診斷特性對(duì)于一個(gè)機(jī)器的可靠性和調(diào)試時(shí)間非常重要。除了錯(cuò)誤檢測(cè)外，錯(cuò)誤的準(zhǔn)確定位也不容忽視。EtherCAT 在其系統(tǒng)內(nèi)部擁有多種不同的診斷功能。
在 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中，從設(shè)備( EtherCAT從站控制器)通過硬件芯片中的專用實(shí)時(shí)組件，根據(jù)拓?fù)涞捻樞蛱幚硪蕴W(wǎng)幀。從站設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)定義的 ISO/OSI 堆棧的所有層中都有診斷機(jī)制。主站的配置工具分別從獨(dú)立的從站中獲取到狀態(tài)信息，直接報(bào)告給用戶使用的應(yīng)用軟件。
圖1：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀通過ESC(EtherCAT從站控制器)進(jìn)行邏輯傳輸
圖2：EtherCAT 可以在系統(tǒng)內(nèi)部的 IOS/OSI 堆棧的所有層實(shí)現(xiàn)診斷
物理層的診斷
物理層包括用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的線纜和接頭。每個(gè) ESC 端口處理傳輸給用戶相關(guān)信息，從而檢測(cè)硬件級(jí)的通信。除了其他不同的錯(cuò)誤外，如果 ESC 端口檢測(cè)到鏈路丟失，則相關(guān)的鏈路丟失計(jì)數(shù)器值增加。這種情況可能由于接觸不良、不足或者線纜損壞等原因引起。通過讀取相應(yīng)的寄存器可精確定位來自物理介質(zhì)的干擾。
另一種診斷特性是傳入的數(shù)據(jù)幀的 CRC 校驗(yàn)(校驗(yàn)總和)。如果損壞的數(shù)據(jù)幀被標(biāo)記毀壞，幀中包含的數(shù)據(jù)會(huì)被忽略，CRC 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器值增加。后續(xù)的設(shè)備也會(huì)忽略該幀中的數(shù)據(jù)，且增加轉(zhuǎn)發(fā) CRC 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值。CRC 錯(cuò)誤一般是由于通信線纜過于靠近電力線纜，從而導(dǎo)致 EMC 干擾產(chǎn)生的。用戶通過讀取上述兩個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器便可以檢測(cè)到可能出現(xiàn) EMC 干擾通迅的位置。
數(shù)據(jù)鏈路層的診斷
數(shù)據(jù)鏈路層保證了 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)中 EtherCAT 參與者之間的數(shù)據(jù)交換。該數(shù)據(jù)交換可以是非周期性或周期性的。周期性數(shù)據(jù)交換還會(huì)被用于多個(gè)分布式參與者的周期同步控制。在從站設(shè)備中，中斷或看門狗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交換和同步。
在數(shù)據(jù)鏈路層中工作計(jì)數(shù)器是一個(gè)強(qiáng)有力的診斷機(jī)制。該計(jì)數(shù)器隨著讀或?qū)懨钜煌瑐鬏?。如果每個(gè)從站成功的進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換，則計(jì)數(shù)器增加。主站通過對(duì)比實(shí)際的和預(yù)計(jì)的計(jì)數(shù)器值，便可以檢測(cè)到在同一周期中所有從站的數(shù)據(jù)是否被正確處理，還是有個(gè)別報(bào)文尚未傳輸。該工作計(jì)數(shù)器通知不同的可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，例如，由于鏈接丟失或者內(nèi)部硬件中斷而導(dǎo)致一個(gè)從站不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的情況。對(duì)于過程數(shù)據(jù)配置或通信時(shí)序的參數(shù)化問題也可以使用這種檢測(cè)方式。工作計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤可被傳輸?shù)揭粋€(gè)上層應(yīng)用中(例如 PLC 程序)，因此工程師可以在軟件中編譯一個(gè)合適的響應(yīng)。
對(duì)于高精度同步的應(yīng)用，可以在EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中采用分布時(shí)鐘(DC)機(jī)制。對(duì)于這種數(shù)據(jù)鏈路層功能也有不同的診斷機(jī)制。每個(gè)從站包括一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間差值寄存器，寄存器的值是每個(gè)從站的本地時(shí)間和全局時(shí)間的差值。主站通過讀取使用分布時(shí)鐘的所有從站的這個(gè)寄存器的值，從而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的同步的精確性，并在出現(xiàn)違規(guī)操作時(shí)通知用戶。
因?yàn)?EtherCAT 使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可以用免費(fèi)的軟件(如Wireshark)進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)。這種方式下，EtherCAT 整個(gè)數(shù)據(jù)幀及其所有報(bào)文都能被報(bào)告，顯示和分析。
圖3：通過讀取鏈路丟失計(jì)數(shù)器可以準(zhǔn)確定位硬件級(jí)別的錯(cuò)誤
圖4：每個(gè)端口對(duì)傳入數(shù)據(jù)幀進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，并在必要的情況下增加錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器數(shù)值
應(yīng)用層的診斷
每個(gè)從站的應(yīng)用層實(shí)施了獨(dú)立的功能，如：讀取溫度信號(hào)，控制氣動(dòng)伺服閥或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在此，EtherCAT 狀態(tài)機(jī)提供重要的診斷信息來組織主站和從站之間的行為。每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)幾個(gè)通信功能。主站請(qǐng)求狀態(tài)改變，從站則確認(rèn)或者拒絕狀態(tài)改變。如果在初始化階段出現(xiàn)配置錯(cuò)誤或內(nèi)部運(yùn)行時(shí)出錯(cuò)，從站會(huì)拒絕態(tài)轉(zhuǎn)換或內(nèi)部改變到低級(jí)別狀態(tài)中，并設(shè)定一個(gè)錯(cuò)誤位和提供一個(gè)錯(cuò)誤代碼。比如，當(dāng)過程數(shù)據(jù)在主站和從站的配置不同時(shí)，從站會(huì)拒絕狀態(tài)改變至 Safe operational 并提供錯(cuò)誤代碼“無效的輸入配置”。又例如，當(dāng)從站超過一定時(shí)間沒有接收到有效過程數(shù)據(jù)時(shí)，該從站則將狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 Safe operational，并報(bào)告錯(cuò)誤“過程數(shù)據(jù)看門狗”。主站通過一個(gè)廣播命令周期性地讀取應(yīng)用層狀態(tài)從而監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
圖5：EtherCAT主站可以通過工作計(jì)數(shù)器輕松且周期同步的檢測(cè)錯(cuò)誤。
圖6：EtherCAT在應(yīng)用層的診斷。
除了通過 EtherCAT 狀態(tài)機(jī)進(jìn)行核心的診斷功能外，EtherCAT 設(shè)備還可以報(bào)告特殊的內(nèi)部應(yīng)用錯(cuò)誤。這些取決于從站的個(gè)別功能：可以是一個(gè)模擬量輸入端子的過電壓，超過驅(qū)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩限制或者一個(gè)內(nèi)部的超溫報(bào)警。CAN application protocol over EtherCAT(CoE)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的用于非周期參數(shù)訪問的 EtherCAT 協(xié)議，該協(xié)議定義了診斷歷史對(duì)象(類似于錯(cuò)誤寄存器)。在這些對(duì)象設(shè)備中可以記錄并保存多達(dá) 250 個(gè)應(yīng)用的特定診斷信息，主站讀取信息并報(bào)告給用戶。
總結(jié)
EtherCAT 通信的所有層中都有獨(dú)特的EtherCAT 診斷功能，因此它提供了一個(gè)完整且詳盡的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)概覽。這些功能已經(jīng)包含在 EtherCAT 協(xié)議中，主站需要很少的額外命令就可以實(shí)現(xiàn)。EtherCAT 診斷機(jī)制可以在硬件中實(shí)施或在 EtherCAT 基礎(chǔ)規(guī)范中定義：因此所有類似的 EtherCAT 設(shè)備都保證了其全部相關(guān)功能。
