一、EtherCAT概述

1.特性

①开放的技术

EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。

②快速性

相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCAT G技术，传输速率可达1000Mbit/s；同时EtherCAT基于标准以太网帧传输，单帧数据用容量可达1486 Bytes。这使得在传输数据量方面EtherCAT有无比的优越性。

③拓扑的灵活性

EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。

④同步的精准性

对于像多个伺服轴执行协同运动等一类应用，其对数据同步性要求甚高。而EtherCAT可选择使用分布式时钟（DC）的方式同步节点，并采用完全基于硬件的时间校准机制，使得整个系统抖动时间远小于1us，能够完全适用于这样的应用之下。如下图所示，300个EtherCAT站点间的信号时间抖动仅有20ns：

⑤高可用性

EtherCAT可通过简单的措施实现线缆的冗余性。通过将网络中最后一个站点与主站设备中的以太网端口连接，即可将线型拓扑结构扩展为环型冗余拓扑结构。当线缆损坏或站点故障发生时，主站堆栈中的附加软件检测就会检测到，并立刻切到换冗余线路中运行，而各站点无需为此而改变，甚至不会意识到网络通信正在冗余线路中运行。

2. ISO/OSI参考模型

EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。

3.EtherCAT主从架构

EtherCAT网络采用主从架构，网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。

图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。

4.报文帧传输方式

EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。(这种传输方式有点类似于现实生活中的环型地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车。)

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作者：虹科工业通讯---梁桦圳

排版：虹科工业通讯---黄怡

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