磁致伸缩位移传感器Ethercat协议运用要点 - 技能支持 - 金宝搏app
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公布日期:2020-04-02 点击次数:182

 磁致伸缩位移传感器EtherCAT信号输入,随着产业主动化水平越来越高,我们需求用到传输速率越来越快,上面我们来理解一下 EtherCAT总线的运用。

一. EtherCAT 协议概述

EtherCAT(以太网控制主动化技能)是一个以以太网为根底的开放架构的现场总线条理,EtherCAT称号中的CAT为Control Automation Technology(控制主动化技能)首字母的缩写。最后由德国倍福主动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为条理的及时功能和拓扑的灵敏性树立了新的规范,同时,它还契合乃至低落了现场总线的运用本钱。EtherCAT的特点还包罗高精度设置装备摆设同步,可选线缆冗余,和功用性平安协议(SIL3)。

EtherCAT可以支持线形、树形和星形设置装备摆设衔接拓扑构造,物理介质可以选100Base-TX规范以太网电缆或光缆。运用100Base-TX电缆时站间间距可以到达100m。整个网络最多可以衔接65535个设置装备摆设。运用疾速以太网全双工通讯技能组成主从式的环形构造。

报文经过从站设置装备摆设时,从站辨认出相干的下令并作出相应的处置。完全由硬件完成信息的处置,耽误日期约为100~500ns(取决于物理层器件),其通讯功能和从站设置装备摆设控制微处置器的呼应日期是互相独立的。每个从站设置装备摆设都具有可编址的内存,其容量最大可为64KB,可以对其停止延续的或同步的读写操纵。可以把多个EtherCAT下令数据嵌入到统一个以太网数据帧中,每个数据对应差别的设置装备摆设或内存区。

从站设置装备摆设可以组成多种方式的分支构造,独立的设置装备摆设分支可以安排于控制柜中或呆板模块中,再用主线衔接这些分支构造。 EtherCAT大大进步了现场总线的功能,比方,控制1000个开关量输出和输入的革新日期约为30μs。单个以太网数据帧最多可包容1486字节的数据,相称于12000位开关量数字输出和输入,革新日期约为300μs。控制100个伺服电机的数据通讯周期约为100μs。

EtherCAT运用一个专门的以太网数据帧范例界说,用以传输以太网数据帧的EtherCAT数据包,也可以运用UDP/IP协议款式传输EtherCAT数据包。一个 EtherCAT数据包可以由多个EtherCAT子报文构成。EtherCAT从站不处置非 EtherCAT数据帧,其他范例的以太网使用数据可以分段打包为EtherCAT数据子报文在网段内通明传输,以完成相应的通讯效劳。


二. EtherCAT 条理构成

2.1 运转原理

及时产业以太网EtherCAT充沛应用了以太网技能的全双工传输特性。运用主从形式停止拜访控制,主站把数据帧发送给各个从站,每个从站从数据帧中读取本人的数据或把需求输出的数据拔出数据帧中。

从以太网的角度来看,一个EtherCAT网段便是一个以太网设置装备摆设,它接纳和发送规范的ISO/IEC8802-3以太网数据帧。但是,这种以太网设置装备摆设并不范围于一个以 太网控制器及呼应的微处置器,它可以由多个EtherCAT从站构成。这些从站可以间接处置接纳的报文,并从报文中提取或许拔出相干的用户数据,然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最初一个EtherCAT从站发回颠末完全处置的报文,并由第一个从站作为呼应报文将其发送给控制单位。

EtherCAT通讯是由主站提倡的,主站收回的数据帧传输到一个从站站点时,从站将剖析数据帧,每个从站从对应报文中读取输入数据,并将输出数据嵌入到子报文中,同时修正任务计数器WKC的值,以标识从站己处置该报文。网段末了的从站处置完报文后,将报文转发回主站,主站捕捉前往的报文并对其停止处置,完成一次通讯进程。一个通讯周期进程中,报文传输延时大约为几个纳秒,克制了传统以太网先对数据包停止剖析,再复制成进程数据而形成通讯服从低的缺陷。EtherCAT条理运转原理如图所示。


2.2 主站构成

主站的完成可接纳嵌入式和PC机两种方法,均需装备规范以太网MAC控制器,传输介质可运用100BASE-TX标准的5类UTP线缆。 EtherCAT从站设置装备摆设除了具有通讯功用外,还需具有对从站设置装备摆设的控制功用。罕见的从站设置装备摆设有I/O端子、伺服设置装备摆设、微处置器等。

EtherCAT主站运转需具有以下几个根本功用:

(1)读取从站设置装备摆设描绘XML文件并对其停止剖析,获取此中设置装备摆设参数

(2)捕捉和发送EtherCAT数据帧,完成EtherCAT子报文剖析、打包等

(3)办理从站设置装备摆设形态,运转形态机,完成主从站形态机设置和维护

(4)可停止非周期性数据通讯,完成条理参数设置装备摆设,处置通讯进程中突发事情

(5)完成周期性进程数据通讯,完成数据及时交流,及时监控从站形态,从站反应 信号及时处置等功用。


2.3从站构成

在EtherCAT条理的通讯进程中,从站接纳公用的从站协议控制器(EtherCAT Slave Controller , ESC)来高速动向地(on-the-fly)处置网络通讯数据。条理通讯的整个进程中,网络数据的处置都在从站协议控制器外部有硬件完成,真是由于整个通讯进程有硬件完成,以是通讯网络的功能并不取决于从站运用的是什么微处置器及其功能,由于一切的通讯进程都是在从站控制器的硬件中完成的;进程数据接口为从站使用层提供了一个双端口随机存储器( Dual-Port-RAM, DPRAM)来完成数据交流。EtherCAT从站提供网络数据通讯和控制义务功用,从站构造如图所示。


在由EtherCAT产业以太网现场总线构成的产业控制条理中,条理的通讯是由主站提倡的并经过进程数据通讯控制从站设置装备摆设的任务形态,继而完成条理义务。这些在产业现场的EtherCAT从站设置装备摆设可以间接承受来自产业以太网中的网络数据报文。并且还能从网络数据报文中提取出主站设置装备摆设发送给各个从站设置装备摆设的控制信息和下令,而且插进与本人相干的当地产业现场设置装备摆设的用户信息及收罗的数据,然后在当地从站设置装备摆设对以太网数据帧处置完成之后再将这个以太网数据报文传输到下EtherCAT从站设置装备摆设当中反复在上一个从站设置装备摆设中的操纵,当这个以太网数据报文传送到最初一个产业现场设置装备摆设的EtherCAT从站而且完成相应的操纵的时分,在将这个以太网数据报文按原来的道路发送归去,最初由产业现场里第一个EtherCAT从站设置装备摆设将这个被一切从站设置装备摆设操纵过的网络数据报文作为呼应报文发送给主动化控制条理的主站(即控制 单位)。整个通讯进程中充沛应用了以太网全双工处置网络数据的通讯特点。

EtherCAT Slave Controller(ESC)

ESC传输进程:


每个ESC都有四个数据收发轫口,而且均可以接纳发送以太网帧。

假如ESC的四个端口都有内部链接,数据帧的外部传输次序牢固为端口0 —>端口3 —>端口1 —>端口2 —>端口0,假如某个端口没有内部链接,则此端口封闭,数据帧会主动跳过此端口授输到下一个未封闭的端口。正是由于ESC 这种四端口的收发机制,使得其可以 组成多种物理拓扑构造,如树型、线型和星型构造等。
三. 数据帧构造

3.1 EtherCAT协议

EtherCAT数据运用范例为0x88A4 的以太网数据帧停止传输。EtherCAT 数据由数据头(2个字节)和的数据区(44~1498 字节)构成。

EtherCAT 的处置次要是ESC 外部的硬件来完成,因而,其硬件处置才能决议了数据的处置速率。

数据帧构造阐明:


1. 目的地点:接纳方MAC地点

2. 源地点:发送方MAC地点

3. 帧范例:0x88A4,EtherCAT数据运用范例为0x88A4的以太网数据帧停止传输。

4. EtherCAT帧头:

EtherCAT帧头为11bit数据长度;1bit 保存;4bit 范例,即是1时表现EtherCAT数据处于ESC通讯中,其他保存。

EtherCAT帧头

位数

11bits

1bit

4bits

意义

EtherCAT数据长度

保存

范例

阐明

即一切子报文长度总和

0x01:EtherCAT DLPDU

0x04:network veriable

0x05:mailbox

5. EtherCAT数据:数据区包括一个或多个EtherCAT 子报文,每一个子报文对应一个独立的从站设置装备摆设。

1)EtherCAT子报文:

EtherCAT 数据区由不定命目标子报文构成,一切子报文对应操纵独自的从站站点。

子报文数据段可依据需求嵌入 CoE、SoE等协议数据款式。

EtherCAT 子报文由子报文头、数据域和任务计数器构成。

2)子报文数据帧款式:

子报文

子报

文头

位数

8bits

8bits

32bits

11bits

4bits

1bit

16bits

意义

下令

索引

地点区

长度

R

M

形态位

阐明

寻址方法及读写方法

帧编码

从站地点

报文数据区长度

保存

后续报文标记

中缀到来标记

数据

长度小于2486bytes

WKC

任务计数器,WKC 用来记载从站操纵子报文的次数,主站给每个子报文预设了 WKC。设置发送子报文的任务计数器初值为 0,从站准确处置子报文后,任务计数器的值将添加一个增量,主站把前往的子报文中的 WKC 和预设的 WKC 作比拟后判别子报文能否被从站准确处置。ESC 在处置数据帧的同时处置 WKC,由通讯效劳的差别决议 WKC 的添加方法。

3)下令码阐明:

寻址方法

读写形式

下令称号

描绘

次序寻址

读数据

APRD

0x01

主站运用次序寻址从从站读取肯定长度数据

写数据

APWR

0x02

主站运用次序寻址向从站写入肯定长度数据

读/写

APRW

0x03

主站运用次序寻址与从站交流数据

设置寻址

读数据

FPRD

0x04

主站运用设置寻址从从站读取肯定长度数据

写数据

FPWR

0x05

主站运用设置寻址向从站写入肯定长度数据

读/写

FPRW

0x06

主站运用设置寻址与从站交流数据

播送寻址

读数据

BRD

0x07

主站从一切从站的物理地点读取数据

写数据

BWR

0x08

主站播送写入一切从站

读/写

BRW

0x09

主站与一切从站交流数据,对读取的数据

逻辑寻址

读数据

LRD

0x0A

主站运用逻辑地点读取肯定长度数据

写数据

LWR

0x0B

主站运用逻辑地点写入肯定长度数据

读/写

LRW

0x0C

主站运用逻辑寻址与从站交流数据

6. FCS:帧校验

3.2 EtherCAT UDP 协议

EtherCAT IP协议,但可将其封装在IP/UDP协议中。EtherCAT UDP 协议实用于及时功能要求不是很严厉的场所。



四. EtherCAT 寻址方法和通讯效劳

4.1 网段寻址

EtherCAT 主站与网段之间存在着差别的寻址方法,应用太网数据帧头东北科技大学硕士研讨生论文 13 页部的 MAC 地点来寻址便是EtherCAT 网段寻址。

详细的方法有以下两种。

开辟形式:主站设置装备摆设经过以太网交流机与EtherCAT 网段停止衔接,网段即可运用EtherCAT数据帧当中的目标地点来作为MAC 地点。


直连形式:主站设置装备摆设经过与EtherCAT网段的间接端口衔接来对对MAC地点停止播送。


4.2 设置装备摆设寻址

在这个寻址方法中,16bit的设置装备摆设地位(站点地点)16bit的芯片内物理地点组成了一个32位地点的从站报文。该报文可以支持高达65535个从站和每个从站64K的地点映射。设置装备摆设寻址有地位寻址(主动增减寻址)、设置站点寻址和播送寻址。此中,设置站点寻址又可以分为任务时由主站设置、存储在EEPEOM当中等两种方法。在每次条理上电或许复位时,可以经过EEPEOM读出站点地点。

在停止设置装备摆设寻址进程中,各个报文只可以寻址独一的从站设置装备摆设,寻址设置装备摆设的机制有以下两种:

次序寻址:在次序寻址进程中,可以经过网段内的衔接地位来确定从站的地点,其衔接地位是由网段内接线次序来决议,并运用一个正数来表现这个地位。在顺次颠末各个从站设置装备摆设时,每颠末一个从站设置装备摆设,次序寻址的子报文会在其次序地点上添加1;次序地点为0的报文会在从站接纳时被认定为寻址本文自身。每次报文在颠末可以主动更新地点,因而次序寻址有可以叫做主动增量寻址。

实践运用时,主站会在启动阶段运用次序寻址方法将地点分派给各个从站。运用次序寻址可以让一些跟地位没有干系的地点主动酿成从站的地点。

设置寻址:在设置寻址进程中,从站地点在网段内的衔接次序也可以与其本身没有对应干系。该地点可以经过两种方法获取,一是在数据链路启动阶段由主站设置装备摆设给从站,二是在上电初始化的时分由从站在本身的设置装备摆设数据存储区里装载,在后续的运转运用中,便可以在链路启动阶段由主站使用次序寻址的方法来读取各个从站的设置地点。

4.3 逻辑寻址

在逻辑寻址方法下,从站地点运用的是牢固的逻辑地点空间。从站经过将报文内的32 位空间看成全体的地点来完成的。如许可以把单个数据帧内恣意数据的多个地点疏散散布在EtherCAT从站上,从而使得EtherCAT协议变得愈加灵敏。

逻辑寻址方法是经过FMMU(现场总线内存办理单位)来完成,FMMU的功用存在于各个ESC外部,把从站的当地物理存储地点经过映射与网段内逻辑地点婚配。主站设置装备摆设会在数据链路启动进程中将设置装备摆设好的FMMU单位传送至从站设置装备摆设。各个FMMU单位的设置装备摆设信息包罗:数据逻辑位肇始地点、表现映射偏向(输出或输入)、位长度、从站物理内存肇始地点的范例位,从站设置装备摆设内的数据与主站的逻辑地点都存在按位的映射干系。

从站设置装备摆设会反省经过数据逻辑寻址方法收到的EtherCAT子报文能否可以与FMMU单位地点婚配。假如可以婚配,EtherCAT子报文数据区的对应地位将会拔出输出范例数据和抽取输入范例数据。由于接纳逻辑地点方法可以灵敏地构造控制条理,而且优化条理构造,以是该寻址方法合适于传输或交流周期性进程的数据。

4.4 通讯效劳和WKC

EtherCAT 子报文都是运用主站的操纵来描绘一切的效劳。从站外部物理存储和读写和交流(读取并立刻写入)数据的效劳则是由数据链路层来确定的。子报文头中的下令字节表现了由读写操纵和寻址方法配合下令的通讯效劳方式。

每一个从站的EtherCAT 数据报都具有一个16 位的任务计数器(WKC)。该任务计数器用以记载EtherCAT 数据报乐成拜访(准确寻址到从站并乐成拜访到数据存储区)的从站个数。EtherCAT 从站控制器将任务计数器硬件递增。各个从站数据报中计数器预期值的盘算该当由主站顺序中的模块来完成。在接纳到前往数据帧后,主站会与WKC 比拟,假如纷歧样,阐明该报文有题目。子报文中任务计数器的值是与通讯效劳、寻址地点相干联。报文每读或写一次数据,WKC 的值就加1,同时读写时,读乐成后WKC 得值加1,写乐成后WKC 的值加2,读写全部完成后WKC 的值加3。以是,WKC 的值就会一切从站处置发作的累加的后果。ARMW FRWM 是多读多写的下令,可以看成单个读或写下令来了解。WCK 的值会依据下令差别不时变革。

五.使用层

使用层AL(Application Layer)为用户与网络之间提供接口,使用层在EtherCAT 通讯协议条理构造中是与用户联络最严密最间接的一层,它可以间接与用户停止交互,完成面临详细的使用顺序和控制义务等功用,EtherCAT使用层为种种效劳协议与使用顺序之间界说了接口,使其可以满意使用层所要求的种种协议配合任务的需求。EtherCAT 作为网络通讯技能, 支持CANopen 协议中的CiA402,以及SERCOS 协议的使用层(CoE SoE)等多种契合行规的设置装备摆设和协议,如下图所示。


5.1 CoE (CANopen over EtherCAT)

CANopen 协议是在CAN 协议根底上开辟的使用层协议,EtherCAT 支持接纳CANopen 作为使用层协议,别的,还在EtherCAT 协议中关于详细使用的方面做了相应的增补和扩展,它的次要功用包罗:初始化通讯网络并应用邮箱通讯来拜访CoE 工具字典及其工具;运用CoE 来设置装备摆设周期性的数据传输进程及控制指令;办理通讯网络并处置突发事情和错误信息。

5.2 SoE(SERCOS over EtherCAT)

SERCOS(串行及时通讯协议)是一种高功能的数字伺服及时通讯接口协议,包罗了通讯技能和多种设置装备摆设行规。SoE 是基于EtherCAT SERCOS 协议,虽然EtherCAT 设置装备摆设上不克不及停止SERCOS 协议的数据,但EtherCAT 可以对实行SERCOS 标准设置装备摆设的伺服控制和数据通讯提供支持。

5.3 EoE (EtherNet over EtherCAT)

EtherCAT技能不只完全兼容以太网,并且在设计之初就具有精良的开放性——该协议可以在相反的物理层网络中容纳其他基于以太网的效劳及协议。可将任何范例的以太网设置装备摆设经过交流机端口连入EtherCAT网段。

5.4 FoE (EtherCAT完成文件传输)

该协议与TFTP相似,容许读写设置装备摆设中的任何数据构造。因而,无论设置装备摆设能否支持TCP/IP,都可以将规范化固件上传到设置装备摆设上。


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