技术介绍：什么是 EtherCAT 的开放模式？

 

EtherCAT 有两种运行模式：直接模式和开放模式。直接模式因其高效的实时性能被广泛使用，而开放模式则允许通过标准交换设备与现有的 IT 基础设施集成，相对而言实时性能没有前者优秀。在本文中，我们将探讨这两种模式，并重点介绍它们的主要特征。
 

直接模式和开放模式早在 2004 年的第一个 EtherCAT 规范 V1.0 中就已被定义，但今天几乎所有的 EtherCAT 网络仍然使用直接模式。实际上，大多数用户甚至从未听说过开放模式。
 

目前，相关规范仍可以在名为《ETG.1000.3 EtherCAT 规范第 3 部分——数据链路层服务定义》的文档中找到。

EtherCAT 直接模式

在直接模式下，一个 EtherCAT 段与主站连接，以太网帧中的 MAC 地址字段会被忽略。为了通信，所有 EtherCAT 从站都使用 EtherCAT 从站控制器（ESC），而主站使用标准的以太网端口。

 

直接模式是使用 EtherCAT 设备协议（EDP）的应用程序中的标准模式。这种模式不需要交换机，因为从站通常具有两个或更多端口，这些端口可以实现菊花链路或其他拓扑结构。在直接模式下，主站中的以太网控制器专用于 EtherCAT网络。

 

直接模式的一个关键优势是“即时处理”原则，这与从站中的极低延迟相结合，使得具有一毫秒及更快周期时间的硬实时测量和控制应用成为可能。由于从站中的硬件处理（由 EtherCAT 从站控制器处理），“传播延迟”在整个网络段中高度一致，且仅受温度波动的轻微影响。每个从站的总延迟最多为一微秒。

图1

 

EtherCAT 开放模式（EOM）

虽然直接模式通常因其高效和实时性能被广泛使用，但开放模式提供了更大的灵活性，可以通过标准交换设备与现有的 IT 基础设施集成。在 EtherCAT 开放模式（EOM）中，一个或多个 EtherCAT 段可以连接到标准（现有）的交换设备，如图2所示。当需要将 EtherCAT 网络集成到更大的共享IT 环境时，这种模式尤其有用。

 

要使用 EOM，首先主站必须支持 EOM 并在类似 EC-Engineer 这样的 EtherCAT 配置工具中进行相应的配置。每个段的第一个从站必须提供额外的功能，以便从主站访问 EtherCAT 段。这个第一个从站被称为“段地址设备”的原因。

 

主站必须支持并配置 EOM。 第一个设备，即“段地址设备”，提供从主站访问 EtherCAT 段的功能。EOM 的一个好处是，段地址设备之后的所有其他从站无需任何修改，就像在 EtherCAT 直接模式中一样工作。 EtherCAT 段中的第一个设备具有表示整个段的 ISO/IEC 8802-3 MAC 地址。这个设备有一个被称为“EOM 端口”的特性。EOM 端口将以太网帧中的目标地址字段替换为源地址字段，并将源地址字段替换为其自身的 MAC 地址。这样，如果帧遵循EtherCAT 的编码规则，在所有从站处理后将返回到主站。

 

如果这种帧通过 UDP 传输，EOM 端口将以与 MAC 地址相同的方式处理源和目标 IP 地址以及 UDP 源和目标端口号。这确保了响应帧完全符合 UDP/IP 协议标准。

 

此外，EOM 端口还保护段内的从站免受主站或通用以太网设备的未经授权访问。EtherCAT 开放模式还使用 EtherCAT 设备协议（EDP）通过交换网络在主站和从站之间进行通信。此外，其他协议（如 TCP/IP）也可以共享相同的 IT 基础设施。

 

网络建立者在 EtherCAT 开放模式中使用交换网络时需要认真考虑和知悉：开放模式提供了灵活性，使得 EtherCAT 能够与现有的 IT 基础设施集成。然而，由于所有以太网帧共享相同的基础设施，并且交换机通常以“存储转发”方式操作，这导致 EtherCAT 段内的延迟显著增加。这些延迟不一致且无法提前精确计算，这影响了最低可实现的周期时间。可实现的性能在很大程度上取决于具体的 IT 网络，其配置和当前的网络负载。

灵活性与延迟之间的关键权衡

灵活性：与现有 IT 基础设施集成，允许混合操作。 

延迟：由于共享基础设施和“存储转发”交换，导致更高且不一致的延迟。

周期时间影响：最低可实现的周期时间受网络配置和负载影响。

 

图2

 

EtherCAT 开放模式：通信类型

在 EOM 网络段中，通信类型可以设置为“RAW”或“UDP”。在同一个 IT 基础设施内，可以进行不同网络段的混合操作。

 

RAW： 这种通信类型通常适用于需要最小处理开销和最高性能的应用。RAW 通信直接利用以太网帧而无需额外封装，从而降低延迟。

 

UDP： 当需要与基于 IP 的网络兼容时，选择这种通信类型。通过在 UDP/IP 内封装 EtherCAT 帧，网络可以利用现有的 IP 路由和基础设施，提供更大的灵活性，但代价是更高的延迟。

通信类型：RAW

在 RAW 通信类型中，使用了 VLAN 标签。发送帧的目标 MAC 地址对应于 EtherCAT 段地址，并由段地址设备的 EOM 端口验证。一旦确认，帧将被路由到从站。
 

源 MAC 地址由主站的网络卡分配。EOM 端口然后交换源和目标地址，确保处理后的帧返回到主站。

发送帧：主站到从站

接收帧：从站到主站

通信类型：UDP

在 UDP 通信类型中，EtherCAT 帧被嵌入到 UDP/IP 帧中。在这种情况下，使用 IP 的 EtherType (0x0800)，目标端口号通常为 0x88A4，这是由互联网分配号码管理局（IANA）分配的。这种帧的最大长度为 1518 字节。

 

MAC 地址（目标和源）的处理与 RAW 通信类似，并相应地设置 IP 地址。在发送帧中，源字段包含主站的地址，而目标字段包含段地址设备（EOM 端口）的地址。对于接收帧，这些地址被交换，以确保正确路由回主站。

发送帧：主站到从站

接收帧：从站到主站

总结

EtherCAT 提供了两种运行模式：直接模式和开放模式，它们根据应用需求服务于不同的目的。

 

直接模式效率高，提供最小的延迟和实时性能，非常适合需要快速响应时间的控制应用。

 

而开放模式通过允许与标准 IT 基础设施集成，提供了更大的灵活性。根据实际需求和应用场景，可以选择最适合当前场景的模式。