如何选择合适的工业以太网标准：EtherCAT

在这一部分中，我将详细介绍EtherCAT、它的终端应用，以及它的工作方式。

德国倍福自动化公司 (Beckoff Automation) 发明了EtherCAT。自从2003年以来，它一直处于EtherCAT技术组 (ETG) 框架之下，而EtherCAT技术组是一个由大约2600家成员公司组成的工业现场总线组织。

EtherCAT常见于工厂自动化、半导体工具、包装机器人技术以及其它应用领域。我最喜欢的一个非工业应用示例就是迪斯尼内的水舞水幕秀，其中由EtherCAT来控制灯光显示。

在技术层面，EtherCAT是如图1中显示的主从网络架构。EtherCAT从器件具有2个以太网连接器，以支持一个简单的线路拓扑。为了达到冗余的目的，也可以支持环形拓扑，在这个情况下，EtherCAT主器件必须要有2个以太网端口。一个EtherCAT网络能够支持多达65535个从器件。

图1：具有EtherCAT数据帧流程的EtherCAT主从示例网络

只有EtherCAT主器件生成一个EtherCAT数据帧；所有从器件接收和处理这个数据帧。最后一个从器件回送这个EtherCAT数据帧，而这个数据帧在经历所有从器件（无需进一步处理）后，返回到主器件。这个EtherCAT数据帧已经为每个从器件的数据处理预留了空间，而所有的从器件都不会更改数据帧本身的长度。这有点儿像为乘客准备了多个车厢和座位的火车一样，每个从器件都有一个指定的车厢或指定的座位。EtherCAT允许到“座位”层的寻址—而数据处理是在数据位上进行的。

一个EtherCAT主器件只需要一个标准以太网MAC外设，这是因为主器件在实时处理EtherCAT数据帧方面没有特定的需要。主器件只需要用准确的时基来触发启动EtherCAT数据帧。

一个EtherCAT从器件需要特定的以太网硬件 (EtherCAT MAC) 支持—通常的实现方式是图2中所示的专门用途集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA) –这是因为它需要处理在运行过程中进入的EtherCAT数据帧。这意味着EtherCAT MAC在进行数据帧接收的同时，要处理EtherCAT数据帧。典型的EtherCAT器件在已接收和已发送数据帧之间具有1µs的端口到端口延迟。

图2：具有一个ASIC/FPGA和外部处理器的EtherCAT从器件

EtherCAT标准在EtherCAT网络中不支持其它类型的以太网数据帧。这主要是为了保持实时以太网通道的畅通，用于EtherCAT数据帧的处理。在EtherCAT网络中有非EtherCAT数据帧（与EtherCAT不匹配的以太网类型）的情况下，EtherCAT从器件将通过使数据帧校验和 (CRC) 无效来销毁这个数据帧。这使得非EtherCAT数据帧在标准以太网器件中无法使用，而它们将最终停止“污染”EtherCAT网络。

通过将以太网数据帧封装在一个EtherCAT数据帧内，可以在EtherCAT网络中传送标准以太网数据帧（传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP)，用户数据报协议 (UDP)）。这通过位于EtherCAT主机处理器协议栈顶端的不同EtherCAT系统配置完成。其中的一个示例系统配置就是用EtherCAT实现以太网。

EtherCAT器件的其它特性和功能包括：

分布时钟—从器件和主器件上的高精度时间同步方法。

支持环回的快速链路断开检测（需要以太网物理层 (PHY) 收发器支持）--当以太网PHY检测到一个链路断开时，它通知EtherCAT硬件。在10µs内，EtherCAT硬件将环回EtherCAT数据帧。请查看TI的TLK1xx以太网PHY收发器系列，这个系列的器件支持快速链路断开特性。

在EtherCAT中使用ASIC或FPGA会增加成本和电路板面积。一个替代的解决方案就是使用许多TI Sitara处理器中的PRU-ICSS外设。例如，TI提供针对AM335x处理器的PRU-ICSS固件，从而使EtherCAT从器件无需使用一个外部FPGA（图3）。你可以用TMDSICE3359评估板来评估TI的EtherCAT从器件解决方案。

图3：集成了TI Sitara处理器的EtherCAT从器件