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1、EtherCATEtherCAT协议介绍协议介绍 目录 EtherCAT EtherCAT 简介简介 从站结构从站结构 Device Model Device Model Physical Layer Physical Layer Data Link Layer Data Link Layer Frame Structure Frame Structure Addressing, Commands Addressing, Commands Memory, SyncManager, FMMUs Memory, SyncManager, FMMUs Diagnosis Diagnosis Dist
2、ributed Clocks Distributed Clocks Application Layer Application Layer State Machine State Machine Mailbox (Mailbox Protocols) Mailbox (Mailbox Protocols) Slave Information Interface (EEPROM) Slave Information Interface (EEPROM) Device Profiles Device Profiles Device Description Device Description To
3、ols (Configuration Tool, Monitor, Tools (Configuration Tool, Monitor, ) ) EtherCAT Master EtherCAT Master Standard & References Standard & ReferencesEtherCAT原理原理: 以太网以太网 “on the Fly”类似高速列车: “火车 ”(Ethernet 帧) 行驶不会停止 一直盯着“火车”通过狭窄的窗户，我们可以看到整个火车 “汽车” (次级报文) 有可变的长度 我们可以”提取“或者“插入“单个人（Bits） 或者整个组 EtherCAT
4、EtherCAT原理原理原理原理: : 以太网以太网以太网以太网 “ “on the Flyon the Fly” ” EtherCAT原理原理: 以太网以太网 “on the Fly”插入和提取过程数据的过程是持续的插入和提取过程数据的过程是持续的每个从站过程数据的大小几乎没有限制每个从站过程数据的大小几乎没有限制(1Bit(1Bit到到60Kbyte,60Kbyte,在需要的情况下可以使用很多帧在需要的情况下可以使用很多帧) )可以在每个周期中改变原来过程数据的编辑可以在每个周期中改变原来过程数据的编辑e.g.e.g.对轴控制的极短的周期对轴控制的极短的周期, ,和一些较长点的和一些较长点
5、的I/OI/O更新周更新周期期在一些不同步的情况，需要事件触发信息在一些不同步的情况，需要事件触发信息 帧处理顺序拓扑灵活多变的拓扑灵活多变的拓扑 线型结构线型结构 数据处理链型结构数据处理链型结构 带分支结构的数据处理链结构带分支结构的数据处理链结构 树形结构树形结构 星型结构星型结构 电缆冗余电缆冗余两个设备之间可达到标准以太网电缆可达到的两个设备之间可达到标准以太网电缆可达到的100M100M距离距离理论上可以连接多达理论上可以连接多达6553565535个设备个设备线型结构任意数目的设备成直线型连接任意数目的设备成直线型连接最多最多6553565535个设备个设备数据处理链型结构带有分
6、支线的数据处理链型 树形结构实时星型结构 电缆冗余主站仅仅需要一个另外的EtherCAT端口，但是可能连接所有的从站设备EtherCAT从站结构EtherCAT从站评估板从站评估板 EtherCAT控制器板ISO/OSI 模型模型EtherCAT 物理层物理层电缆：100BaseTX or 100BaseFx设备内部：E-Bus (LVDS)端口管理一个从站控制器最多可以有一个从站控制器最多可以有4 4个端口个端口如果一个端口关闭了，控制器主动连接下一个端口如果一个端口关闭了，控制器主动连接下一个端口端口可以随着端口可以随着EtherCATEtherCAT命令主动的打开或者关闭命令主动的打开或
7、者关闭逻辑端口设置决定了逻辑端口设置决定了EtherCATEtherCAT帧的处理和发送顺序帧的处理和发送顺序数据链路层的目的： 数据链路层连接物理层和应用层数据链路层连接物理层和应用层 数据链路层管理底层的通讯基础结构数据链路层管理底层的通讯基础结构 连接控制连接控制 连接收发器连接收发器 (PHY)(PHY) 寻址寻址 从站管理器配置从站管理器配置 EEPROM EEPROM 通路通路 同步管理器的配置和管理同步管理器的配置和管理 FMMU FMMU 配置和管理配置和管理 过程数据接口配置过程数据接口配置 分布式时钟分布式时钟 建立建立 AL AL 状态机交互状态机交互数据链路层概述 标准
8、标准 IEEE 802.3 IEEE 802.3 以太网帧以太网帧 对主站没有特殊需求对主站没有特殊需求 使用标准的以太网基础结构使用标准的以太网基础结构 IEEE IEEE 注册注册 以太网帧类型以太网帧类型: 88A4h: 88A4h 最优帧靠前最优帧靠前 不需要不需要IPIP栈栈 简单的主站执行简单的主站执行 附加附加 UDPUDP传输传输 (IANA (IANA 注册的注册的88A4h88A4h端口端口) ) EtherCAT EtherCAT 可以通过以太网进行信息传递可以通过以太网进行信息传递 使用标准的使用标准的 socketssockets 在从站进行帧处理在从站进行帧处理 E
9、therCAT EtherCAT从站控制器通过硬件处理帧从站控制器通过硬件处理帧Ethernet / EtherCAT 帧结构帧结构EtherCAT Frame HeaderType Meaning-0: 保留位保留位1: EtherCAT Datagram (s)2,3: 保留位保留位4: 网络变量网络变量 5: 基于基于 IP的邮箱的邮箱6-15: 供扩展用保留供扩展用保留EtherCAT 数据包头寻址数据包头寻址EtherCAT寻址EtherCAT命令不同的命令通过信息传输系统最优化对所有存取方法的读写EtherCAT命令广播读 每字节的个别位用引入数据和本地数据逻辑或的结果添加 读写动
10、作 对引入数据和本地数据进行交换一对多的读写 (RMW) 被定位的站点读其他所有站点写同步管理器同步管理器维护一个同步管理器维护一个 DPRAM DPRAM 区域区域邮箱特点邮箱特点 1 1个缓冲器的同步管理器支持握手个缓冲器的同步管理器支持握手 数据溢出保护数据溢出保护 在读之前进行写在读之前进行写 在再次写之前进行读在再次写之前进行读缓冲特点缓冲特点 3 3缓冲器保证数据的传输和最新数据的存写缓冲器保证数据的传输和最新数据的存写 保留一个缓冲器用来写保留一个缓冲器用来写 保留一个相应的缓冲器用来读保留一个相应的缓冲器用来读 ( (第一次写之前例外第一次写之前例外) ) 一般用于过程数据传输
11、一般用于过程数据传输 最多支持最多支持1616个独立的同步管理器通道个独立的同步管理器通道 同步管理器配置注册地址从同步管理器配置注册地址从 0x08000x0800开始开始引入分布式时钟（DC）的目的通过分布式时钟精确的调整，系统可以达到精确的同步(1s!) 外部时钟同步：IEEE1588通过完整的IEEE1588分界时钟选择端口分布式时钟的作用EtherCATEtherCAT设备同步设备同步定义系统时间定义系统时间 开始于开始于2000.1.1 002000.1.1 00：0000 最小计量最小计量1ns1ns 64 bit ( 64 bit (足够足够500500年年) ) 低低3232
12、位跨越位跨越4.24.2秒秒 一般情况下，足够信息交流和时间压力一般情况下，足够信息交流和时间压力 定义一个参考时钟定义一个参考时钟 一个一个 EtherCAT EtherCAT 从站从站 被当作参考时钟使用被当作参考时钟使用 参考时钟循环的分布他的时钟参考时钟循环的分布他的时钟 参考时钟根据一个全局参考时钟参考时钟根据一个全局参考时钟 IEEE 1588 IEEE 1588而改变而改变应用层（AL）的目的 EtherCAT EtherCAT 状态机状态机 设备和网络的启动设备和网络的启动 邮箱接口和协议邮箱接口和协议 设备的存取变量设备的存取变量 异步传输异步传输 协议协议 Ethernet
13、 over EtherCAT Ethernet over EtherCAT（EoEEoE） CANopen over EtherCAT CANopen over EtherCAT（CoECoE） Filetransfer over EtherCAT Filetransfer over EtherCAT（FoEFoE） Servo Drive over EtherCAT Servo Drive over EtherCAT（SoESoE） 从站信息接口从站信息接口 (SII)(SII) 设备特征和配置信息设备特征和配置信息EtherCAT状态机的目的状态机构建于数据链路层状态机构建于数据链路层定义
14、定义EtherCATEtherCAT从站设备一般信息状态从站设备一般信息状态指定对指定对EtherCATEtherCAT从站设备启用网络时初始化和错误处理从站设备启用网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控制和应用从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层控制和应用层注册中层注册中定义了五种状态定义了五种状态: : InitInit , , Pre-OperationalPre-Operational , , Safe-OperationalSafe-Operational , , OperationalOper
15、ational BootstrapBootstrap 选项状态定义了固件更新选项状态定义了固件更新EtherCAT状态机EtherCAT状态机InitInit状态状态 应用层没有数据交互应用层没有数据交互 主站对数据传输信息注册有通路主站对数据传输信息注册有通路Pre-OperationalPre-Operational状态状态 应用层上的邮箱通信应用层上的邮箱通信 没有过程数据交互没有过程数据交互 Safe-OperationalSafe-Operational 状态状态 应用层上的邮箱通信应用层上的邮箱通信 过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输出置于过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输
16、出置于SafeSafe状态状态OperationalOperational状态状态 输入和输出都是有效的输入和输出都是有效的EtherCAT状态机 BootstrapBootstrap 状态状态BootstrapBootstrap状态是可选择的，但是在固件必要的状态是可选择的，但是在固件必要的更新时推荐选择更新时推荐选择 只能和只能和InitInit进行状态间转换进行状态间转换没有过程数据通信没有过程数据通信通过应用层的邮箱进行通信通过应用层的邮箱进行通信根据需要的情况对邮箱进行配置根据需要的情况对邮箱进行配置只能使用只能使用FoEFoE协议协议EtherCAT状态机/控制和状态从站设备的请求
17、状态和当前状态反应于应用层控制和应用层注册中应用层控制应用层控制 (0x0120)(0x0120)初始化设备状态机的状态转换初始化设备状态机的状态转换应用层状态应用层状态 (0x0130)(0x0130)设备状态机的实际状态设备状态机的实际状态应用层状态代码应用层状态代码 (0x0134)(0x0134)错误原因或者其他状态代码错误原因或者其他状态代码邮箱传输的目的 交换变量数据的标准方式交换变量数据的标准方式 邮箱接口是可选择的，但是推荐使用邮箱接口是可选择的，但是推荐使用 如果过程数据是可设置的，或者有其他的非周期性服务，必须邮箱通如果过程数据是可设置的，或者有其他的非周期性服务，必须邮箱
18、通信信 全双工能力全双工能力 ( (从站可以发起一个数据交互从站可以发起一个数据交互) ) 预留两个同步管理器通道预留两个同步管理器通道 Sync Manager 0 : Sync Manager 0 : 主站到从站主站到从站 Sync Manager 1 : Sync Manager 1 : 从站到主站从站到主站 数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的 (State Pre-Operational)(State Pre-Operational) 支持多种协议的能力支持多种协议的能力邮箱通信协议的类型EthernetoverEtherCAT(EoE)Eth
19、ernetoverEtherCAT(EoE)通过通过EtherCATEtherCAT传输的标准以太网帧传输的标准以太网帧 CANopenoverEtherCAT(CoE)CANopenoverEtherCAT(CoE) 访问访问CANopenCANopen对象字典和他的对象对象字典和他的对象 CANopenCANopen紧急事件紧急事件 和事件驱动的和事件驱动的PDOPDO消息消息 FileAccessoverEtherCAT(FoE)FileAccessoverEtherCAT(FoE)下载上传固件和其他的一些文件下载上传固件和其他的一些文件 ServoDriveoverEtherCAT(S
20、oE)ServoDriveoverEtherCAT(SoE)存取伺服轮廓检验存取伺服轮廓检验 (IDN)(IDN)邮箱接口 一个 EtherCAT帧里的数据包从站信息接口从站信息接口的目的 强制从站信息接口（强制从站信息接口（SIISII）由所有能被持久保存的对象组）由所有能被持久保存的对象组成成信息被储存于一个信息被储存于一个 EEPROMEEPROM，EtherCAT EtherCAT 从站控制器从站控制器 和和 EEPROMEEPROM之间有一个之间有一个SPISPI接口接口The SIIThe SII包括包括 boot boot设置数据设置数据 设备一致性设备一致性 ( (强制的强制的
21、) ) 卖主卖主 Id, Id, 产品序列号产品序列号, , 修正号修正号, Serial No, Serial No 和和 CoE CoE 对象对象 0x10180x1018里，相同的信息里，相同的信息 应用程序信息数据应用程序信息数据额外的一些数据额外的一些数据 ( (可选择的可选择的) ) 种类的再分种类的再分Device Profiles MotivationThe main issues of this device model areThe main issues of this device model are modeling of structures within a de
22、vice modeling of structures within a device usable for a large number of devices from very usable for a large number of devices from verysimple one to complex sub-structuredsimple one to complex sub-structured easy way for master and configuration devices easy way for master and configuration device
23、s totohandle the devicehandle the device use of similar channel profiles in all device use of similar channel profiles in all device typestypesshown belowshown belowModular Device Profile EtherCAT supports complex slaves EtherCAT supports complex slaves E.g. devices with physical modules to be conne
24、cted E.g. devices with physical modules to be connected (modular(modulardevice) or devices with different operation modes device) or devices with different operation modes (complex(complexdevice).device). The Modular Device Profile defines The Modular Device Profile defines A modeling of structures within a device, A modeling of structures within a device,e.g. the Object dictionarye.g. the Object dictionary An easy way for master and configuration devices to An easy way for master and configuration devices tohandle the devicehandle the device结束结束
