EtherCAT 现场总线简介
EtherCAT®（以太网控制自动化技术）是一种 I/O 级别的实时以太网架构。该架构灵活的拓扑结构支持高度自由的设计。此外，EtherCAT 现场总线还减少了电缆数量，从而降低了故障风险。该技术支持快速和动态的通信结构，因而成为自动化领域的开放标准，应用广泛。由于数据使用与以太网相同的格式，因此可以直接连接到以太网。不需要特定的路由器或交换机。
为什么 EtherCAT 现场总线很受欢迎？
首先，EtherCAT 现场总线的速度非常快。它为实时性能设定了新的限制，因为它可以使用双绞线或光纤电缆在 30 µs 内处理 1000 个分布式 I/O 信号，或在 100 µs 内处理 100 个电机轴。这种高速度使 EtherCAT 现场总线成为自动化、工业物联网 (IIoT) 和其他需要实时优化的应用的理想选择。
其次，它是一种广泛采用的开放式标准。越来越多的设备通过现场总线或无线方式进行连接，而 EtherCAT 是实现这一目标的首选技术之一。这意味着使用 Beckhoff Automation 的 EtherCAT IP，您可以选择多种通过同一接口进行通信的产品。
第三，它经久耐用。使用行业标准以太网电缆，EtherCAT 终端可在 –25°C 至 +60°C 温度范围内运行。ADI Trinamic™ EtherCAT 控制器甚至满足 –40°C 至 125°C 汽车级温度规范。
投资购买符合 EtherCAT 标准的产品意味着投资未来，这就是 ADI 为采用 EtherCAT 协议栈的电机和运动控制 IC 提供易于使用的 Trinamic 产品的原因。
EtherCAT 主/子节点架构
主 EtherCAT 控制器通常作为软件解决方案，在具有以太网 MAC 的标准或嵌入式计算机上实现。只有主（控制器）节点才能主动创建包含每帧最多 1518 字节数据的 EtherCAT 帧的数据包，并将其发送到下游子节点。除了开放式 EtherCAT 控制器实现（如 SOEM）（简单开放式 EtherCAT 主节点），有 100 多家公司提供广泛的通用或专用型 EtherCAT 控制器产品。
与标准以太网设备不同，EtherCAT 子节点通过读取数据并将自己的信息添加到通过的同一个帧中，以非常严格的时序要求即时处理帧。这要求在 EtherCAT 子节点控制器 (ESC) 中使用专用硬件。精益型子节点设备不需要额外的微控制器，而更智能、更复杂的设备则需要用于协议处理和应用程序代码的处理器。凭借这种独特的帧处理方法，EtherCAT 成为了最快的工业以太网技术；其他技术难以达到同样的带宽利用率或相应的性能。
功能原理
EtherCAT 主节点写入报文并将其发送到下游的所有子节点。当数据通过网络中的每个节点时，子节点读取帧并向其添加数据，同时检查流中是否还有另一个子节点。如果网络段中的最后一个节点检测到开放端口，它就会立即知道没有其他设备会向其发送报文。报文会按照预定义的拓扑结构返回主 EtherCAT 节点。
由于 EtherCAT 主节点动态处理数据，因此，当子节点读取数据或向帧添加数据时，帧不会停止移动。只有硬件传播延迟时间会导致延迟，接收帧和传输帧之间的端口到端口延迟为 1 µs。一般来说，使用以太网技术的全双工模式，主节点发送和接收电报之间只有几纳秒的延迟。
如果数据不太大，则可以使用一个报文来传递整个网络需要处理的所有数据。换句话说，EtherCAT 主节点不必为每个单独的子节点创建新的数据包，这节省了时间并消除了对集中式 I/O 的需要。
此外，每个 EtherCAT 子节点通过硬件（而不是软件）进行通信。这为实时关键任务留下了更多的计算能力，并且可以确保稳定的性能以及与网络中所有其他 EtherCAT 设备的完全兼容性。当网络仅由 EtherCAT 设备组成时，不再需要交换机，这意味着没有额外的时间延迟，也没有设置基础设施的额外成本。
拓扑结构
EtherCAT 基于以太网的物理层。数据报可以使用全双工模式进行传输，这意味着通过每个端口都有缓冲区的交换机进行连接。由于 EtherCAT 子节点具有一个、两个或更多端口，因此可以实现各种拓扑结构，例如简单的线形、星形或树形拓扑结构。一个 EtherCAT 网络最多可支持 65,535 台设备，并且不会对拓扑结构施加限制。
由于物理层是以太网，因此不需要特殊的电缆，也不需要交叉电缆。这意味着不需要网格中心的额外连接，如图所示。建立这种电缆冗余可以最大限度降低故障风险。
网络段或分支中的每个 EtherCAT 子节点都会自动检测是否有下游设备，并且会打开或关闭相应的端口。链中的最后一台设备通过关闭端口，将数据包返回给发送方。所有其他接收返回主节点的帧的子节点都会忽略这些帧并直接让其通过。
同步
每当分布式应用需要及时同步操作时，例如，多个伺服轴同时启动或停止，EtherCAT 分布式时钟系统就会发挥作用。
分布式时钟机制可同步所有子节点设备的时钟（偏差小于 1µs）。这些同步时钟可使网络的轴在微秒级进行同步，即使通信周期抖动增加，也会非常低。
ADI Trinamic 解决方案使用原始的 Beckhoff 代码，这意味着控制器和模块可以轻松地与所有其他 EtherCAT 设备进行通信。经 EtherCAT 基金会验证和认证。
