DE102020212396B3

DE102020212396B3 - Verfahren zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen von einem EtherCAT-Master an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves und EtherCAT-Master

Info

Publication number: DE102020212396B3
Application number: DE102020212396.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Boese; Dirk Düsterberg; André Lange; Thorsten Niemann; Dominik Weper
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2040-10-01

Abstract

Verfahren zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen von einem EtherCAT-Master (10) an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves (20),- wobei der EtherCAT-Master (10) eine Media Access Control (MAC)-Einheit (11) zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss (12) aufweist,- wobei die MAC-Einheit (11) bei einem Sperr-Pegel eines Signals an dem CRS-Anschluss (12) keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen initiiert und die MAC-Einheit (11) bei einem Freigabe-Pegel des Signals an dem CRS-Anschluss (12) eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen initiiert, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme vorhanden sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:- Erzeugen eines Taktsignals (TS) an dem CRS-Anschluss (12), wobei das Taktsignal (TS) abwechselnd den Sperr-Pegel und den Freigabe-Pegel aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen von einem EtherCAT-Master an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves und einen EtherCAT-Master.
Aus der Druckschrift WO 2020/172403 A1 ist ein EtherCAT Master bekannt, der einen Standard Ethernet MAC ohne zusätzlichen Kommunikationsprozessor verwendet.
Aus der Firmenschrift TEXAS INSTRUMENTS: EtherCAT® Master Reference Design for AM335x CPSW. Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265, 2016, Seiten 1 bis 16 ist ein EtherCAT Master Referenzdesign für den Sitara AM335x Common Platform Ethernet Switch bekannt. Der Ethernet MAC des Sitara AM335x weist ein Media Independent Interface auf.
Aus der Veröffentlichung DOPATKA, F.; WISMÜLLER, R.: Design of a Realtime Industrial-Ethernet Network including Hot-Pluggable Asynchronous Devices. IN: IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2007, Seiten 1826 - 1831, ISBN: 1-4244-0755-9 ist ein Ethernet Switch für die Übertragung sowohl von Echtzeit- als auch von Nicht-Echtzeit-Datenpaketen bekannt. Die Weiterleitung von Nicht-Echtzeit-Datenpaketen durch den Switch erfolgt hierbei in einem Store-And-Forward-Betriebsmodus. Dabei verwendet der Switching Core das CRS-Signal, um die Übertragung vom I/O-FIFO zu verzögern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen von einem EtherCAT-Master an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves zur Verfügung zu stellen und einen EtherCAT-Master zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst Jitter-arme Datenübertragung ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen, beispielsweise in Form so genannter EtherCAT-Frames, die Prozessdaten enthalten, von einem EtherCAT-Master an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves. Die Anzahl kann beispielsweise zwischen 1 und einer im EtherCAT-Standard möglichen Anzahl an Slaves liegen.
Der EtherCAT-Master weist eine herkömmliche Media Access Control (MAC)-Einheit zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die MAC-Einheit initiiert bei einem Sperr-Pegel bzw. Sperr-Zustand eines Signals an dem CRS-Anschluss keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen bzw. EtherCAT-Frames. Die MAC-Einheit initiiert bei einem Freigabe-Pegel bzw. Freigabe-Zustand des Signals an dem CRS-Anschluss eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen bzw. EtherCAT-Frames, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme bzw. EtherCAT-Frames vorhanden sind. Insoweit sei ebenfalls auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf.
Es wird ein Taktsignal an dem CRS-Anschluss erzeugt, wobei das Taktsignal abwechselnd den Sperr-Pegel und den Freigabe-Pegel aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Taktsignal ein periodisches Signal.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Taktsignal ein pulsweitenmoduliertes Signal.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine Periodendauer des Taktsignals in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 10 ms.
Gemäß einer Ausführungsform ist die MAC-Einheit in einem Halb-Duplex-Modus konfiguriert.
Der EtherCAT-Master ist dazu ausgebildet, ein oben beschriebenes Verfahren auszuführen.
Der EtherCAT-Master weist eine herkömmliche Media Access Control (MAC)-Einheit zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss auf.
Die MAC-Einheit initiiert bei einem Sperr-Pegel eines Signals an dem CRS-Anschluss keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen bzw. EtherCAT-Frames. Die MAC-Einheit initiiert bei einem Freigabe-Pegel des Signals an dem CRS-Anschluss eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen bzw. EtherCAT-Frames, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme bzw. EtherCAT-Frames vorhanden sind.
Der EtherCAT-Master weist weiter eine Timer-Einheit auf, die dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal an den CRS-Anschluss anzulegen, wobei das Taktsignal abwechselnd den Sperr-Pegel und den Freigabe-Pegel aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform weist der EtherCAT-Master weiter einen herkömmlichen Physical Layer Transceiver auf, der getrennt von der Timer-Einheit ausgebildet ist.
Bei der EtherCAT-Datenkommunikation findet im DC-synchronen Betrieb ein zyklischer Austausch von Prozessdaten zwischen dem EtherCAT-Master und den angeschlossenen EtherCAT-Slaves statt. Zu diesem Zweck sendet der EtherCAT-Master mit einer festen Zykluszeit, z.B. jede ms, ein oder mehrere EtherCAT-Telegramme bzw. einen oder mehrere EtherCAT-Frames, die beispielsweise Prozessdaten enthalten. Das oder die gesendeten EtherCAT-Telegramme bzw. der oder die gesendeten EtherCAT-Frames durchläuft/durchlaufen sequentiell alle angeschlossenen EtherCAT-Slaves. Während des EtherCAT-Telegramm- bzw. EtherCAT-Frame-Durchlaufs findet innerhalb der Slaves ein Austausch der Sende- und Empfangsdaten statt.
Damit dies reibungslos möglich ist, muss der EtherCAT-Slave vor dem Durchlauf des EtherCAT-Telegramms bzw. EtherCAT-Frames ausreichend Zeit haben, um seine Sende-Prozessdaten bereitzustellen, und nach dem Durchlauf des EtherCAT-Telegramms bzw. EtherCAT-Frames ausreichend Zeit haben, um Empfangs-Prozessdaten in Echtzeit zu verarbeiten.
Werden die Sendedaten zu spät bereitgestellt, so erhält der EtherCAT-Master veraltete Daten aus dem vorherigen Zyklus. Werden die Empfangsdaten zu spät empfangen, so arbeitet der EtherCAT-Slave mit veralteten Sollwerten aus dem vorherigen Zyklus.
Beide Fälle sind in einer laufenden Anlage unerwünscht und führen in der Regel zu Störungen. Bei Servoantrieben kann es z.B. zu „Knack“-Geräuschen oder Momenten-Sprüngen kommen. Ist der Versand des EtherCAT-Frames mit einem Jitter behaftet, d.h. der Sendezeitpunkt des EtherCAT-Masters schwankt innerhalb des Zyklus hin und her, so muss diese Schwankungsbreite innerhalb des EtherCAT-Slaves berücksichtigt werden. Das bedeutet, der EtherCAT-Slave muss seine Sendedaten bereits vor dem frühestmöglichen Frame-Sendezeitpunkt bereitgestellt haben und muss auch nach dem spätestmöglichen Frame-Sendezeitpunkt noch in der Lage sein, die Daten rechtzeitig zu verarbeiten. Je größer der Jitter ist, desto mehr Zeit geht dem EtherCAT-Slave daher verloren bzw. es entstehen zusätzlich Latenzzeiten im System.
Standard Ethernet MACs unterstützen einen Halbduplex-Modus. In diesem Modus prüft der MAC das Carrier Sense Signal, ob er ein Ethernet Paket versenden darf. Das Carrier Sense Signal weist einen Sperr-Pegel auf, sobald eine Kommunikation auf dem Medium stattfindet.
Hierdurch (und durch eine Kollisionserkennung) wird vermieden, dass bei einer Point-2-Point Verbindung beide Teilnehmer gleichzeitig den Bus belegen.
Bei EtherCAT wird allerdings im Vollduplex-Modus kommuniziert. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, mittels des Carrier Sense Signals an den MAC Ethernet-Pakete bzw. Ethernet-Telegramme zurückzuhalten und zu einem späteren Zeitpunkt zu versenden. Dieser Zeitpunkt kann durch ein Erzeugen des Carrier Sense Signals mit einem Freigabe-Pegel ausgelöst werden.
Eine einfache Timer Einheit (z.B. PWM) kann hierfür genutzt werden, um einen hochgenauen Versendezeitpunkt des zuvor in den FIFO des MACs geschriebenen Paketes festzulegen.
Mittels der Erfindung wird ein echtzeitfähiger Ethernet MAC mit Standardkomponenten ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 hoch schematisch ein Blockschaltbild eines EtherCAT-Masters und von EtherCAT-Slaves und
2 einen zeitlichen Ablauf von Signalen und EtherCAT-Telegrammen.

1 zeigt hoch schematisch ein Blockschaltbild eines EtherCAT-Masters 10 und von EtherCAT-Slaves 20, die miteinander Daten austauschen.
Der EtherCAT-Master 10 weist eine herkömmliche Media Access Control (MAC)-Einheit 11 zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss 12 auf.
Die MAC-Einheit 11 initiiert bei einem Sperr-Pegel Z1, siehe 2, eines Signals an dem CRS-Anschluss 12 keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen 1, siehe 2, und initiiert bei einem Freigabe-Pegel Z2, siehe 2, des Signals an dem CRS-Anschluss 12 eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen 1, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme 1 vorhanden sind.
Der EtherCAT-Master 10 weist weiter eine Timer-Einheit 13 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal TS, siehe 2, an den CRS-Anschluss 12 anzulegen, wobei das Taktsignal TS abwechselnd den Sperr-Pegel Z1 und den Freigabe-Pegel Z2 aufweist.
Der EtherCAT-Master 10 weist weiter einen Physical Layer Transceiver 15 auf, der getrennt von der Timer-Einheit 13 ausgebildet ist.
Der EtherCAT-Master 10 weist weiter herkömmliche Schnittstellenkomponenten 16 zum Datenaustausch mit den EtherCAT-Slaves 20 und einen EtherCAT Anschluss 14 auf, beispielsweise in Form eines RJ45-Anschlusses.
2 zeigt einen zeitlichen Ablauf des Signals TS und von EtherCAT-Telegrammen bzw. EtherCAT-Frames 1 im Zuge der Datenübertragung zwischen dem EtherCAT-Master 10 und den EtherCAT-Slaves 20.
Wie in 2 gezeigt, weist das Taktsignal TS abwechselnd den Sperr-Pegel Z1 und den Freigabe-Pegel Z2 auf.
Das Taktsignal TS ist ein periodisches, pulsweitenmoduliertes Signal, wobei eine Periodendauer des Taktsignals TS in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 10 ms liegt. Der Freigabe-Pegel Z2 kann so lange anliegen, wie es für eine typische EtherCAT-Telegrammübertragung bzw. EtherCAT-Frame-Übertragung notwendig ist.
Wie aus 2 hervorgeht, sendet der EtherCAT-Master 10 seine EtherCAT-Telegramme bzw. EtherCAT-Frames 1 synchron zu dem Taktsignal TS, so dass im Ergebnis eine äußerst jitterarme Übertragung der EtherCAT-Telegramme bzw. EtherCAT-Frames 1 zwischen dem EtherCAT-Master 10 und den EtherCAT-Slaves möglich ist.

Claims

Verfahren zum Versenden von EtherCAT-Telegrammen (1) von einem EtherCAT-Master (10) an eine Anzahl von EtherCAT-Slaves (20), - wobei der EtherCAT-Master (10) eine Media Access Control (MAC)-Einheit (11) zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss (12) aufweist, - wobei die MAC-Einheit (11) bei einem Sperr-Pegel (Z1) eines Signals an dem CRS-Anschluss (12) keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen (1) initiiert und die MAC-Einheit (11) bei einem Freigabe-Pegel (Z2) des Signals an dem CRS-Anschluss (12) eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen (1) initiiert, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme (1) vorhanden sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Erzeugen eines Taktsignals (TS) an dem CRS-Anschluss (12), wobei das Taktsignal (TS) abwechselnd den Sperr-Pegel (Z1) und den Freigabe-Pegel (Z2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das Taktsignal (TS) ein periodisches Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - das Taktsignal (TS) ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Periodendauer des Taktsignals (TS) in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 10 ms liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die MAC-Einheit (11) in einem Halb-Duplex-Modus konfiguriert ist.
EtherCAT-Master (10), der dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, aufweisend: - eine Media Access Control (MAC)-Einheit (11) zur Medienzugriffssteuerung mit einem Carrier Sense (CRS)-Anschluss (12), - wobei die MAC-Einheit (11) bei einem Sperr-Pegel (Z1) eines Signals an dem CRS-Anschluss (12) keine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen (1) initiiert und die MAC-Einheit (11) bei einem Freigabe-Pegel (Z2) des Signals an dem CRS-Anschluss (12) eine Übertragung von EtherCAT-Telegrammen (1) initiiert, sofern zu übertragende EtherCAT-Telegramme (1) vorhanden sind, und - eine Timer-Einheit (13), die dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal (TS) an den CRS-Anschluss anzulegen, wobei das Taktsignal (TS) abwechselnd den Sperr-Pegel (Z1) und den Freigabe-Pegel (Z2) aufweist.
EtherCAT-Master (10), nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der EtherCAT-Master (10) weiter aufweist: - einen Physical Layer Transceiver (15), der getrennt von der Timer-Einheit (13) ausgebildet ist.