文章目录

1. 简介
- 1.1 运动控制
- 1.2 实时以太
- 1.3 EtherCAT
2. EtherCAT原理介绍
- 2.1 实时性
- 2.2 端口管理
- 2.3 EtherCAT 络拓扑
- 2.4 EtherCAT 络协议栈
- 2.5 EtherCAT数据帧格式
- 2.6 EtherCAT设备寻址方式
- 2.7 分布式时钟(Distribute Clock)
- 2.8 应用层(Application Layer)
- 2.9 设备配置(Device Profile)
- 2.10 主站设计
- 2.11 从站设计
3. 应用层(Application Layer)
- 3.1
- 3.2 EtherCAT Slave Implementation (从站实现)
4. 应用实例
- 4.1 主站操作系统(RTAI)
- 4.2 主站EtherCAT程序(IGH)
- 4.3 主站应用开发(LinuxCNC)
- 4.4 ET1200
- 4.5 从站程序设计
- 4.6 实验测试
5. 工具
- 5.1 TwinCAT
- 5.2 LinuxCNC
- 5.3 开源的EtherCAT Master
参考资料

1. 简介

1.1 运动控制

运动控制系统处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及运动之间的协调，实现精确的位置控制、速度和加速度控制、转矩和力的控制等。

单轴的运动控制系统可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。

多轴运动控制系统可以分成点位控制、连续轨迹控制和同步控制。

典型的运动控制系统，从结构上看，包括上位机控制窗口、运动控制器、驱动器、电机以及测量反馈系统等几个部分组成：

(1)基于TCP/IP实现的工业以太仍使用TCP/IP协议栈，通过上层合理的控制来解决通信过程中的不确定因素。这种方式具有较高的传输速率，适应于大量数据通信，更适合作为关和交换设备的应用，不能实现很好的实时性。常用的通信控制方法有:合理调度，减少冲突的概率;定义帧数据的优先级，为实时数据分配最高优先级;使用交换式以太等。使用这种方式的典型协议有Modbus/TCP和Ethernet/IP等。
(2)基于以太实现的工业以太仍然使用标准的、未修改的以太通信硬件，但是不适用TCP/IP来传输数据。它使用特定的文进行传输。TCP/IP协议栈能使用时间控制层分发一定的时间片来利用络资源。该类协议主要有Ethernet Powerlink, EPA C Ethernet for Plant Automation ), PROFINET IRT等。通过这种方式可以实现较好的实时性。
(3)通过修改以太协议实现的工业以太，实现应答时间小于lms的硬实时，从站使用特定的硬件实现。由实时MAC控制实时通道内的通信，从根本上避免文间的冲突。非实时数据依然能在通道中按原协议通信。典型协议有德国倍福的EtherCAT、西门子的PROFINET IRT等。

1.3 EtherCAT

德国BECKHOFF自动化公司于2003年开发出的EtherCAT实时以太技术突破了其他以太解决方案的系统限制:通过该项技术，无需接受以太数据包，将之解码，然后再将过程数据复制到各个设备。

2. EtherCAT原理介绍

EtherCAT从站设备在文经过其节点时读取相应的数据文，同样输入数据也是在文经过时插入到文中。整个过程文只有几纳秒的时间延迟，实时性获得极大提高

EtherCAT作为一种工业以太总线，充分利用了以太的全双工特性。使用主从通信模式，主站发送文给从站，从站从中读取数据或将数据插入至从站。

可使用实现，
选用特定的ESC(EtherCAT Slave Controller)或者FPGA实现，

主要完成和两部分功能，EtherCAT物理层选用标准以太物理层器件。

从站能将收到的文直接处理，并读取或插入有关的数据，再将文发送给下一个EtherCAT从站。最末尾的EtherCAT从站返回处理完全的文，然后由第一个从站发送给主站。整个通信过程充运行于全双工模式下，TX线发出的文又通过RX线返回给主站:

所有数据帧都由Master发出，以事前严格定义的顺序，依次经过络上的所有从站，走过一个完整的闭环后回到Master 。
所有数据帧通过从站中的 EtherCAT Processing Unit （EtherCAT处理单元）只有 1 次。

线型拓扑：

任意数目的设备成线型连接
最多65535个设备

带有分支线的数据处理链型拓扑

实时星型拓扑：

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致络瘫痪。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太端口（无需专用卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可（见图7）。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。

EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。

2.4 EtherCAT 络协议栈

2.5 EtherCAT数据帧格式

EtherCAT数据直接嵌入在以太数据帧中进行传输，只是采用了一种特殊的帧类型，该类型为Ox88A4, EtherCAT数据帧结构如图所示：

字段

EtherCAT 寻址:

位置寻址

位置寻址方式是根据从站的连接顺序，即物理位置实现的。在文头的32bit地址中，前16bit的Position用于存放地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。文每经过一个从站设备，其Position中的地址值加1。当一个从站接收到EtherCAT 文后，如果文中的地址值为0，则该文就是这个从站要要接收的文。

上图是节点寻址方式的示意图。8个从站的地址与其在总线中的位置并没有关系。出于直观的目的，4台伺服驱动器的地址被设置为连续的，4个I/O模块的地址被设置为连续的，在实际中并没有这样的要求。

EtherCAT从设备可以有两个配置的站点地址，一个由主站分配（Configured Station Address），另一个存储在SII EEPROM，并且可以由从站应用程序更改（Configured Station Alias address）。

由主站在启动期间分配，并且不能由EtherCAT从站更改。存储在SIIEEPROM中，可由EtherCAT从站更改。必须由主站启用。如果节点地址（NodeAddress）与或匹配，将执行相应的命令操作。

逻辑寻址

EtherCAT的第三种寻址方式是逻辑寻址，首先需要了解的是FMMU。

FMMU(Fieldbus Memory Management Units)

FMMU称为总线内存管理单元，它存在与从站芯片ESC中，负责对从站物理地址与主站逻辑地址进行翻译并建立映射关系。主站在总线启动过程中对FMMU进行配置，内容包括：

在文中，使用文头的32bit地址的全部，用来表示大小为4GB的逻辑地址空间。

这种寻址方式的优点是，在主站想对每个从站进行访问的时候，只需要对逻辑空间中的地址进行操作，而无须关心该地址对应的从站物理地址，减轻了主站的负担。

所有器件读取和写入相同的逻辑4 GB地址空间（EtherCAT数据中的32位地址字段）。从器件使用映射单元（FMMU，现场总线存储器管理单元）将数据从逻辑过程数据映像映射到其本地地址空间。在启动期间，主器件配置每个从器件的FMMU。从站使用FMMU的配置信息知道逻辑过程数据映像的哪些部分必须映射到哪个本地地址空间。

逻辑寻址支持逐位映射。逻辑寻址是一种强大的机制，可以减少过程数据通信的开销，因此通常用于访问过程数据。

当从站设备收到的EtherCAT 文带有逻辑寻址标志位时，从站设备将检查自身是否有相应的FMMU单位地址与之匹配。

总结：EtherCAT使用三种方式对设备进行寻址，在启动过程中，使用顺序寻址方式为从站分配节点地址，然后通过节点寻址方式配置从站寄存器，将逻辑地址与从站物理地址进行映射，之后就可以使用逻辑寻址方式进行过程数据交换了。

Broadcast寻址

每个EtherCAT从站都被寻址。

使用广播寻址。如果从站的预期是相同的，用于所有从站的初始化和检查所有从站的状态。每个从器件具有一个16位Local地址空间:

通过EtherCAT数据的偏移字段寻址，过程数据。

2.7 分布式时钟(Distribute Clock)

通过分布式时钟精确的调整，系统可达到精确的同步。

定义一个参考时钟：

2.8 应用层(Application Layer)

应用层AL(Application Layer) 为用户与络之间提供接口，应用层在EtherCAT 通信协议层次结构中是与用户联系最紧密最直接的一层，它可以直接与用户进行交互，实现面对具体的应用程序和控制任务等功能， EtherCAT 应用层为各种服务协议与应用程序之间定义了接口，使其能够满足应用层所要求的各种协议共同工作的需求。

EtherCAT 作为络通信技术，支持CAN open 协议中的CiA402，以及 SERCOS 协议的应用层( 即 CoE 和SoE)等多种符合行规的设备和协议。

EtherCAT状态机设备和络的启动

邮箱接口和协议设备的存取变量异步传输

协议：

从站信息接口设备特征和配置信息

EtherCAT状态机

状态机构建于数据链路层
定义EtherCAT从站设备一般信息状态
指定对EtherCAT从站设备启用络时初始化和错误处理
状态和主从站之间通信关系相一致
从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层和应用层注册中

定义了五种状态：

EtherCAT实现以太 (EoE)

EtherCAT技术不仅完全兼容以太，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层络中包容其它基于以太的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特应用所普遍采取的方法。EtherCAT 络对以太设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变（参见图13）。

EtherCAT实现文件读取(FoE)

这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。

ADS over EtherCAT (AoE)

ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过关设备访问子络，如EtherCAT至CANopen或EtherCAT至IO-Link 关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen或 IOLink站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE 文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT 络诊断信息的标准化方法。

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EtherCAT (学习笔记)