原標(biāo)題：帶你看工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展歷程，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解

計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，從六十年代末ALOHA的出現(xiàn)到九十年代中期1000Mbps交換式以太網(wǎng)的登臺(tái)亮相，短短的三十年間經(jīng)過(guò)了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從昂貴到普及的飛躍。

八十年代中后期，由于通信量的急劇增加，促使技術(shù)的發(fā)展，使局域網(wǎng)的性能越來(lái)越高，最早1Mbps速率已廣泛地被今天的100Base-TX替代，但是，傳統(tǒng)的媒體訪問(wèn)方法都局限于使大量的站點(diǎn)共享對(duì)一個(gè)公共傳輸媒體的訪問(wèn)，即CSMA/CD。

九十年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及通信量的劇增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)已經(jīng)超出了自身的負(fù)荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。與現(xiàn)在基于網(wǎng)橋和路由器的共享媒體的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能顯著地增加帶寬。交換技術(shù)的加入，就可以建立地理位置相對(duì)分散的網(wǎng)絡(luò)，使局域網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口可平行、安全、同時(shí)地互相傳輸信息，而且使局域網(wǎng)可以高度擴(kuò)充。

局域網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展要追溯到兩端口網(wǎng)橋。橋是一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來(lái)連接相似的局域網(wǎng)。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)看，橋是屬于DCE級(jí)的端到端的連接；從協(xié)議層次看，橋是在邏輯鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網(wǎng)橋幾乎是和以太網(wǎng)同時(shí)發(fā)展的。以太網(wǎng)交換技術(shù)（Switch）是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上于九十年代初發(fā)展起來(lái)的，實(shí)現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，與網(wǎng)橋有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，甚至被業(yè)界人士稱為“許多聯(lián)系在一起的網(wǎng)橋”，因此現(xiàn)在的交換式技術(shù)并不是什么新的標(biāo)準(zhǔn)，而是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用而已，是一種改進(jìn)了的局域網(wǎng)橋，與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更強(qiáng)的管理功能以及更便宜的價(jià)格。

EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，專為實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它由德國(guó)貝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，并且是一個(gè)開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由EtherCAT技術(shù)集團(tuán)（ETG）進(jìn)行維護(hù)和推廣。

1. 工作原理：EtherCAT的工作原理基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，但它采用了一種獨(dú)特的通信方式，突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制，使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是通過(guò)一個(gè)環(huán)形或線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞的，每個(gè)從站（slave）設(shè)備都會(huì)讀取它需要的數(shù)據(jù)，然后立即將數(shù)據(jù)包傳遞給下一個(gè)從站，這個(gè)過(guò)程稱為“在通過(guò)時(shí)處理”（processing on the fly）。

2. 幀格式：EtherCAT使用以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，但在幀內(nèi)部采用了特殊的封裝方法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

3. 主從架構(gòu)：一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主站（master）控制，它負(fù)責(zé)初始化通信并處理所有的數(shù)據(jù)交換。

4. 數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)交換是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)邏輯環(huán)（logical ring）完成的，每個(gè)從站都會(huì)根據(jù)自己的地址從幀中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

5. 分布式時(shí)鐘：EtherCAT支持分布式時(shí)鐘（distributed clocks），這是一種同步機(jī)制，用于在網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備之間同步時(shí)間。

6. 診斷功能：EtherCAT診斷能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的以太網(wǎng)。必要的診斷信息可以由EtherCAT通信芯片（ESC）直接在硬件或在軟件功能中提供，從站無(wú)需特殊的擴(kuò)展功能。

EtherCAT技術(shù)具備以下特點(diǎn)：

• 高速數(shù)據(jù)傳輸：EtherCAT能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，通常情況下，它使用100Mbit/s或1Gbit/s的以太網(wǎng)速度。

• 高有效數(shù)據(jù)率：數(shù)據(jù)包在通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)被即時(shí)處理，而不需要等待整個(gè)數(shù)據(jù)幀被接收完畢。由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。

• 低通信延遲：由于其獨(dú)特的通信機(jī)制，EtherCAT可以實(shí)現(xiàn)極低的通信延遲，通常在微秒級(jí)別。

• 靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>：EtherCAT支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括線性、樹(shù)狀、星形或任意組合。

• 簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：EtherCAT擁有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不需要使用交換機(jī)或集線器，節(jié)點(diǎn)之間可以直接串聯(lián)。

• 良好的開(kāi)放性：EtherCAT技術(shù)具備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的一切特性，不僅完全兼容以太網(wǎng)，還可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議。

EtherCAT廣泛應(yīng)用于需要高速、實(shí)時(shí)通信的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，例如機(jī)器人控制、動(dòng)控制系統(tǒng)、包裝機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、汽車組裝線等。EtherCAT作為一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)其高速、低延遲和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中提供了可靠和高效的解決方案。

綜上所述，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其獨(dú)特的工作原理和顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，EtherCAT的應(yīng)用范圍預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)大。