介绍EtherCAT：实时工业以太网通信协议

介绍EtherCAT：实时工业以太网通信协议

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种实时以太网通信协议，专为工业自动化应用而设计。它由德国Beckhoff Automation公司开发，并在2003年引入市场。EtherCAT以其高性能、低延迟和高效的数据传输特点，迅速成为工业自动化领域的主流通信标准。

EtherCAT能做什么？

EtherCAT主要用于工业自动化系统中的设备间通信。它的应用范围包括但不限于以下几个方面：

1. 运动控制：在机器人和CNC（计算机数控）机器中，EtherCAT用于同步多个轴的运动，以实现精确的运动控制。
2. 传感器与执行器网络：EtherCAT可以连接各种传感器和执行器，实现实时数据采集和控制。
3. PLC（可编程逻辑控制器）通信：EtherCAT用于PLC之间以及PLC与其他设备之间的高速通信。
4. 分布式I/O系统：EtherCAT用于连接分布在不同位置的I/O模块，实现集中管理和控制。

什么是主站和从站？

在EtherCAT网络中，主站（Master）和从站（Slave）是两个关键角色，它们共同完成数据的传输和处理。

主站（Master）

主站是EtherCAT网络的控制中心，负责发送和接收数据包，并管理整个网络的通信。主站通常由一个运行EtherCAT主站协议的软件控制的计算机或PLC（可编程逻辑控制器）组成。

从站（Slave）

从站是EtherCAT网络中的设备，负责执行主站下达的指令，并返回执行结果。从站可以是各种工业设备，如传感器、执行器、I/O模块、驱动器等。

主从通讯原理

EtherCAT通信基于以太网技术，但与传统以太网不同的是，EtherCAT采用了一种特殊的数据帧处理方式，使其能够实现高效的实时通信。

数据帧结构

EtherCAT数据帧包含多个子帧，每个子帧对应一个从站的数据。主站生成一个包含所有子帧的完整数据帧，并通过网络发送给第一个从站。从站依次处理并转发该数据帧，直到最后一个从站将处理后的数据帧返回给主站。

通信过程

1. 初始化阶段：

   • 主站扫描网络中的所有从站，并为每个从站分配唯一的地址。
   • 主站配置每个从站的通信参数，如输入输出映射、同步方式等。

2. 运行阶段：

   • 主站生成包含所有从站数据的EtherCAT数据帧，并发送到第一个从站。
   • 第一个从站接收数据帧，提取属于自己的部分进行处理，然后将修改后的数据帧转发给下一个从站。
   • 每个后续从站依次进行相同操作，直到最后一个从站将处理后的完整数据帧返回给主站。
   • 主站接收并解析返回的数据帧，从中提取所有从站的数据。

如何搭建并运行EtherCAT系统

下面我们详细介绍如何使用SOEM库实现一个简单的EtherCAT主从通信系统，包括如何配置主站和如何配置从站。

1. 安装SOEM库

首先，您需要安装SOEM库。您可以从GitHub上获取SOEM的源代码并进行编译安装：

git clone https://github.com/OpenEtherCATsociety/SOEM.git
cd SOEM
mkdir build
cd build
cmake ..
make
sudo make install

2. 编写并运行示例程序

SOEM库提供了一些示例程序，可以帮助您快速开始与EtherCAT从站设备的通信。这里以simple_test为例，您可以根据需要修改代码。

示例代码：简单的EtherCAT主程序

#include 
#include "ethercat.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc > 1) {
        if (ec_init(argv[1])) {
            printf("EtherCAT initialized on %s\n", argv[1]);

            if (ec_config_init(FALSE) > 0) {
                printf("%d slaves found and configured.\n", ec_slavecount);

                for (int i = 1; i <= ec_slavecount; i++) {
                    printf("Slave %d: %s\n", i, ec_slave[i].name);
                }

                // 设置从站状态为SAFE_OP
                ec_slave[0].state = EC_STATE_SAFE_OP;
                ec_writestate(0);

                // 等待所有从站进入SAFE_OP状态
                ec_statecheck(0, EC_STATE_SAFE_OP, EC_TIMEOUTSTATE * 4);

                if (ec_slave[0].state == EC_STATE_SAFE_OP) {
                    printf("All slaves are in SAFE_OP state.\n");

                    // 设置从站状态为OPERATIONAL
                    ec_slave[0].state = EC_STATE_OPERATIONAL;
                    ec_writestate(0);

                    // 等待所有从站进入OPERATIONAL状态
                    ec_statecheck(0, EC_STATE_OPERATIONAL, EC_TIMEOUTSTATE * 4);

                    if (ec_slave[0].state == EC_STATE_OPERATIONAL) {
                        printf("All slaves are in OPERATIONAL state.\n");

                        // 主循环，读取和写入过程数据
                        while (1) {
                            ec_send_processdata();
                            ec_receive_processdata(EC_TIMEOUTRET);

                            // 读取和写入具体的过程数据
                            // 示例：读取第一个从站的输入数据，写入输出数据
                            int16_t input_data = *((int16_t*)(ec_slave[1].inputs));
                            printf("Input data from slave 1: %d\n", input_data);

                            int16_t output_data = input_data + 1;
                            *((int16_t*)(ec_slave[1].outputs)) = output_data;

                            usleep(10000); // 每10毫秒循环一次
                        }
                    } else {
                        printf("Failed to set slaves to OPERATIONAL state.\n");
                    }
                } else {
                    printf("Failed to set slaves to SAFE_OP state.\n");
                }

                ec_close();
            } else {
                printf("No slaves found!\n");
            }
        } else {
            printf("Failed to initialize EtherCAT on %s\n", argv[1]);
        }
    } else {
        printf("Usage: %s \n", argv[0]);
    }

    return 0;
}

保存上述代码到一个文件，例如simple_test.c。

编译示例程序

编译这个示例程序：

gcc -o simple_test simple_test.c -lsoem

运行示例程序

使用正确的网络接口名称运行编译后的程序：

sudo ./simple_test ens33

检查输出

如果一切正常，您应该会看到类似如下的输出：

EtherCAT initialized on ens33
1 slaves found and configured.
Slave 1: <从站名称>
All slaves are in SAFE_OP state.
All slaves are in OPERATIONAL state.
Input data from slave 1: <输入数据>

通过这些步骤，您可以成功配置并运行一个简单的EtherCAT系统，与您的从站设备进行通信。

配置与实现EtherCAT从站

在实际应用中，从站通常由硬件制造商提供，并且已经预先配置好基本功能。然而，有时需要自定义或开发自己的From Slave设备。在这种情况下，可以使用一些开源工具和库来实现。以下是一些常见步骤：

使用Beckhoff TwinCAT创建虚拟从属设备

Beckhoff TwinCAT是一种流行的软件工具，可以用来创建虚拟从属设备以进行测试和开发。在这里，我们将简要介绍如何使用TwinCAT创建虚拟设备：

1. 安装TwinCAT：首先，从Beckhoff官网下载安装TwinCAT软件。
2. 创建新项目：启动TwinCAT并创建一个新的PLC项目。
3. 添加虚拟设备：在项目中添加新的虚拟设备，例如模拟I/O模块。
4. 配置过程数据对象（PDO）：定义输入和输出PDO，用于与主控进行通信。
5. 生成ESI文件：生成描述虚拟设备结构和功能的ESI文件，该文件将在主控端使用。

自定义开发 Ethercat 从属设备

如果你需要自己开发一个 Ethercat 从属设备，可以考虑使用 Beckhoff 提供的一些开发工具包，例如 ET9300 EtherCat Slave Stack Code。这些工具包提供了基础代码框架，可以帮助你快速构建自己的 Ethercat 从属设备。