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1、 国内图书分类号：TP273 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开 工程工程硕硕士学士学位论文位论文 基于 EtherCAT 的工业以太网 主站通信协议的实现 硕 士 研 究 生 薛红霞 导 师 沙学军 教授 申 请 学 位 工程硕士 学科 电子与通信工程 所 在 单 位 深圳研究生院 答 辩 日 期 2012 年 12 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 Classified Index: TN273 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Masters Degree of Engineering IMPLEMENTATION OF IND
2、USTRIAL ETHERNET PROTOCOL MASTER BASED ON ETHERCAT Candidate： Xue Hongxia Supervisor： Prof. Sha Xuejun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Electronics and Communication Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： December, 2012 Degree-Conferring-Inst
3、itution： Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 随着工业自动化的不断进步，传统总线由于其速度慢，数据量小的缺点 已经无法满足工业需求。同时，随着计算机网络的不断发展，将以太网技术 应用于工业控制现场总线成为了一个重要的发展方向。EtherCAT 于 2003 年 由德国 BECKHOFF 自动化公司提出，它的特点是高速和高数据有效率，支 持多种物理拓扑结构，并且系统组成简便。本系统主站使用带有标准以太网 控制器的 ARM 开发板， 从站使用专门的控制芯片。 为了克服传统以太网 MAC 层的时间不确定性，EtherCAT 对传统以太网协
4、议进行了修改，使用特殊的以 太网帧类型 0 x88A4。 根据 EtherCAT 协议，时间关键的数据采用周期性过程数据的通信方式， 非时间关键的数据采用非周期性通信方式。非周期性数据通信主要有两种方 式， 即通信原语和邮箱数据通信。 通信原语主要用于主从站的初始配置阶段， 例如基本寄存器配置，邮箱配置等。邮箱通信是应用层通信方式，本文主要 实现了 COE 协议，用于服务数据和 PDO 的操作。周期性过程数据通信采用 逻辑寻址的方式，可以实现多播，即一个报文可以操作多个从站，每个从站 取出发送给自己的数据，同时把要发送给主站的数据插入到数据帧中。周期 性过程数据通信由于其良好的实时性，主要用于
5、实际控制中。本文测试部分 以从站状态机为主线索，依次配置从站相关参数，直到从站到达运行状态， 并且针对上述两种通信方式进行了功能测试。最后对 EtherCAT 进行了性能 测试。 本文中主站系统 ECOU 初步实现了 EtherCAT 协议，采用了嵌入式操作 系统 UC/OS II，具有良好的实时性。 关键词：工业以太网；EtherCAT；周期性数据通信；非周期性数据通信；系 统测试 Abstract - II - Abstract With the continuous advancement of industrial automation, traditional industrial
6、bus is unable to meet the industrial demand, because it is slow, and has a small amount of data. At the same time, with the development of computer network, Ethernet technology used in industrial control fieldbus has become an important development direction. EtherCAT proposed by BECKHOFF of Germany
7、 in 2003, it is high-speed, high data efficiency and supports a variety of physical topology. Whats more, the system is composed simply, for example, masters use common ARM development board and slaves use dedicate control chips. In order to overcome the uncertainty of MAC layer in traditional Ether
8、net, EtherCAT modifies the traditional Ethernet protocol. Ethernet data frame type is the specific 0 x88A4. In the EtherCAT protocol, time-critical data sends using periodic process data manner, and the non-time critical data using aperiodic manner. Aperiodic data communicates in two ways, namely, c
9、ommunication primitives and mailbox communication. The communication primitives are mainly used for the initialization and configuration of masters and slaves, such as basic register initialization, mailbox configuration and so on. The mailbox communication is in application layer, realizing COE pro
10、tocol for the operation of service data and PDO. Periodic process data uses the method of logical addressing, and it can multicast. One packet can operate multiple slaves, each slave removing the incoming data, and at the same time inserting its data to the packet. Because of the real-time, periodic
11、 process data communication method is mainly used for actual control. In testing section slave state machine is the main clue. The system configures the slaves relevant parameters in turn until slaves reaching the Operational status, and makes the functional tests for two main methods of communicati
12、on. Finally, make the performance testing, including system delay. In this article, the master system ECOU realizes the EtherCAT protocol using the embedded operating system of UC/OS II, and has a good real-time. Keywords: Industrial Ethernet, EtherCAT, Periodic Data Communication, Aperiodic Data Co
13、mmunication, system testing 目 录 - III - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.3 本文主要研究内容 . 5 第 2 章 工业以太网及 EtherCAT 主站通信协议的架构设计 . 6 2.1 三种工业以太网协议的性能比较 . 6 2.1.1 基于 TCP/IP 的实时工业以太网. 6 2.1.2 基于以太网实现的实时工业以太网 . 7 2.1.3 修改以太网的实时工业以太网 . 8 2.2 EtherCAT 协议 . 8 2.2.1 EtherCAT 系统组成 . 8 2.2.2 EtherCAT 数据帧结构 .
