EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), endüstriyel otomasyon sistemlerinde gerçek zamanlı iletişim standardı olarak öne çıkmaktadır. Bu makalede protokolün çok eksenli kontrolde neden işe yaradığını ve kendi tezgâhımızda ölçtüğümüz performans verilerini paylaşıyoruz.
EtherCAT Temel Mimari
EtherCAT, Ethernet çerçevelerinin her slave cihazdan geçerken işlendiği "on the fly" işleme mimarisine dayanır. Tek bir çerçeve tüm hattı dolaşır; her slave kendine adreslenmiş veriyi çerçeve geçerken okur ve geri dönecek veriyi aynı çerçeveye yazar. Bu, her cihaza ayrı paket gönderen protokollere kıyasla belirgin bir bant genişliği avantajı sağlar. Hat üzerinde switch bulunmaz — gecikme ve donanım maliyeti bu sayede düşer.
"On the fly" işleme yazılımla yapılamaz; slave tarafında ESC (EtherCAT Slave Controller) adı verilen ASIC bir donanım gerekir. Bu donanım iki RJ45 portu arasında oturur ve master'ın gönderdiği hafıza okuma/yazma komutlarını icra eder.
Tezgâhımız
- Master: TI Sitara AM572x IDK (PRU-ICSS çıkışı)
- Master işletim sistemi: TI-RTOS
- Master stack: Acontis EC-Master v3.2 (Class B)
- Slave: TI Delfino TMS320F28388D, Beckhoff SSC v5.13
- Hat: 100 Mb/s full duplex
Master cihazı olarak PRU-ICSS çıkışı olan bir kart seçilmesinin sebebi, hattaki gecikmenin düşmesi ve kararlılığın artmasıdır.
Ölçüm Sonuçları
1 slave ve 64 byte çift yönlü veri ile:
- Ortalama iletim gecikmesi: 19,2 µs (10 kHz döngüde)
- Yazılım yükü dahil toplam: 25,5 µs
- Jitter (slave senkron hatası): en fazla 1 µs
- Paket kaybı: %0
Döngü frekansını 1 kHz'den 10 kHz'e çıkarmak ortalama gecikmeyi 19,7 µs'den 19,2 µs'ye taşıyor — pratikte sabit. Kontrol çevrimini hızlandırmanın gecikme tarafında bir bedeli yok.
Hattı Neler Belirler
Veri boyutu baskın etkendir: 32 byte'ta 18,0 µs, 512 byte'ta 34,1 µs. Sürenin çoğunluğu hat üzerindeki iletimde geçer, dolayısıyla PDO haritasını sadeleştirmek doğrudan zaman kazandırır.
Hat hızı ikinci sıradadır. Test sisteminde 100 Mb/s kullanılıyor ve slave ESC'si de bu hızla sınırlı; Gb/s bir arayüz iletim süresini doğrudan aşağı çeker.
Slave sayısının etkisi ise beklenenden küçük: eşit toplam veri yükünde ikinci slave ortalama gecikmeye yalnızca 0,1 µs ekliyor. Acontis slave başına yaklaşık 1 µs veriyor; bizim ölçümümüz bunun altında kaldı.
Çerçeve limiti dikkat edilmesi gereken tek eşiktir: tek bir EtherCAT çerçevesi en fazla 1.498 byte veri taşır. Çift yönlü veri bu sınırı aşarsa iletim iki çerçeveye bölünür ve yüksek frekansta yeterli aralık kalmazsa paketler kaybolur. 1 slave / 1024 byte testinde frekansı 6,6 kHz'e düşürmek gerekti.
Kapsam Notu
Kullanılan master stack Class B'dir ve dağıtılmış saat (DC) kullanmaz; bu nedenle DC senkron rakamı yayınlamıyoruz. Sonuçlar nihai değildir — kullanılan karta, çalışan koda ve hat yapısına göre değişir.