厂商提供,供用户集成到自己的从站设备中。 从站配置工具:从站配置工具用于配置从站的参数、通信设置和功能等。它提供用户界面,使用户能够方便地设置从站的各种属性和功能。从站配置工具通常由从站控制器芯片的厂商提供。 EtherCAT协议栈:EtherCAT协议栈是一种实现EtherCAT通信协议的软件库。它提供了一系列API和函数,使开发人员能够更方便地开发和集成EtherCAT通信功能。常见的EtherCAT协议栈有Beckhoff的TwinCAT、SOES(Simple Open EtherCAT Slave)等。 应用程序代码:从站的应用程序代码是根据具体应用需求开发的,它们负责从站设备的特定功能和逻辑。应用程序代码可以包括数据处理、控制算法、状态机等,以满足设备的实际应用需求。 通信驱动程序:通信驱动程序是用于与主站进行通信的软件模块。它负责解析主站发送的命令和数据,执行相应的操作,并将结果返回给主站。通信驱动程序通常与从站控制器芯片的驱动程序密切相关,以确保数据的正确传输和处理。
从站软件的具体实现和选择取决于设备厂商和应用需求。开发人员可以根据具体情况,选择合适的从站控制器芯片、EtherCAT协议栈和应用程序开发工具,以开发出高性能、稳定可靠的EtherCAT从站设备。
2.6 常见的EtherCAT从站解决方案
Beckhoff EtherCAT从站模块:Beckhoff提供了一系列 EtherCAT从站模块,如ELxxxx 系列,其中包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、电机驱动模块等。这些模块具有高集成度、高性能和可靠性,可用于各种工业自动化应用。 Hilscher EtherCAT从站模块:Hilscher提供了一系列 EtherCAT从站模块,如CIF系列,其中包括不同类型的输入/输出模块、驱动器模块、测量模块等。这些模块具有灵活的配置选项和高度可定制性,适用于各种工业场景。 Kollmorgen AKD EtherCAT驱动器:Kollmorgen的AKD EtherCAT驱动器系列集成了EtherCAT从站功能,可用于控制和驱动各种类型的电机。这些驱动器具有高性能、高精度和可靠性,适用于精密运动控制应用。 WAGO I/O-System EtherCAT模块:WAGO提供了一系列 EtherCAT从站模块,包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、驱动器接口模块等。这些模块可灵活扩展并与其他WAGO I/O模块集成,用于各种自动化和控制应用。 智能型 EtherCAT 从站控制器:一些公司提供了基于 ARM Cortex-M 系列处理器或专用 SoC 开发的智能型 EtherCAT 从站控制器模块。这些模块具有强大的处理能力和丰富的通信接口,可用于实现复杂的控制和通信功能。
这些是常见的EtherCAT从站解决方案示例。在选择适合的解决方案时,需要考虑应用需求、性能要求、可靠性和供应商支持等因素,并与供应商进行深入的技术评估和咨询,以确保选择的解决方案能够满足特定的应用需求。
2.7 常见的EtherCAT从站开发板:
Beckhoff EtherCAT开发板: Beckhoff提供了多个EtherCAT从站开发板,如EL9840和EL987x系列。这些开发板具有以太网接口和集成的EtherCAT从站控制器,可用于快速原型设计和开发。 Hilscher EtherCAT开发板: Hilscher提供了EtherCAT开发板,如EvalCNC和EvalCon。这些开发板基于Hilscher的EtherCAT从站模块,配备了通信接口和扩展槽位,方便快速开发和测试。 WAGO EtherCAT开发板: WAGO提供了EtherCAT开发板,如750-352模块。该开发板配备了EtherCAT通信接口和数字/模拟输入输出接口,支持快速的从站开发和集成。 TI Sitara开发板: 德州仪器(TI)提供了基于Sitara处理器的开发板,例如AM335x和AM437x系列。这些开发板具有集成的EtherCAT从站控制器和丰富的外设接口,适用于高性能应用的开发和测试。 树莓派+EtherCAT HAT: 使用树莓派单板计算机与EtherCAT HAT(Hardware Attached on Top)组合,可以实现经济实惠的EtherCAT从站开发板。这种方式适合小规模和简单的EtherCAT应用。
这些EtherCAT从站开发板可用于快速原型设计、开发和测试EtherCAT从站设备。开发人员可以使用这些开发板进行硬件和软件开发,验证和调试EtherCAT从站功能,并将其集成到真实应用中。在选择开发板时,需要根据具体项目需求、预算和性能要求进行评估和选择。
2.8 常见的EtherCAT从站模块:
以下是一些常见的EtherCAT从站模块:
Beckhoff EtherCAT从站模块: Beckhoff提供了一系列EtherCAT从站模块,如ELxxxx系列。这些模块包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、温度传感器模块等,具有高性能和可靠性。 Hilscher CIF EtherCAT从站模块: Hilscher的CIF系列是一组可定制的EtherCAT从站模块。这些模块适用于数字和模拟输入/输出、驱动器接口、温度测量等各种应用。 WAGO EtherCAT从站模块: WAGO提供了一系列EtherCAT从站模块,包括数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、电机驱动模块等。这些模块具有灵活的配置选项和可扩展性。 RTX64 EtherCAT从站模块: IntervalZero的RTX64 EtherCAT模块是一款高性能的软件解决方案,可将Windows操作系统转换为EtherCAT从站设备。它可以运行在标准PC上,并支持各种通信和输入/输出配置。 Kunbus EtherCAT Shield模块: Kunbus的EtherCAT Shield模块是一种基于Arduino开发板的低成本EtherCAT从站解决方案。它可以通过Arduino的扩展接口实现EtherCAT通信功能。
这些EtherCAT从站模块可用于快速集成和开发各种EtherCAT从站设备。
开发人员可以选择适合自己的模块,根据应用需求进行配置和定制。
在选择模块时,需要考虑通信速率、接口类型、IO数量、可扩展性和供应商支持等因素。
2.9 EtherCAT数据采集卡
以下是一些常见的EtherCAT数据采集卡:
Beckhoff EtherCAT数据采集卡: Beckhoff提供了一系列EtherCAT数据采集卡,如EKxxxx系列。这些数据采集卡集成了EtherCAT从站控制器和多个输入/输出通道,支持高速、精确的数据采集和实时控制。 Hilscher EtherCAT数据采集卡: Hilscher提供了基于EtherCAT的数据采集模块,如CIF系列。这些模块提供了多个数字和模拟输入通道,可用于实时数据采集和控制应用。 National Instruments EtherCAT数据采集卡: National Instruments提供了一系列EtherCAT数据采集卡,如NI-9144和NI-9146系列。这些模块集成了高速A/D和D/A转换器,可实现高精度的信号采集和控制功能。 ADLINK EtherCAT数据采集卡: ADLINK提供了基于EtherCAT的高性能数据采集卡,如HSL系列。这些卡片具有多个模拟输入/输出通道和高采样率,适用于高速数据采集和实时控制应用。 Acontis EtherCAT数据采集卡: Acontis提供了EtherCAT数据采集卡,如EC-AT系列。这些卡片支持多种数字和模拟输入/输出,具有灵活的配置选项和高性能。
2.10 高速EtherCAT数据采集卡
这些EtherCAT数据采集卡可用于高速、实时的数据采集和控制应用。
在选择数据采集卡时,需要考虑采样率、分辨率、通道数量、兼容性和软件支持等因素,以满足特定应用的需求。
以下是一些高速EtherCAT数据采集卡的示例:
National Instruments (NI) PXIe-8370: 这是一款高速的EtherCAT数据采集卡,可与NI的PXIe平台配合使用。它支持高达1 Gb/s的EtherCAT通信速率,并提供多个高速数字输入/输出通道和模拟输入/输出通道,适用于高速数据采集和实时控制应用。 Beckhoff EKxxxx 系列: Beckhoff的EKxxxx系列EtherCAT数据采集卡中有一些模型支持高速数据采集。这些卡片具有高速的EtherCAT通信接口和多个高速模拟、数字输入/输出通道,适用于需要高速数据采集和实时控制的应用。 ADLINK PCIe-8338: 这是一款高速的PCIe接口EtherCAT数据采集卡,支持高达2 Gb/s的EtherCAT通信速率。它提供多个高速模拟输入/输出通道和数字输入/输出通道,适用于需要高速数据采集和实时控制的应用。 Acontis EC-AT系列: Acontis的EC-AT系列EtherCAT数据采集卡具有高速EtherCAT通信接口和多个模拟、数字输入/输出通道。这些卡片支持高速数据采集和实时控制,适用于高要求的应用场景。
重要的是要根据具体的应用需求评估和选择适合的高速EtherCAT数据采集卡。考虑通信速率、接口类型、通道数量、分辨率、采样率和供应商技术支持等因素,以确保选择的数据采集卡满足应用的高速数据采集和实时控制要求。
参考:
EtherCAT从站学习笔记 - 知乎
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[工业互联-23]:EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案
在EtherCAT(以太CAT)网络中,从站(Slave)是指通过EtherCAT总线连接到主站(Master)的外部设备或模块。从站通常是实时控制系统中的执行器(写)、传感器(读)、驱动器(写)等外部设备。从站在EtherCAT网络中起到了连接外部设备和主站之间的桥梁作用。它们接收主站发送的命令和控制信息,根据指令执行相应的操作,并将执行结果和实时数据通过EtherCAT总线返回给主站。每个从站在EtherCAT网络中都有一个唯一的站地址。
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EtherCAT是由德国自动化公司BECKHOFF(倍福)于2003年提出的一种实时工业以太网技术。EtherCAT从站采用专门的控制芯片,例如ESC(EtherCAT Slave Controller,从站控制器)采用的是Microchip公司的LAN9252芯片。主站无需专门的通信控制器,使用标准的以太网控制器即可。主站和从站之间使用普通的以太网电缆连接。EtherCAT协议中对传统的以太网协议进行了修改,在标准以太网数据帧中填充EtherCAT的数据帧,并使用特殊的帧类型。
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