此外,高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步,还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时,即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差,也会导致速度计算出现较大的阶跃变化,例如,运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中,EtherCAT,http://www.ethercat.org.cn,引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展,以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样,速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响,其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。
精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如,几个伺服轴同时执行协调运动时,便是如此。 最有效的同步方法是精确排列分布时钟(请参阅IEEE 1588标准)。与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比,分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。
根据对距离的要求,可选择快速以太网的物理层或E-bus作为物理介质。快速以太网物理层允许两个设备之间的最大电缆长度为100米,EtherCAT而E-Bus可连接最大距离为10米。由于连接的设备数量可高达65535,因此,网络的容量几乎没有限制。
EtherCAT几乎支持任何拓扑类型,包括线型、树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网,并且不受限于级联交换机或集线器的数量。最有效的系统连线方法是线型、分支或树叉结构的组合拓扑。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在,所以无需附加交换机。当然,仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。
由于主板集成了以太网卡,用于接口卡的插槽不再是必要条件。随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展,工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性:IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子。除了可以对分布式I/O进行编址,还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变体,也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。EtherCAT,http://www.ethercat.org.cn,由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求,因此,这不仅极大地精简了IPC主机的体积,而且也降低了IPC主机的成本。
超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。例如,以太网系统现在不仅可以处理速度控制,也可用于分布式驱动的电流控制。巨大的带宽可以实现每个数据信息与其状态信息同时传输。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈,分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。
EtherCAT使网络性能达到了一个新高度。借助于从站节点中的FMMU和网络控制器主站的直接内存存取,协议的处理过程完全在硬件中完成。整个协议的处理过程都在硬件中得以实现,因此,完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 micro;s。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换,EtherCAT;几乎相当于12000个数字输入和输出,而传送这些数据耗时仅为 300 micro;s.
然而,EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文,这就意味着,任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中,甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。在这种情况下,系统性能显然取决于控制器及其以太网协议的实时性能。EtherCAT网络本身的响应时间几乎不受影响:UDP数据帧只需要在第一个站点解包。
EtherCAT协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型。采用这种以太类型即可允许在以太网帧内直接传输控制数据,而无需重新定义标准以太网帧。该以太网帧可由多种子报文组成,每个子报文服务于逻辑过程映像区的特定内存区,该区域最大可达4GB。数据序列是独立于物理顺序的,所以以太网端子模块的编址可以随意排序。从站之间的广播,多播和通讯也可得以实现。
主站方面也非常经济,商用的标准网卡(NIC)或任何主板集成的以太网控制器可以用作硬件接口。这些接口的共性就是数据通过DMA(直接内存读取)传输至PC,即网络读取时无需占用CPU资源。
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