磁致伸缩位移传感器Ethercat协议使用要点 - 技术支持 - 深圳市易测电气有限公司

    一. EtherCAT 协议概述

EtherCAT可以支持线形、树形和星形设备连接拓扑结构，物理介质可以选100Base-TX标准以太网电缆或光缆。使用100Base-TX电缆时站间间距可以达到100m。整个网络最多可以连接65535个设备。使用快速以太网全双工通信技术构成主从式的环形结构。

从站设备可以构成多种形式的分支结构，独立的设备分支可以放置于控制柜中或机器模块中，再用主线连接这些分支结构。 EtherCAT大大提高了现场总线的性能，例如，控制1000个开关量输入和输出的刷新时间约为30μs。单个以太网数据帧最多可容纳1486字节的数据，相当于12000位开关量数字输入和输出，刷新时间约为300μs。控制100个伺服电机的数据通信周期约为100μs。

二. EtherCAT 系统组成

实时工业以太网EtherCAT充分利用了以太网技术的全双工传输特性。使用主从模式进行访问控制，主站把数据帧发送给各个从站，每个从站从数据帧中读取自己的数据或把需要输入的数据插入数据帧中。

EtherCAT通信是由主站发起的，主站发出的数据帧传输到一个从站站点时，从站将解析数据帧，每个从站从对应报文中读取输出数据，并将输入数据嵌入到子报文中，同时修改工作计数器WKC的值，以标识从站己处理该报文。网段末端的从站处理完报文后，将报文转发回主站，主站捕获返回的报文并对其进行处理，完成一次通讯过程。一个通讯周期过程中，报文传输延时大概为几个纳秒，克服了传统以太网先对数据包进行解析，再复制成过程数据而造成通讯效率低的缺陷。EtherCAT系统运行原理如图所示。

2.2 主站组成

EtherCAT主站运行需具备以下几个基本功能：

(2)捕获和发送EtherCAT数据帧，完成EtherCAT子报文解析、打包等

(4)可进行非周期性数据通信，完成系统参数配置，处理通讯过程中突发事件

在EtherCAT系统的通信过程中，从站采用专用的从站协议控制器（EtherCAT Slave Controller ， ESC)来高速动态地(on-the-fly)处理网络通信数据。系统通信的整个过程中，网络数据的处理都在从站协议控制器内部有硬件完成，真是因为整个通信过程有硬件实现，所以通信网络的性能并不取决于从站使用的是什么微处理器及其性能，因为所有的通讯过程都是在从站控制器的硬件中完成的;过程数据接口为从站应用层提供了一个双端口随机存储器（ Dual-Port-RAM, DPRAM）来实现数据交换。EtherCAT从站提供网络数据通信和控制任务功能，从站结构如图所示。

    在由EtherCAT工业以太网现场总线组成的工业控制系统中，系统的通信是由主站发起的并通过过程数据通信控制从站设备的工作状态，继而完成系统任务。这些在工业现场的EtherCAT从站设备可以直接接受来自工业以太网中的网络数据报文。而且还能从网络数据报文中提取出主站设备发送给各个从站设备的控制信息和命令，并且插进与自己相关的本地工业现场设备的用户信息及采集的数据，然后在本地从站设备对以太网数据帧处理完成之后再将这个以太网数据报文传输到下EtherCAT从站设备当中重复在上一个从站设备中的操作，当这个以太网数据报文传送到最后一个工业现场设备的EtherCAT从站并且完成相应的操作的时候，在将这个以太网数据报文按原来的路线发送回去，最后由工业现场里第一个EtherCAT从站设备将这个被所有从站设备操作过的网络数据报文作为响应报文发送给自动化控制系统的主站(即控制 单元)。整个通信过程中充分利用了以太网全双工处理网络数据的通讯特点。

ESC传输过程：

每个ESC都有四个数据收发端口，并且均可以接收发送以太网帧。

3.1 EtherCAT协议

EtherCAT 的处理主要是ESC 内部的硬件来完成，因此，其硬件处理能力决定了数据的处理速度。

2. 源地址：发送方MAC地址

4. EtherCAT帧头:

1）EtherCAT子报文:

子报文数据段可根据需求嵌入 CoE、SoE等协议数据格式。

2）子报文数据帧格式:

3）命令码说明：

6. FCS:帧校验

EtherCAT 无 IP协议，但可将其封装在IP/UDP协议中。EtherCAT UDP 协议适用于实时性能要求不是很严格的场合。            
四. EtherCAT 寻址方式和通讯服务

EtherCAT 主站与网段之间存在着不同的寻址方式，利用太网数据帧头西南科技大学硕士研究生论文 第13 页部的 MAC 地址来寻址就是EtherCAT 网段寻址。

开发模式：主站设备通过以太网交换机与EtherCAT 网段进行连接，网段即可使用EtherCAT数据帧当中的目的地址来作为MAC 地址。

直连模式：主站设备通过与EtherCAT网段的直接端口连接来对对MAC地址进行广播。

4.2 设备寻址

在进行设备寻址过程中，各个报文只能够寻址唯一的从站设备，寻址设备的机制有以下两种：

实际使用时，主站会在启动阶段使用顺序寻址方式将地址分配给各个从站。使用顺序寻址可以让一些跟位置没有关系的地址自动变成从站的地址。

4.3 逻辑寻址

逻辑寻址方式是通过FMMU(现场总线内存管理单元)来实现，FMMU的功能存在于各个ESC内部，把从站的本地物理存储地址通过映射与网段内逻辑地址匹配。主站设备会在数据链路启动过程中将配置好的FMMU单元传送至从站设备。各个FMMU单元的配置信息包括：数据逻辑位起始地址、表示映射方向(输入或输出)、位长度、从站物理内存起始地址的类型位，从站设备内的数据与主站的逻辑地址都存在按位的映射关系。

4.4 通信服务和WKC

每一个从站的EtherCAT 数据报都具有一个16 位的工作计数器(WKC)。该工作计数器用以记录EtherCAT 数据报成功访问(正确寻址到从站并成功访问到数据存储区)的从站个数。EtherCAT 从站控制器将工作计数器硬件递增。各个从站数据报中计数器预期值的计算应当由主站程序中的模块来完成。在接收到返回数据帧后，主站会与WKC 比较，如果不一样，说明该报文有问题。子报文中工作计数器的值是与通信服务、寻址地址相关联。报文每读或写一次数据，WKC 的值就加1，同时读写时，读成功后WKC 得值加1，写成功后WKC 的值加2，读写全部完成后WKC 的值加3。所以，WKC 的值就会所有从站处理发生的累加的结果。ARMW 和FRWM 是多读多写的命令，可以当作单个读或写命令来理解。WCK 的值会根据命令不同不断变化。

应用层AL(Application Layer)为用户与网络之间提供接口，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 作为网络通信技术， 支持CANopen 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，如下图所示。

5.1 CoE (CANopen over EtherCAT)

5.2 SoE(SERCOS over EtherCAT)

5.3 EoE (EtherNet over EtherCAT)

5.4 FoE （EtherCAT实现文件传输）<p style="box-sizing:border-box;margin-top:0px;margin-bottom:1rem;margin-left:0pt;padding:0px;color:#212529;font-family:"font-size:16px;white-space:normal;background-color:#FFFFFF;">该协议与TFTP类似，允许读写设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都可以将标准化固件上传到设备上。