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新型且简易，独立于现场总线的开放式标准通信接口

是串行双向点对点的连接，而不是另一种新的总线系统

无缝“接入”二进制信号接口。可以通过串行协议传输I/O数据

百分百兼容现有的连接方式，能使用现有的现场总线通讯平台

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我们的IO-Link产品适用于不同场合的通讯，和所有工作原理百分比兼容，因此我们的IO-Link解决方案能改进整套工作系统。巴鲁夫是IO-Link协会的会员，长期参与协会活动。凭借IO-Link的技术优势，我们致力于探索IO-Link技术的无限可能性并将其推广至全球。

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浅析EtherCAT 总线 - 知乎

浅析EtherCAT 总线 - 知乎首发于PLC攻城狮切换模式写文章登录/注册浅析EtherCAT 总线PLC攻城狮引言又到周末了，今天来聊一聊 EtherCAT总线。一项技术发明一定不是为了发明而发明，一定是有需要解决问题的。以太网用在工业通信中遇到了什么问题呢？首先工业通信的要求是：低延时高响应高可靠例如：如果通过传统的以太网协议要做实时数据的监控（1ms），主站发出的数据会被路由到每一个子站，子站再发数据回给主站。无论是子站还是主站都在不停的发数据和接受数据。就好像大家都开车去上班，每个数据帧就是一辆车，再保证不出事故的前提下，只有更宽的路才能保证不迟到，不堵车。而工业通信还有一个特点，就是本身数据量不大（不是视频或下载），大部分都是开关量和模拟量。如果用以太网，则都要根据OSI模型一层一层加协议。就好比每个人上班都是要单独开一辆车一样。所以想解决不迟到，只有两种方法：修更宽的路（增加带宽）大家都做公共交通（改变协议）修更宽的路需要花更多的钱（整个网络硬件升级，整个网络速度遵循木桶原则）而是EtherCAT就是火车像火车一样的EtherCATEtherCAT是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff（倍福）公司研发。EtherCAT使用相同的物理和数据链路层。EtherCAT中，主站发送数据，整个网络可能只有一个数据帧依次将通过每个节点（像火车一样）。主站是唯一允许发送帧的节点，子站只能转发帧。数据帧就像火车一样，从主站开出，途经各个子站，把对于子站的数据放下或者带上，最后回到主站。这种方法有助于确保实时操作并避免延迟。EtherCAT数据帧像地铁一样EtherCAT网络不需要交换机。每个EtherCAT设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口，另一个是发送端口，发送给另一个设备。实时性是EtherCAT的主要优势，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30 kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。虽然子站设备添加数据过程到数据帧过程中仍有一点延迟，但EtherCAT的单一数据流大大提高了带宽利用率。这个优点也可能是一个缺点。因为许多子站设备可能无法适应这种高速，使得EtherCAT网络可能需要放慢速度以适应这些设备。EtherCAT还使用分布式时钟系统。当EtherCAT的数据帧通过每个节点时，节点向其数据添加“已接收消息”时间戳。每个节点在收到消息时添加时间戳，然后在返回主站的路上，当数据帧移回节点时，每个节点再次附加一个时间戳。然后，主节点对每个节点都有准确的计算，因为时间戳数据是在每次数据帧传输时计算的。借助EtherCAT固有环形拓扑，由于分布式时钟机制确保了每次准确的数据传输，这是EtherCAT的优势之一。另一个优点是网络拓扑的形式。许多不同的网络拓扑可以在EtherCAT网络中使用。因为它使用以全双工（双向轨道），当检测到端头时，数据帧将自动从子站返主站。这使得EtherCAT的网络拓扑结构很灵活。考虑到EtherCAT所固有环技术，在环形拓扑中连接的网络将形成冗余结构。因为它本身就是一个环形。EtherCAT与标准以太网相比具有很大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低，和低实施成本。通过上面的介绍是不是感觉到EtherCAT设计的很巧妙，因为它真的就像火车一样。更多精彩，请关注公众号：PLClion发布于 2019-08-31 12:12实业科技通信赞同 15421 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录PLC攻城狮拓宽眼界，掌握

EtherCAT (学习笔记)-CSDN博客

EtherCAT (学习笔记)

最新推荐文章于 2024-01-16 16:03:36 发布

pwl999

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Motion Control

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ethercat

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文章目录

1. 简介1.1 运动控制1.2 实时以太网1.3 EtherCAT

2. EtherCAT原理介绍2.1 实时性2.2 端口管理2.3 EtherCAT网络拓扑2.4 EtherCAT网络协议栈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)3.13.2 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 ET12004.5 从站程序设计4.6 实验测试

5. 工具5.1 TwinCAT5.2 LinuxCNC5.3 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：

1.2 实时以太网

实时以太网(RTE, Real Time Ethernet)是常规以太网技术的延伸，以便满足工业控制领域的实时性数据通信要求。目前，国际上有多种实时工业以太网协议，根据不同的实时性和成本的要求使用不同的原理，大致可以分为以下三类:

(1)基于TCP/IP实现的工业以太网仍使用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，更适合作为网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;使用交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有Modbus/TCP和Ethernet/IP等。(2)基于以太网实现的工业以太网仍然使用标准的、未修改的以太网通信硬件，但是不适用TCP/IP来传输数据。它使用特定的报文进行传输。TCP/IP协议栈能使用时间控制层分发一定的时间片来利用网络资源。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)通过修改以太网协议实现的工业以太网，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，从根本上避免报文间的冲突。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实时以太网技术突破了其他以太网解决方案的系统限制:通过该项技术，无需接受以太网数据包，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从站设备在报文经过其节点时读取相应的数据报文，同样输入数据也是在报文经过时插入到报文中。整个过程报文只有几纳秒的时间延迟，实时性获得极大提高

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

主站可使用标准网卡实现，从站选用特定的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)或者FPGA实现，

主要完成通信和控制应用两部分功能，EtherCAT物理层选用标准以太网物理层器件。

从站能将收到的报文直接处理，并读取或插入有关的数据，再将报文发送给下一个EtherCAT从站。最末尾的EtherCAT从站返回处理完全的报文，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线发出的报文又通过RX线返回给主站:

2.1 实时性

数据包刷新时间的计算

数据包中所有从站的 Process Datarocess Datarocess Data rocess Data rocess Data rocess Datarocess Data数据决定了数据包的长度。

一个Ethernet thernet数据包最小84 字节，不足 84 字节会补齐84 字节。由于EtherCAT Frame中有一些公共开销， 84 字节的数据包最多含18字节的过程数据。考虑到数据包必须经过每个从站两次才能回到主站，所数据包以固定的波特率100 Mbps在网络上传输两次的时间这就是它的总线刷新时间。

1.基于这个原则，以包含 1000路开关量信号的数据包为例，计算过程如下：

过程数据长度：1000/8=125Bytes

数据包长度：84-18+125=191Bytes=191*8 Bit= 1528 Bit

总线刷新时间：(1528Bit/100,000,000 Bps)*2=15.28us * 2 = 30.56us

注意，通常的数字量模块，都是单纯的输出或者输入模块，而不是混合模块。所以 1000 个数字量信号， Frame 中就会分配 125 字节。

2.再以包含100个EtherCAT伺服驱动器过程数据的EtherCAT数据包为例，假如每个伺服的过程数据只包括控制字（2字节）、状态字（2字节）、目标位置（4字节）、实际位置（4字节），其总线刷新时间的计算过程如下：

过程数据长度：100*（2+4）=600 Byte。

数据包长度：84-18+600=1266 Byte =671*8 Bit =5328 Bit

总线刷新时间：(5328 Bit/100,000,000 Bps) *2=100.656µs

注意，Frame中只为一个伺服分配了6个字节，这是因为根据Beckhoff公司的控制软件TwinCAT中关于EtherCAT的默认设置是从站的Input和Output使用同一数据段，所以数据包进入伺服驱动器时该数据段存放的是控制字和目标位置，而出来时则存放伺服的状态字和实际位置。

以上两个数据30.56µs和101.28 µs就是EtherCAT官方宣传资料中，刷新1000个数字量需要30µs，刷新100个伺服轴只需要100µs的数据由来。实际上，根据从站的类型、是否包含分布时钟、是否启用时钟同步、时钟同步的参数设置不同，在数据包中有可能还会增加8-12字节用于传输同步时钟值，以及相应的为每个从站增加一个Bit的标记等等，会增加几个微秒的刷新时间，暂且忽略不计。

以上计算只是数据包传输需要的理论时间，实际上，数据包经过每个从站会产生短暂的硬件延时。100M超五类网线接口的从站延时约1µs，而EBus的IO模块类从站延时约0.3µs，在毫秒级以下的控制任务中如果从站数量较多，这个时间也相当可观，计算刷新周期时应该考虑进去。

2.2 端口管理

一个从站控制器最多可以有4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EtherCAT命令主动的打开或者关闭。逻辑端口设置决定了EtherCAT帧的处理和发送顺序。

2.3 EtherCAT网络拓扑

所有数据帧在网络中以一种“逻辑闭环”的方式传播，与网络的硬件拓朴无关，无论它是链式、菊花链、星形还是树形拓朴。

所有数据帧都由Master发出，以事前严格定义的顺序，依次经过网络上的所有从站，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

数据处理链型拓扑带有分支线的数据处理链型拓扑树型拓扑：实时星型拓扑：冗余线缆

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网络瘫痪。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网端口（无需专用网卡或接口），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网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。

2.4 EtherCAT网络协议栈

CoE（Can over EtherCAT）

PDO（Process Data Object 过程数据对象）

SDO（Service Data Object 服务数据对象）

PDI（Process Data Interface 过程数据接口）(uC, SSI, I/O)

ESM(EtherCAT State Machine)

ESI(EtherCAT Slave Information) (XML device description)

ENI(EtherCAT Network Information)

CTT（Conformance Test Tool 一致性测试工具）

SM(SyncManagers 同步管理器)

MDP(modular device description 模块化设备描述 )

2.5 EtherCAT数据帧格式

EtherCAT数据直接嵌入在以太网数据帧中进行传输，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：

EtherCAT数据包由数据头和数据实体两部分组成，EtherCAT数据头包含2个字节，每个数据包里面可以只包含一个EtherCAT子报文，也可以包含多个子报文;一个EtherCAT子报文对应着一个从站，因此一个EtherCAT数据包可以操作多个EtherCAT从站，相应的数据长度在44-1498字节之间，EtherCAT数据帧结构定义：类型字段：

EtherCAT子报文结构定义：

地址区字段

EtherCAT 寻址:

EtherCAT 通信的实现是通过由主站发送至从站的 EtherCAT 数据帧来完成对从站设备内部存储区的读写操作， EtherCAT 报文对 ESC 内部存储区有多种寻址操作方式，从而可以实现多种通信服务。EtherCAT 段内寻址有设备寻址和逻辑寻址两种方式。

设备寻址是面对一个从站进行读写操作。

逻辑寻址是面向过程的数据操作，实现同一报文读写多个从站设备的多播功能。

具备全部寻址方式的从站称为完整性从站，只具备部分寻址方式的从站则称为基本从站。

命令字段

不同命令通过信息传输系统最优化对所有存取方法的读写

WKC 字段

Working Counter。如果成功寻址了EtherCAT设备，并且成功执行了读操作，写操作或读/写操作，则工作计数器将递增。可以为每个数据报分配一个工作计数器值，该值是根据预期报文通过所有设备数来设置的。通过将工作计数器的预期值与所有设备通过后的实际值进行比较，主站可以检查EtherCAT数据报是否已成功处理。

同步管理器

2.6 EtherCAT设备寻址方式

在EtherCAT的每个子报文中，有32位空间用于对EtherCAT设备进行寻址。寻址方式有四种，分别为：

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。在报文头的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。报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报文后，如果报文中的地址值为0，则该报文就是这个从站要要接收的报文。

在上图中，如果需要总线上第8个设备响应报文，则主站需要将报文的地址设为0xFFF9，当报文经过第1个从站时，地址为0xFFF9，不等于0，第1个从站不会响应报文，报文地址加1，变为0xFFFA。当报文经过第2个从站时，地址为0XFFFA，不等于0，第2个从站不会响应该报文，报文地址加1，变为0xFFFB。以此类推，当报文到达第8个从站时，此时地址值为0x0000，当前从站将接收报文。

位置寻址（Position Address / Auto Increment Address）只应在启动EtherCAT系统时用于扫描现场总线，以后只能偶尔使用以检测新连接的从站。如果由热连接或链接问题导致循环暂时关闭，使用位置寻址可能会出现问题。在这种情况下位置地址被移位，并且，如错误寄存器的值到设备的映射变得不可能，因此不能定位故障链路。

节点寻址

在启动阶段，主站通常采用位置寻址方式对总线上的从站进行寻址，之后采用节点寻址方式。

在报文中，报文头的32bit地址，前16bit的Address用于存放站点地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。

在每个从站中站点地址保存在寄存器(0x0010) 中。

顺序寻址时，主站可以对每个从站的站点地址进行设置，也可以直接读取每个从站的的站点地址。

节点寻址方式的优点是，每个从站的地址与其在总线中的位置无关。在添加/删除从站，甚至是改变总线拓扑结构的时候都能对从站进行正确的访问。

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）。

配置站点地址由主站在启动期间分配，并且不能由EtherCAT从站更改。配置站别名地址存储在SIIEEPROM中，可由EtherCAT从站更改。配置的站别名必须由主站启用。如果节点地址（NodeAddress）与配置的站地址或配置的站点别名匹配，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：

• 逻辑地址的起始地址

• 数据长度（按跨字节数计算）

• 逻辑地址的起始位

• 逻辑地址的终止位

• 从站物理地址的起始地址

• 从站物理地址的起始位

• 操作类型（只读、只写、读写）

• 使能

在报文中，使用报文头的32bit地址的全部，用来表示大小为4GB的逻辑地址空间。以上图为例，FMMU将逻辑地址中0x00012345第2位开始的，到0x00012346以第2位终止的区域，与从站物理地址中0x0010第0位开始的区域进行映射。

当从站收到来自主站的报文时，会检查报文中的地址是否与FMMU中的地址相符，如果有，将根据操作类型进行读写操作。

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数据报中的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报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:

地址范围0x0000：0x0FFF专用于EtherCAT寄存器，

地址范围0x1000：0xFFFF用作过程数据RAM

通过EtherCAT数据报的偏移字段寻址，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。

外部时钟同步IEEE1588 EtherCAT设备同步定义系统时间

定义一个参考时钟：

一个EtherCAT从站被当做参考时钟使用

参考时钟循环的发布它的时钟

参考时钟根据一个全局参考时钟 IEEE1588

2.8 应用层(Application Layer)

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状态机设备和网络的启动

邮箱接口和协议设备的存取变量异步传输

协议：

EOE: Ethernet over EtherCAT

COE: CANopen over EtherCAT

FOE: Filetransfer over EtherCAT

SOE: Servo Drive over EtherCAT

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：

Init // 应用层没有数据交互，主站对数据传输信息注册有同路

Pre-Operational // 应用层上的邮箱通信。没有过程数据交互

Safe-Operational // 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Safe状态

Operational // 输入和输出都是有效的

Bootstrap // 定义了固件更新。是可选的，但是在固件必须要更新时推荐选择

// 只能和init进行状态间转换，没有过程数据通信，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，只能使用FoE协议。

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：

应用层控制(0x0120) 初始化设备状态机的状态转换

应用层状态(0x0130) 设备状态机的实际状态

应用层状态代码(0x0134) 错误原因或者其他状态代码

邮箱传输

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，必须邮箱通信全双工能力从站可以发起一个数据交互预留两个同步管理器通道： Sync Manager 0(主站到从站)，Sync Manager 1(从站到主站) 数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的(State Pre-Operational) 支持多种协议的能力

邮箱通信协议的类型：

EOE: Ethernet over EtherCAT // 通过EtherCAT传输的标准以太网帧

COE: CANopen over EtherCAT // 访问CANopen对象字典和它的对象，CANopen紧急事件和事件驱动的PDO消息

FOE: Filetransfer over EtherCAT // 下载上传固件和其他的一些文件

SOE: Servo Drive over EtherCAT // 存取伺服轮廓检验(IDN)

从站信息接口

强制从站信息接口SII(Slave Information Interface)由所有能被持久保持的对象组成信息被存储于一个EEPROM，EtherCAT从站控制器和EEPROM之间有一个SPI接口。

SII包括：

boot设置数据

设备一致性

vender id，产品序列号，修正号，serial no

和CoE对象0x1018里，相同的信息

应用程序信息数据

额外的一些数据

AL Status Code(Application Layer Status Code)

Application Layer: Describes the highest layer of the EtherCAT slave stack which includes the EtherCAT State Machine, error handling, Mailbox protocol handling, slave application.

此可选属性由应用程序控制，并报告由AL的状态控制事例检测到的最后错误或ID值。AL（应用层）状态代码给出从机进入错误状态的原因。如果错误标志（寄存器0x0130：04）为TRUE，则应提供AL状态代码.

2.9 设备配置(Device Profile)

设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。

EtherCAT实现CANopen (CoE)

CANopen©设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。

EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。

因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen©固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

EtherCAT实施伺服驱动设备行规IEC 61491 (SoE)

SERCOS interface™ 是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。

用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS™框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图12）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS™数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS™协议状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS™协议的通信阶段。

EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合，保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令，速度命令或扭矩命令。取决于实现方式，甚至可能继续使用相同的设备配置工具。

EtherCAT实现以太网(EoE)

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，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网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网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。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网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设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。

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：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen® 或EtherCAT至IO-Link™ 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen® 或 IOLink™从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（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报文中。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网络诊断信息的标准化方法。

2.10 主站设计

EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。

而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。

例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。

EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。

系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。

已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9,MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux,PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux. 可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。

另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。

2.11 从站设计

从站EtherCAT Processing Unit 总是位于 Port 0 之后其它端口之前，并在数据帧传输的过程中提取和插入数据：

DPRAM：双端口存储器 Dual-Ported RAM，可以分别从主站及本地微处理器uC访问。访问 ESC 的 Dual-Ported RAM 读出并/或写入数据。

从器件具有一个16位Local地址空间:

地址范围0x0000：0x0FFF专用于EtherCAT寄存器，

地址范围0x1000：0xFFFF用作过程数据RAM

SyncManagers 阻止主站和从站微处理器（uC）同时访问 ESC存储区，确保数据的一致性

→ 含周期性数据 (Process Data) 和非周期性数据 (Mailbox)

FMMUs 为Lxx数据报文完成逻辑地址到物理地址的转换

→ 仅对于周期性数据（Process Data）

从站的SyncManagers 和 FMMU 是由主站在初始化阶段自动配置的，该配置基于每个从站的XML文件和整个网络的设置。

EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。

更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。

从站控制器通常都有一个内部的DPRAM(DUAL PORT RAM)，并提供存取这些应用内存的接口范围：

串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。

8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。

32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。

PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象）

报文通过从站控制器时，从站读取出相关命令并进行对应处理，数据处理通过硬件完成，延间约为100-_500ns，通信性能独立于MCU的响应时间。每个ESC最大有容量为64KB的可用的内存编址，能进行连续或同步的读写。多个EtherCAT命令数据可以被嵌入到一个以太网报文中，每个数据对应独立的设备或内存区。

EtherCAT极大提高了以太网的性能，比如操作1000个I/O信号的时间约为30微秒。单个报文至多容纳1486字节的过程数据，和12000位I/O信号相当，更新所需时间约为300微秒。控制100个伺服单元的时间约为100微秒。

在基于PC的主站中，一般使用网络接口卡NIC(Network Interface Card)其中的网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理层数据收发器。但是在嵌入式主站中，通信控制器通常集成在微处理器中。

EtherCAT从站设备同时实现应用控制和数据通信两部分功能，其组成如图所示，由四部分组成:从站控制微处理器、EtherCAT从站控制器ESC芯片、物理层器件和其他应用层器件。

EtherCAT报文由从站控制器来处理，使用双端口存储区完成主从站间的数据交换。每个从站ESC在环路上按各自的顺序移位读写数据。当数据帧经过从站时，ESC从中读取发送给自己的命令数据并放到内部存储区，插入的数据又被从内部存储区写到子报文中。

从站控制微处理器主要负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从ESC获取控制数据实现设备控制功能，并采样设备的反馈数据写入ESC。从站控制微处理器的选型根据设备控制任务，可以使用ARM或DSP; 8位、16位或32位的处理器。EtherCAT从站采用MII接口模式时，需要使用标准以太网物理层器件:物理层芯片PHY,隔离变压器等。采用EBUS接口时不需要任何其他芯片。

3. 应用层(Application Layer)

3.1

3.2 EtherCAT Slave Implementation (从站实现)

DPRAM (双端口存储器)size and number of SyncManagers(同步管理 )

The DPRAM is used for exchange of cyclic and acyclic data（循环和非循环的数据交换） via the EtherCAT network. SyncManagers ensure data consistency（保证数据的一致性） within the DPRAM.

Each ESC has 4kByte of registers (addresses 0x0000 to 0x0FFF) which are reserved for (EtherCAT and PDI communication) configuration settings(配置设置 ).

Mailbox（邮箱） and process data is exchanged via additional DPRAM (also called user memory用户存储器 ). EtherCAT allows addressing（编址） of user memory of up to 60kBytes. ASICs provide between 1kByte and 8kByte of DPRAM, IP Cores can be configured to provide the full 60kByte of user memory.

Application Note: The standard SyncManager configuration is（标准的同步管理配置）

- 1 SyncManager per acyclic data output (mailbox out, master to slave)

- 1 SM for acyclic data input (mailbox in, slave to master)

- 1 SM for cyclic data output (process data out, master to slave)

- 1 SM for cyclic data input (process data in, slave to master)

For process data, SM running in 3-buffer-mode（3缓存模式） need three times the length （3倍长度） of actual process data for physical memory（物理内存） . The following table shows a schema（体系结构，模式） of how to allocate（分配） the length for the 4 SM.

Table 5: DPRAM Size Calculation Example（ DPRAM大小计算示例）

SyncManagerBuffer CountLength [Byte]Total length [Byte]SM0Output Mailbox1L_MbxOut1*L_MbxOutSM1Input Mailbox1L_MbxIn+ 1*L_MbxInSM2Outputs3L_Out (TxPDO)+ 3*L_OutSM3Inputs3L_In (RxPDO)+3*L_In----∑ DPRAM size

SyncManagers are enabled（开启） by the following settings of the master during network initialization（网络初始化） .

-Physical address of ESC（ESC物理地址）

-Data length （数据长度）

-SyncManager control input（同步管理控制输入） :

i. Operation mode【操作模式】 (mailbox-mode/3-buffer-mode)

ii. Access direction【访问方向：读或者写】 (Read direction/Write direction)

iii. Interrupt settings 【中断设置】 (Valid/Invalid 有效/无效 )

iv. SyncManager watchdog setting【同步管理看门狗定时器设置】 (Valid/Invalid)

v. SyncManager setting (Valid/Invalid)

The default values are set in the ESI (chapter 2.4.1); the master initializes the SyncManager using the values from the ESI.（默认值在 ESI中设置，主站初始化时调用 ESI中的值）

Syncmanagers(同步管理器)

同步管理器简称SM用来协调应用程序和主机的数据交互，同步管理器同步的是数据而非时间，同步管理器确保了应用程序和主机能够正确的写入或读取数据。同时同步管理器可以以中断的形式通知主机和应用程序发生的数据更新事件。

从站的ESC中包含多个同步管理器，每一个同步管理器都可以单独的配置：

同步管理器的配置中包括告知同步管理器其需要管理的内存地址的范围，管理内存的属性（属于读或写，属于邮箱数据或过程数据）。

所以每一种数据交互方式都会有一个同步管理器来管理，应用程序进行数据交互时，只需要更具不同的同步管理器就可以方便的区分数据的类型（PDO 或SDO、读或写）。从站在初始化时会读取SM管理器中的配置来确定数据的存放地址。

数据的交互主要有缓冲模式和邮箱模式。缓冲模式主要应用于周期性过程数据的传送。

Number of Fieldbus Memory Management Units (FMMUs)（现场总线储存管理单元）

In an EtherCAT network, the memory of all slaves can be compiled in the master（所有从站的储存都可以在主站中编辑） to a logical memory（逻辑内存） . This logical memory is managed by FMMUs to map（映射） logical addresses to physical addresses in the slavesFMMUs（逻辑内存通过的管理和从站中的物理内存相对应） .

For the FMMU configuration in a device, each consistent output and each consistent input block needs one FMMU and an additional FMMU for mailbox status response is necessary. // 对于设备中的FMMU配置，每个一致的输出和每个一致的输入块都需要一个FMMU，并且还需要一个用于邮箱状态响应的附加FMMU。

Application Note: The standard configuration is one FMMU per each, cyclic output and cyclic input data block , optionally an additional one for mapping the mailbox response availability flag into process data (thus, no polling of mailboxes is necessary). If the outputs and inputs are groupede.g. like in Table 5, 3 FMMUs are configured, see Table 6. // 应用说明：标准配置是每个循环输出和循环输入数据块一个FMMU，还可以选择另外一个用于将邮箱响应可用性标志映射到过程数据中（因此，不需要轮询邮箱）。如果输出和输入被分组，例如如表5所示，配置了3个FMMU，请参阅表6。

Table 6: FMMU Configuration

FMMUAssigned SyncManagerNameLength [Byte]1SM2OutputsL_Out (TxPDO)2SM3InputsL_In (RxPDO)3SM0 & SM1Mbx-SM Status FlagsMbx In/Out Length

Distributed Clocks (DCs（同步） with other slave devices，分布式时钟 ) for synchronization

Evaluate if the device should support high precise（支持高精度） synchronization with other slave devices. If so, DCs should be supported by the selected ESC. Distributed Clocks refer to the DC function for EtherCAT slaves (chapter 1.3.5). The times held by slaves are adjusted with this mechanism（途径） and thus enable precise synchronization of the nodes（节点） in the EtherCAT network. // 评估设备是否应支持与其他从设备的高精度同步。如果是这样，所选的ESC应该支持DC。分布式时钟指的是EtherCAT从站的DC功能（第1.3.5章）。通过这种机制可以调整从站保持的时间，从而实现EtherCAT网络中节点的精确同步。

EEPROM（电可擦只读存储器）

The EEPROM is mounted（安装） outside the ESC and connected via I2C with point-to-point link（点对点连接） . According to the size of the EEPROM the EEPROM_SIZE signal should be set. For more details, refer to the Knowledge Base, chapter 11.3 d electrical Interface EEPROM an(I 2C)". For EEPROM (SII) Enhanced Link Detection setting （加强连接检测设置） , refer to documentation of the ESC vendor. // EEPROM安装在ESC外部，并通过I2C与点对点链接连接。根据EEPROM的大小，应设置EEPROM_SIZE信号。有关更多详细信息，请参见知识库第11.3章“电气接口EEPROM和（I 2C）”。有关EEPROM（SII）增强链接检测设置，请参阅ESC供应商的文档。

Application Controller【应用控制】 (Host Controller, μ C)

If a local software application provides the device functionality, any 8 or 16 bit synchronous or asynchronous microcontroller（任何一个 8位或者 16位同步或者异步微控制器） can be connected to the ESC. The application controller communicates with the ESC via the Process Data Interfaces (PDI).

To adapt the application software on the host(为了和主站的应用程序相适应 ) controller to the ESC, sample software stacks（样本软件栈） are available for communication implementation（通讯的实现）, e.g. the Slave Sample Code（从站样本代码） (SCC). If the device is a 32 bit digital I/O interface, no application controller or additional communication software is necessary. // 为了使主机控制器上的应用软件适应ESC，可以使用示例软件堆栈进行通信实现，例如从机样本代码（SCC）。如果设备是32位数字I/O接口，则无需应用程序控制器或其他通讯软件。

In most cases, manufacturers（制造商） can use a familiar microcontroller type as application controller in the EtherCAT device（使用相似型号的微控制器作为应用控制使用在 EtherCAT设备中） . If application software already exists, e.g. for a different fieldbus, it can be used for the EtherCAT device as well. // 在大多数情况下，制造商可以在EtherCAT设备中使用熟悉的微控制器类型作为应用程序控制器。如果应用软件已经存在，例如对于不同的现场总线，它也可以用于EtherCAT设备。

The source code（源代码） for communications software on the host controller allocates（分配） about 70kByte. The following features are a typical configuration (referring to the Slave Sample Code):

EtherCAT State Machine (ESM), including error handling（错误处理）

Device diagnosis（设备诊断）

Master-Slave data synchronization （主从站之间的数据同步） with SyncManager event (no DCs)

Mailbox CoE

Object Dictionary （对象字典） (20 objects) for process data objects （过程数据对象）

CoE services, including CoE Info services（信息服务） , no segmented transfer （无分割转换）

A list of other available sample stacks can be obtained on the product section of the ETG website.

Application Layer Communication Protocols （应用层通讯协议）

In EtherCAT, several protocols are available (see chapter 1.3.6) for the application layer to implement （实施） the required specification of the product development（产品开发时所需的规格） . When to apply them is described here.

CAN application protocol (总线应用协议 )over EtherCAT(CoE) To provide acyclic data exchange as well as mechanisms to configure PDOs for cyclic data exchange in a structured way, CoE (with SDO-Info support) should be implemented.

Servo drive profile（伺服驱动配置文件） over EtherCAT(SoE) SoE is an alternative drive profile to the CiA402 drive profile. It is often used by drive manufacturers which are familiar with the SERCOS interface.

Ethernet（以太网） over EtherCAT(EoE) EoE is usually used to provide webserver interfaces（网络接口） via EtherCAT. It is also used for devices providing decentral standard Ethernet ports（分散生产方式的标准以太网端口） . ? File Access（文件存取组件） over EtherCAT(FoE) If the device should support firmware（固件）download via EtherCAT, FoE should be supported. FoE is based on TFTP. It provides fast file transfer and small protocol implementation.

ADS over EtherCAT(AoE)小协议实施 When planning to control the device via a .Net interface, AoE is an option to apply.

Application Note:An exemplary（典范） CoE implementation is shown below.

The user application runs the device specific software（设备专用软件） on the μ C to implement device features(实现设备功能特性 ). Sample source code(protocol stacks) offered by EtherCAT stack vendors can be used to develop this application or to adapt existing software to EtherCAT.

Application Note:EtherCAT Slave Stack Code (SSC，从站堆栈代码 ).

The SSC is a free sample codefrom Beckhoff（德国倍福自动化有限公司）（免费样本代码） which provides an interface to the ESC. For hardware independent software development（独立于硬件的软件开发） , the SSC runs on several evaluation kits（评估板） and can be customized（自定义） for implementation in accordance with the product specification. Figure 14 shows the SSC structure with the interfaces to the user specific device application（用户特定的设备应用） and the ESC.

Application Note:EtherCAT Slave Protocol Stack.（从站协议栈）

Hilscher（德国赫优讯公司） offers a Slave Control Stack based on its netX hardware withDual Port Memoryinterface (DPM，双端口记忆器 ) and it is available for the user application with an API. Figure 15 shows the protocol stack architecture（协议栈构架） with interfaces to the ESC and the user application.

Device Profiles（设备配置文件）

During network initialization（网络初始化期间） , parameter setup（参数设定） is necessary, where data does not need to be transmitted cyclically（周期性传输） but only during network initialization. Acyclic data exchange is done via mailbox protocols（非循环的数据传输通过邮箱协议） , usually via theCoEprotocol (see chapter 2.3.5). For devices with variable process data structure, the definition of a modular device description(MDP，模块化设备描述 ) is available. The MDP is described in the ETG.5001 Modular Device Profile Specification（说明书） . // 在网络初始化期间，必须进行参数设置，这些数据不需要循环传输，而仅在网络初始化期间需要传输。非循环数据交换是通过邮箱协议（通常通过CoE协议）完成的（请参阅第2.3.5章）。对于具有可变过程数据结构的设备，可以使用模块化设备描述（MDP）的定义。 EDP.5001模块化设备配置文件规范中描述了MDP。

The MDP is based on the object dictionary defined byCoE(CAN application protocol over EtherCAT). The object dictionary can be described as a two dimensional list（二维表） . Each list entry （每个表的入口） is identified（识别） by an index（指针，索引） (0x0000–0xFFFF) which represents an object. Each object can contain up to 255 subindices（分目录） , also called object entries. The object list is structured in different areas, see Table 7. // MDP基于CoE（基于EtherCAT的CAN应用协议）定义的对象字典。对象字典可以描述为二维列表。每个列表条目均由代表对象的索引（0x0000-0xFFFF）标识。每个对象最多可以包含255个子索引，也称为对象条目。对象列表的结构在不同区域中，请参见表7。

The idea of the MDP is to provide a basic structure for masters（为主站提供一个基本构架） and configuration tools（配置工具） to handle（处理） slaves with complex (modular) structure easily. The user has the advantage, that if the slave variables’（变量）s are sorted in an MDP style, he can find the different data types by identical patterns（相同的模式） . // MDP的思想是为主机和配置工具提供基本结构，以轻松处理具有复杂（模块化）结构的从机。用户的优势在于，如果以MDP样式对从属变量进行排序，则他可以通过相同的模式找到不同的数据类型。

The MDP can be applied to various types of devices. It is applicable to multiple axis（多轴） servo drive system（伺服驱动系统） of various functionality groups（各种功能组） , such as positioning（位置控制） , torque（扭矩控制） and velocity control（转速控制） . It is further applicable to gateway（网关） between different fieldbuses, i.e., Profibus, DeviceNet. Modular devices are driven by two aspects: // MDP可以应用于各种类型的设备。适用于各种功能组的多轴伺服驱动系统，例如定位，转矩和速度控制。它进一步适用于不同现场总线之间的网关，即Profibus，DeviceNet。模块化设备由两个方面驱动：

Comprise（包含） physically connectable modules and plurality of functionalities（多数功能） .

//包括物理上可连接的模块和多种功能。

Comprise plurality of channels（多数通道） directly being connected to the EtherCAT network.

//包括多个直接连接到EtherCAT网络的通道。

The MDP imagines slaves which consist of one or several modules. A module can be hardware which is connected/disconnected to a slave. Examples are gateways between EtherCAT and e.g. CANopen or a bus coupler（总线耦合器） between EtherCAT and a proprietary backbone bus（专用主干总线） . // MDP设想从站由一个或几个模块组成。模块可以是已连接/断开连接到从站的硬件。示例是EtherCAT与例如CANopen或EtherCAT与专有骨干总线之间的总线耦合器。

A module can also be a logical module which describes data sets, e.g. a drive which supports a velocity controlled mode and a position controlled mode –the MDP would describe the data as two modules, one for each mode.（把数据描述成 2种模式，每个对应相应的模式） // 模块也可以是描述数据集的逻辑模块，例如。一个支持速度控制模式和位置控制模式的驱动器-MDP将数据描述为两个模块，每个模式一个。

No matter what kind of module is described it needs more or less the same information categories（需要相对应的信息分类） , which are organized in the profile specific index range (Table 7). // 无论描述哪种模块，它都或多或少需要相同的信息类别，这些信息类别在配置文件特定的索引范围内进行组织（表7）。

Application Note:Modular Device Profile Structure（模块化设备配置文件结构） . // 应用说明：模块化设备配置文件结构。

Consider an MDP for a line of slave device modules which are connected together on a backbone layer（主干网层面） via LVDS and via a coupler（耦合器） with MII. Figure 16 shows a schema how to define device profiles（如何定义设备配置文件） such that a modular profile dictionary is set up for the slave device line. // 考虑一排从设备模块的MDP，这些设备通过LVDS和带有MII的耦合器在主干层上连接在一起。图16显示了一种模式，该模式如何定义设备配置文件，以便为从属设备线设置模块化配置文件字典。

For implementation of the profile (CiA402 Drive Profile) for servo drive, build the program with reference to the corresponding specifications（技术规格，说明书） . In this example, this would be the

ETG.6010 Implementation Directive（指令） for the CiA402 Drive Profile, and

IEC 61800-7 Drive Profiles and Mapping to EtherCAT.

4. 应用实例

由于EtherCAT实时工业以太网技术具有适用范围广、拓扑结构灵活、数据通信效率高、实时性强和同步性能好等多种优点，所以特别适用于实时性要求高、通信数据量大的运动控制系统。

控制系统设计采用“PC+运动控制器”的方案，构建多轴运动控制系统，采用PC机为主站、ARM+MCX314为从站处理器的架构。其核心插补与控制算法都放在工业PC中完成，运动控制器要求大为降低，其主要完成数字给定量到实际脉冲信号的转变。该控制系统方案的优势在于简化硬件设计工作，主要以标准化的硬件为主:上位机可以采用工业PC机、下位机使用开发的通用运动控制器，方便日后升级维护。工业PC机与运动控制器直接采用EtherCAT实时工业以太网进行通信连接。

4.1 主站操作系统(RTAI)

PC机部分软件以LinuxCNC为基础，往下LinuxCNC通过HAL(硬件抽象层)与EtherCAT主站驱动之间进行通信连接，然后EtherCAT主站通过以太网线给从站运动控制器发控制命令;往上利用LinuxCNC提供的Python调用接口和人机界面通信，数控系统人机界面采用PyQt开发;由于LinuxCNC需要运行实时任务，需要将普通操作系统进行改造。因此，目前的主要工作是对Linux系统进行实时性改造、安装EtherCAT主站、编写HAL模块、编写人机界面。

虽然EtherCAT主站程序能够安装在非实时操作系统上，但一般情况下会对主站进行实时性改造，而且LinuxCNC中有运行实时任务的需要，所以对Linux系统进行实时性改造迫在眉睫。众所周知，Linux系统本质上是一个分时操作系统，不是一个实时操作系统。Linux系统实时性不强使其在嵌入式应用中有一定的局限性，受内核可抢占性、进程调度方式、中断处理机制、时钟粒度、虚拟内存管理等几个方面的制约。

根据实时性系统要求以及Linux的特点和性能分析，对标准Linux实时性的改造存在多种方法，较为合理的两大类方法为:直接修改Linux内核源代码和双内核法。

1.直接修改Linux内核源代码:对Linux内核代码进行细微修改并不对内核作大规模的变动，在遵循GPL协议的情况下，直接修改内核源代码将Linux改造成一个完全可抢占的实时系统。核心修改面向局部，不会从根本上改变Linux内核，并且一些改动还可以通过Linux的模块加载来完成，即系统需要处理实时任务时加载该功能模块，不需要时动态卸载该模块。这种方法存在的问题是:很难百分之百保证，在任何情况下，GPOS(通用操作系统)程序代码绝不会阻碍RTOS的实时行为。也就是说，通过修改Linux内核，难以保证实时进程的执行不会遭到非实时进程所进行的不可预测活动的干扰。2.双内核法:双内核法是在同一硬件平台上采用两个相互配合，共同工作的系统核心，通过在Linux系统的最底层增加一层实时核心来实现。其中的一个核心提供精确的实时多任务处理，另一个核心提供复杂的非实时通用功能。其优点是可以做到硬实时，并且能很方便地实现一种新的调度策略。目前采用这种方案的主要有RTAT,RT-Linux和Xenomai。本课题采用RTAI实时包的方式完成对Linux系统的实时性改造，如图所示。

RTAI(实时应用接口)是Linux内核的一个实时扩展，RTAI是基于ADEOSC Adaptive Domain Environment for Operating System)实现，ADEOS位于Linux系统和硬件之间管理硬件中断，并控制实时内核和Linux内核的优先级，其中实时内核优先级高于Linux内核优先级。

RTAI安装：

1.下载RTAI压缩包并解压到urs/src目录下，输入命令:

cd /usr/src

sudo tar -bzip2 -xvf rtai一3.8.tar.bz2

2.下载Linux内核压缩包并解压到urs/src目录下，输入命令:

sudo cp suoxd/linux-2.6.37.1.tar.bz2 /usr/src

sudo tar -bzip2 -xvf linux一2.6.32.2.tar.bz2

3.利用RTAI源码中的文件给内核打补丁，未安装p atch需安装patch后，输入命令:

sudo patch -pl

4.配置内核，Linux2.6.32引入新的方式用于简化kernel的配置，使用命令拷贝当前配置，省去很多繁琐的内核配置选项。

5.安装内核模块，输入命令:

sudo make clean

sudo make

sudo make modules

sudo make modules install

sudo make install

6.配置RTAI，下载安装MESA库文件和EFLTK包，然后进入RTAI文件夹，执行配置，输入命令:

cd /usr/src/rtai

sudo make config

7.编译并安装RTAI，命令行窗口的RTAI安装结果如图4-2所示，输入命令:

sudo make

sudo make install

8.RTAI内核延时测试，利用RTAI源码包中的测试案例进行测试，测试结果如下：

cd /usr/realtime/testsuite/user/latency

sudo ./run

9.RTAI内核抢占实现测试，测试结果如图4-4所示，输入命令行:

cd /usr/realtime/testsuite/user/preempt

sudo ./run

4.2 主站EtherCAT程序(IGH)

本控制系统EtherCAT主站以实时Linux操作系统为基础，在Linux环境下开发主站有两方面优势，一方面Linux为开源系统，方便对底层进行修改;另一方面便于进行嵌入式移植。Linux下的EtherCAT主站架构如图所示:

Linux操作系统可分为内核态和用户态。内核态是操作系统的核心，负责进程管理、内存管理、进程间通信和设备管理和驱动等，实时性要求高。用户态主要运行人机交互、数据监控等实时性要求不高的程序。

EtherCAT主站模块运行在内核态，可支持一个或多个EtherCAT主站，且同时提供应用接口和设备接口。用户通过应用接口访问主站，通过设备接口连接设备到指定主站。EtherCAT的以太网设备驱动模块通过主站设备接口与主站连接，EtherCAT设备协议可直接由以太网帧传送，因而主站能同时并行处理EtherCAT数据帧和通用以太网通信。

在Linux上安装EtherCAT主站程序，这里选择EtherLab开发的IgH EtherCAT Master，首先下载主站安装文件gHEtherLab.tar.bz2，下载文件后解压缩进入含有Makefile文件的目录安装主站，输入命令:

make ethercatMaster

make ethercatMasterinstall

sudo /etc/init.d/ethercat start

ethercat master

若最后两条指令运行正常则说明主站安装成功。

4.3 主站应用开发(LinuxCNC)

LinuxCNC是一款运行在Linux平台下的实时开源数控软件。起源于美国国家标准与技术研究院的增强型运动控制器EMC (Enhanced Machine Controller)研究项目，用于机床的数控系统。经过十几年的发展，LinuxCNC系统广泛用于冲床、车床、3D打印机、激光切割机、等离子切割机、机器人手臂等领域。其主要优点有:提供多个标准化的用户界面、用户也可以采用自主开发的GUI、自带G代码解析器、支持伺服电机控制步进电机开环控制、运动控制器功能强大、支持非笛卡尔坐标运动系统、采用2.4或2.6的Linux内核支持RT-Linux或RTAI实时补丁。LinuxCNC源代码可以免费下载，安装在Linux系统上。LinuxCNC软件架构如图所示。

LinuxCNC是一个模块化设计的软件，大致可以分为以下四个主要模块:运动控制器(EmcMot)、数字I/O控制器(EmcIO )、任务控制器(EmcTask )、图形用户界面(GUI)。

用户操作界面负责接收用户命令并反馈最新状态;

任务控制器是整个系统的决策层，主要负责对各种命令进行决策分类、解析发送给不同的模块;

运动控制器是实时刷新的，主要完成路径规划、插值运算等;

数字I/O控制器负责处理I/O信号，通过NML消息与运动控制器通信，因为不同设备I/O各不相同，这时需要硬件抽象层HAL文件建立软逻辑电路来控制实际I/O ;

HAL

HAL硬件抽象层是LinuxCNC系统的关键技术之一，通过引入HAL机制，为用户提供了统一的驱动开发接口，方便编写驱动，还能利用配置文件将相应的HAL模块连成一个复杂系统，方便数据传递。HAL模块结构图如图所示。

EtherCAT主站驱动与LinuxCNC之间采用HAL机制进行通信，硬件抽象层将各个底层的硬件驱动、实时算法抽象出来，构成一个组件，组件是由函数、参数、输入输出引脚所组成，输入信号包括来自LinuxCNC的控制信号、用户配置信息，输出信号包括提供给LinuxCNC的反馈量等。将编写好的HAL模块命令为ec.comp，编译生成ec.ko，利用insmod命令将其安装后就可以加载到线程中。

当HAL模块启动的时候，需要对变量进行初始化，但完成EtherCAT主站的初始化是更重要的，只有初始化了主站，设置好参数，建立起完整的通信网络，才能进行接下来的周期数据传输，其中PDO为进程数据对象、SDO为服务数据对象。如图为EtherCAT主站的初始化流程图。

主站初始化完成后，LinuxCNC开始正常运行。LinuxCNC在每个控制周期通过硬件抽象层下发控制命令，并获取从站设备反馈的信息。

HAL周期任务流程图如图所示。

对于采用位置控制的伺服单元，HAL模块每次都要计算出本控制周期的位移或目标点，然后通过EtherCAT总线发送到从站运动控制器;

然后从站运动控制器在每个控制周期上报编码器位置增量和I/O状态，HAL模块计算出轴的实际位置后发送给LinuxCNC。

UI界面

在Linux环境下开发用户界面的语言有Python, C++等，图形库有QT, GTK等。由于控制界面运行于用户态，实时性要求不高，同时兼顾开发难度和周期，本课题采用Python语言，结合PyQT图形库开发冲床控制界面。Python是一种面向对象的脚本语言，与其他语言相比，Python具有如下优点:面向对象、公开免费、跨平台可移植、功能强大、使用简单、模块丰富。QT是一个功能丰富广泛使用的GUI图形库，可用于Windows, Linux等平台，具有很好的可移植性。PyQt是Python语言与Qt图形库相结合的产物，从而可以通过Python来使用Qt图形库，具有模块丰富、跨平台和使用信号与槽机制的优点。数控界面调用LinuxCNC抽象出的Python接口与任务控制器通信，并监视LinuxCNC状态信息和错误信息。

本课题冲床数控系统设计加工状态、参数设置、警告与诊断和软件设置四个状态界面，四个状态界面下一共分设13个子界面，各个界面之间可以通过按钮进行切换，数控系统界面结构图如图所示。系统的主界面由菜单栏、工作窗口、快捷工具栏和消息提示栏这四部分构成。菜单栏可以根据不同的操作需求切换不同的工作窗口，快捷工具栏是一些常用的快捷按钮，消息提示栏是提示快捷按钮内容和显示系统运行状况、错误信息汇报的区域，如图所示。 2.参数设置界面:参数设置界面用于设置控制系统及机械的参数，分设了系统参数设置、运动轴参数设置及模具库参数设置这3个子界面。下面主要讲解运动轴参数，运动轴参数设置界面如图所示。

3.警告与诊断界面:息记录界面这2个子界面。警告与诊断界面下设有警告信息诊断界面、历史警告信，如图所示。

4.软件设置界面:软件设置界面用于设置软件与外部设备的通讯参数和显示软件的版本等信息，设有软件信息、外部设备通讯设置及高级设置这3个子界面。下面讲解外部设备通讯设置界面，如图所示。

4.4 ET1200

EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)是由德国BECKHOFF自动化有限公司提供的，包括ASIC芯片和IP-Core，实现EtherCAT数据链路层协议。目前ASIC从站控制专用芯片有ET1100和ET1200，也可以使用IP-Core将EtherCAT通信功能集成到设备控制FPGA当中，并根据需要配置功能和规模。图为ET1200从站控制器结构图: ET1200最多支持3个EtherCAT物理通信端口:

其中一个可以作为MII接口，用于与物理层PHY芯片交换数据。因为EtherCAT并不定义该接口的物理层，MII接口也是和传输介质无关接口，因此这种接口方式下的数据链路层与物理层彻底隔开，从而以太网能够选用任意的传输介质，包括无线电和光纤。ET1200其余两个接口均为EBUS接口，EBUS是德国倍福公司使用的LVDS(Low Voltage Differental Signaling)标准定义的数据传输标准，通信速率高达100Mbit/s，能与ESC芯片直接相连，减小PCB板体积和降低成本。EBUS的传输距离最大为10m。ET1200提供的物理设备接口有数字I/O和SPI两种，选用ARM作为从站微处理器是一般通过SPI接口访问ET1200。ET1200采用3.3 V供电，最大工作电流约为70mA，芯片发热量很小。

ET1200的主要技术指标：

ET1200从站控制器使用外部EEPROM来存储从站设备信息，下表是EEPROM存储数据分布示意图，其中0~63为基本信息，每次ESC启动时都会从EEPROM中读取其中的配置信息。

4.5 从站程序设计

运动控制器软件设计包括ARM主控制程序及外围电路驱动程序，外围驱动程序包括ET 1200驱动程序、AD采样芯片驱动程序、RS232驱动程序、SPI串行总线、FSMC并行总线驱动程序以及MCX314加减速控制程序设计等。运动控制器程序在STM32F427这款MCU上使用C语言开发，开发环境为Windows 7下的Keil uVision_5集成开发环境。

ARM主控制程序是运动控制器的核心，需要完成各个函数初始化、参数配置、数据处理、逻辑流程控制及控制算法运算等，图为支持查询模式(自由运行模式)的流程图。

ARM芯片在上电后不久进入main()函数，在main()函数中最先完成一系列系统正常运行相关函数的初始化，如延时初始化函数、LED初始化函数、串口初始化函数、中断向量表配置初始化函数，然后完成SPI初始化函数、定时器初始化函数、EtherCAT初始化函数以及FSMC总线初始化函数等。

接着完成通信初始化工作，查询主站的状态控制寄存器，读取事件请求寄存器0x220、相关配置寄存器，启动或关断相关通讯服务。

在完成以上工作后就进入主循环while(1)，进行应用层任务处理和周期性数据处理，周期性数据处理和应用层任务处理有查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)这两种，本程序采用同步运行模式，所以在主循环中主要处理非周期性的任务。同步运行模式下周期性数据在中断服务程序中处理。

void main(void)

{

//--一执行一系列初始化函数--一

Delay_Init(168); //初始化延时函数

Led_Init(); //初始化LED端口

Uart_Init(9600); //初始化串口

AD7606_Init(); //初始化AD采样芯片

NVIC_Config(); //初始化STM32时钟及外设

SPI_Config(); //ET 1200用SPI总线初始化配置

Timer2_Init_ Config(); //Timer2初始化配置

ET 1200_GPIO_Config(); //ET 1200 GPIO初始化配置

ECAT_Init(); //初始化通信变量和ESC寄存器

FSMC_Init(); //FSMC并行总线初始化

//--一初始化完成，进入主循环--一

while(1)

{

ET1200_AlEvent=pEsc->AlEvent; //读应用层事件请求寄存器，

// ET1200_AlEvent为全局变量，在头文件中定义

if(!ET1200_IntEnabled) //处于自由运行模式(ET 1200_ IntEnabled -=0

//处于同步模式(ET1200 IntEnabled==1)

free_ run(); //处于自由运行模式时，进行周期性数据查询

el_event(); //应用层任务处理，包括状态机和非周期性数据等

}

从站设备可以运行于同步模式或自由运行模式，在自由运行模式中使用查询方式处理周期性过程数据，在同步模式使用中断服务程序处理性数据。

变量ET1200 IntEnabled来控制运行模式。ET1200 IntEnabled为1时，使用同步模式，ET1200 IntEnabled为0时，使用自由运行模式。

根据主站对SM的配置，在函数、参数初始化阶段来初始化变量ET1200_ IntEnabled，确定当前的运行模式。

本程序选择同步模式，以下将按照该模式讲解一个中断服务数据处理的工作流程，如图所示。

4.6 实验测试

实验测试平台由一台PC机、一套自主研发的冲床数控系统软件、一台自主研发的五轴高速运动控制器、一套单轴丝杠滑台、一套二维伺服平台、一套四轴同步测试架组成。

实验过程中需要注意，因为目前运动控制器专为数控冲床设计，仅保留1个M II接口连接主站，且设计最多连接轴数为五轴，故连接四轴同步测试架时不能接单轴丝杠滑台和二维伺服平台;测试过程中工业PC机和显示器使用笔记本代替。在平台上测试通过后将控制系统接入到LX230B型数控转塔冲床上进行测试和参数调试，最终成功开发出30T数控转塔冲床用高速运动控制系统。

基本通信功能测试

EtherCAT主从站基本通信功能测试时首先按图所示，使用网线将PC机与从站运动控制器连接起来后，在数控软件通信设置的外部设备通信设置中找到运动控制器连接状态，点击重新连接。使用Wireshark抓包工具抓取连接过程中主站广播的数据包，最终连接成功时运动控制器连接状态指示灯变为ON，从站状态变为操作状态(OP)，从站状态机启动正常，如图所示。

由图可知该实验中EtherCAT报文的格式。报文总长度60个字节，前14个字节是以太网数据帧头，包括6字节的目的地址(ff:ff:ff:ff:ff:ff ) } 6字节的源地址(78:a5:04:c0:be:6f)} 2字节的帧类型(Ox88a4);接着是2字节的EtherCAT头，包括11位数据长度(Ox02a)}1位保留位(Ox0)}4位类型位(0x1);然后是EtherCAT数据，数据为2个子报文，每个子报文包含10字节子报文头，16字节数据，2字节WKC(工作计数器)。Wireshark抓取的报文与2.1节中的EtherCAT帧格式一致，从而主从站之间实现了基本通信。

控制系统基本功能测试

控制系统基本功能测试是验证系统软硬件功能正常的重要实验，该项测试在单轴丝杠滑台完成，连接好PC机、运动控制器和单轴丝杠滑台，如图所示。在数控软件的手动加工中对输出I/O如伺服使能、紧急停止，回零点如X轴回零、Y轴回零，单轴位移控制如X+, X-, Y+, Y-进行测试，并观察滑台的运动情况和伺服驱动器面板显示来判断各项功能是否正常。经测试，软件上的相关按钮都工作正常，五个轴的接口、I/O接口工作正常，产生的脉冲精度误差为0。故数控系统软硬件基本功能测试通过。

G代码解释、圆弧插补测试

通过二维伺服运动平台圆弧插补实验测试运动控制系统G代码解释、圆弧插补等功能。该项测试主要在二维伺服平台上完成，连接PC机、运动控制器和二维伺服平台，如图所示，通过数控系统控制二维伺服运动平台的X轴和Y轴电机做圆弧插补，利用上方横梁固定的笔杆记录二维平台上白纸相对运动下的轨迹。二维平台中的两组伺服机丝杠的参数完全一致，丝杠螺距为20mm，设定伺服驱动器驱动电机旋转一圈为2000个脉冲，可知丝杠走1 mm需要100个脉冲，由此设置数控软件中的X, Y轴脉冲当量都为1000。

使用AutoCAD设计一个直径D为80mm的圆周，如图所示，绘制完成后保存为.dxf格式，然后使用一体化饭金CAD/CAM编程软件cncKad将.dxf格式的图纸转化为冲床数控软件所需的.PNC文件，即G代码。然后将G代码文件导入到数控软件中，预加工仿真运行无误后启动伺服，进行实际加工，最终得到实际绘制效果图如图_5 -6所示。绘制出的圆周尺寸精确，控制系统通过圆弧插补测试。

多轴运动的同步性能测试

多轴同步测试实验用来测试运动控制系统多轴运动的同步性能。该项测试主要利用四轴同步测试架完成，如图所示，测试架上固定安装有A, B, C, D共4组电机和驱动器。将电机驱动器与运动控制连接，控制器通过EtherCAT总线与PC机连接，打开数控软件，在加工状态中选择手动加工，控制伺服电机A, B,C, D同时做顺时针运动旋转，通过长时间运行测试观察轴上4个光盘指向分析电机运动的同步性。经过长时间测试观察后，电机按钮停止伺服轴转动，可以看到4个电机指向同一方向，驱动器面板显示脉冲数也一致。

实际产品应用

在上一节的一系列实验后，控制系统的各项功能都顺利通过测试，接下来把开发好的控制系统制作成便于使用的操作台和控制柜接入到LX230B型30T的数控转塔冲床上，取代原有的控制系统，操作台和控制柜如图所示。该冲床选用安川 -7系列AC伺服电机、 -V系列AC伺服驱动器。首先调试好伺服电机与伺服驱动器之间构成电流环、速度环的PID参数，让闭环的性能达到较好水平，再接入控制系统，其中编码器分频脉冲输出C相信号在轴回原点时使用。

为观测控制系统在数控转塔冲床上的应用效果，需要采用非接触测量仪测量板材运动过程中的振动曲线。根据实验室现有的条件，采用由日本Keyence公司生产的LK-G400型激光位移传感器和LK-GD_500型控制器作为非接触式测量工具。 LK-G400的主要技术参数为:使用距离为400mm，测量范围为士100mm，取样率20us,钡量精度为gum o LK-GD_500型控制器主要参数为:最小显示单位为O.Olum,显示周期10次/秒。

在冲床大板材(1200mm X 2_SOOmm)上选取测试点W点，如图所示。采用S型曲线加减速规划，加速度g为6，控制板材在X轴上高速移动lOmm,运动控制器输出的PULS(脉冲)信号局部波形如图所示。

使用软件LK-Navigator读取传感器测量的数据，如图所示。由图分析可知调节时间为130ms(按士0._5%误差带)、稳态误差士0.0_Smm，各项指标良好，达到工业应用要求。

5. 工具

5.1 TwinCAT

EtherCAT主站方案实现一般都采用倍福公司的TwinCAT, TwinCAT实现了强大的EtherCAT主站功能，从站XML表配置、EEPROM配置文件操作、扫描EtherCAT从站等，下图为使用TwinCAT开发冲床数控系统的过程。因为TwinCAT是基于Windows风格，拥有较好的人机交互界面，功能强大，非常适合上位机控制窗口的开发，但TwinCAT运行于Windows环境下，实时性很差，而且TwinCAT和Windows系统需要付费才能商业化应用，价格较高。

在学习EtherCAT的时候，TwinCAT是必须要学习的。TwinCAT软件其功能强大，可以写plc程序，可以写图形化界面，可以观察波形等等。初次学习时我就参考TwinCAT 3运动控制教程和TwinCAT NC PTP实用教程，把TwinCAT 3中界面的一些功能都试了一遍。另外用功能块学着写了凸轮、齿轮的程序，并用Visualization图形化界面来控制。（在学习TwinCAT时，要充分利用好帮助文档）。

因为我的任务是做一致性测试，所以关注点大部分放在了对协议的了解上，涉及到一致性测试的文档有ETF7000.2、ETG7010。具体可以去ETG官网上查找相关资料。做一致性测试时需要用到ET9400，这款软件不是免费的。目前还没开始测这部分。

对于带有EtherCAT伺服驱动器的性能的测试，用TwinCAT带着简单测过csp、csv、cst这三种模式。如果想要系统的测试驱动器所支持的操作模式，必须对驱动器的相关知识有一定的了解。另外就是对对象字典中对象充分了解。TwinCAT中的Process Data和CoE-Online界面是很重要的。这点我也没有完全掌握。没有以太网基础，对协议没有了解，直接接触EtherCAT这条学习之路感觉很艰难！

5.2 LinuxCNC

5.3 开源的EtherCAT Master

EtherCAT的主站开发是基于EtherCAT机器人控制系统的开发中非常重要的环节。目前常见开源的主站代码为的RT-LAB开发的SOEM (Simple OpenSource EtherCAT Master)和EtherLab的the IgH EtherCAT® Master。使用起来SOEM的简单一些，而the IgH EtherCAT® Master更复杂一些，但对EtherCAT的实现更为完整。

具体比较如下表：

参考资料

EtherCAT协议介绍.pdfEtherCAT Technology Group _ 技术概览记录STM32开发一个完整的EtherCAT的过程

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EtherCAT (学习笔记)

文章目录1. 简介1.1 运动控制1.2 实时以太网1.3 EtherCAT2. EtherCAT原理介绍2.1 实时性2.2 端口管理2.3 EtherCAT网络拓扑2.4 EtherCAT网络协议栈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)

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专栏目录

ethercat总结

02-14

ethercat总结，主要是Ethercat基础介绍，运行原理与常用协议说明

EtherCAT中文介绍

10-22

实时以太网EtherCAT中文介绍资料，英文不好的可以参考一下。EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。

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EtherCAT Slave Stack Code (SSC)

05-28

BECKHOFF（倍福）官方提供EtherCAT从站协议栈代码生成工具

版本：SSC V5.12（Tool 1.4.2）

EtherCAT EoE

EtherCAT学习之路——概述 - 知乎

EtherCAT学习之路——概述 - 知乎首发于EtherCAT学习之路切换模式写文章登录/注册EtherCAT学习之路——概述白细胞最近在做基于EtherCAT的项目，看了一些网上的博客，感觉写的都比较松散。虽然，自己也是才开始学习，希望能把这段时间学到的东西总结一下。这是倍福的官方介绍，有时间的可以看一下。1.EtherCAT简介 EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。 EtherCAT是一种工业以太网技术，看到的大多数应用场景都是伺服电机。因为是基于以太网的技术，所以EtherCAT相比于CAN总线而言，速率上要快不少。EtherCAT可以达到100M的速率，而CAN只有1M。此外，EtherCAT还具备低延时和精准同步的特点。在工业总线中，低延时、精准同步是用户的关键需求。试想一下，工厂中某个器件的生产需要A/B/C三个机器协同操作，原本预想的是A先操作期间，然后B把器件传递给C，C再操作。如果，A/B/C不同步，或者操作命令的传达有延时，A还没有操作完器件，B就已经开始进行传递了。这时要么器件损坏，要么就做出来个半成品。而EtherCAT相比于普通的以太网技术就有这两点的优点。2.EtherCAT基本原理 EtherCAT基本原理这一节PLC攻城狮的《浅析EtherCAT 总线》讲的还是比较清楚，推荐大家看一下。下面我就简单说一下自己的理解。倍福官方对EtherCAT的传递机制的命名叫做：ON The Fly。图 2-1 On The Fly On The Fly技术可以从两方面来解读，第一个方面是以太帧“时分复用”。一般以太帧里都只包含了一个设备发送的消息，5个设备就会发送5条以太帧。而EtherCAT则是多个从站共享一条以太帧。就像图2-1中的火车，EtherCAT主站发出了“火车”（以太帧），各个从站则从这辆火车的不同的“车厢”（子报文）中提取或插入自己的“乘客”（消息）。这样一来就实现了以太帧的“时分复用”，只用一条以太帧（最大1486byte），就可以让各个从站都收发出自己的消息，大大的降低了通信的延时（这一部分《浅析EtherCAT 总线》里面讲的比较清楚，还没理解的同学可以看看）。 On The Fly影响的另一个方面就是总线仲裁了。所谓总线（例如CAN总线），就是大家都共用一条通道来通信，各个设备都挂载在同一条总线上。所以，当一个总线上的多个设备同时想要发消息的时候，就会产生冲突，所以，就有总线仲裁的机制。控制器决定当前时刻，谁来发消息，谁来“占用”这条总线。而EtherCAT玩了一个花样，EtherCAT的各个设备之间是一种P2P（Point to Point）的连接方式，这些设备根本没有连接在“同一条”总线上。下面是EtherCAT的连接结构。图 2-2 EtherCAT连接结构图2-2中，最左边的是主站，后面的都是从站，各个从站下面还挂载了不同的设备。可以看到主站向从站1发送以太帧，从站1接收、处理完自己的子报文后，再把以太帧发送给从站；从站2接收，处理完自己的子报文后在发送给从站3；如此往返，直到最后一个从站n接收处理完自己的消息，再把这条以太帧返回回去。所以，各个从站之间根本就不会存在总线冲突。EtherCAT只需要预先配置好各个从站占用的子报文位置，也就是On The Fly技术，就可以解决总线总裁这一个老大难的问题，确实是一箭双雕。当然，这种解决方案也是有它的缺点的。比如，从站数量非常多的时候，最后一个从站就需要等前面的从站一次次转发才能收到消息。当然，我觉得EtherCAT应该也想到了这点，应该也采取了某种机制来避免这种最远设备延迟的缺陷。但是，我还没深挖这个问题，所以，没看到相关的解决机制。如果有了解的同学希望能指教一下。3.EtherCAT系统组成 EtherCAT系统主要就一个主站和若干从站组成。如图3-1所示：图3-1 EtherCAT系统组成 EtherCAT一般使用软件的方式来实现主站，包括倍福的TwinCAT，Igh，KingStar等等都是基于一台实时操作系统的PC，通过以太网卡，来实现主站的功能。因为，主站不是我的项目重点，所以，目前了解的还不多。先挖一个坑，后面有时间了研究一下，再来补上。现在我是用TwinCAT的免费版来学习和调试的。TwinCAT本身是收费的，不过，它有试用版，试用版不具备实时功能，调试一下设备还是足够了。从站的组成如图3-2所示：图 3-2 从站组成从站一般是有3部分器件组成的：物理层器件、EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Control）和微处理器（MCU）。物理层器件就是以太网的PHY芯片和网口，ESC是实现EtherCAT协议栈的专用ASIC，从站控制微处理器主要实现应用层（如CANopen）和用户自定义的程序。看到这里没有通信基础知识的通信可能就有点懵逼了。物理层，数据链路层，应用层这些是个啥玩意？这里我就简单说一下，想要深入理解还是可以看看OSI模型，大多数的通信技术都脱离不了这个框架。图 3-3 OSI模型这里偷了个懒，盗用一下PLC攻城狮的图片。OSI中有7层，EtherCAT系统中只用了3层：物理层、数据链路层、应用层。先降维的说一下这几层是啥意思。最基本的通信就是咱们人类说话，我就以我们普通对话来讲解一下这三层的意思。物理层：人类的语言是通过嘴发声，声波在空气中传播，传递到耳朵，耳朵听音再汇聚到大脑，大脑最终判断出声音中的信息。我们的嘴、耳、声波和空气就是物理层。物理层的重点是信号在介质中的传递表示，不同的字有不同的发音规则，不同的频率和声调，比如“哦”，我们就需要发出“o”这个音，我们听到“o”这个音的时候，才能判断出“哦”这个字。计算机通信的原理和这个也是一样的，信号在光纤、电缆以及空气中传播，计算机需要判断电缆上的电平的高低来判断0,1bit。当然，计算机比人类要傻很多，它不知道“某句话”的“发音”是从什么时候开始的，什么时候结束的，所以，物理层还需要告诉它信号的起始时刻和持续的长度等等。数据链路层：通过前面的物理层，我们已经具备了基本的发声的手段，通过嘴改变声音的频率、音调、音长等特征（通信系统中，天线或者光模块改变信号的电平高低、信号频率、调制方式等特征），让声音在空气中传播（通信系统中，信号在相应的介质中传播），然后，耳朵识别这些频率、音调、音长等特征（通信系统中，接收端的识别信号的电平高低、频率、调制方式），最终实现口到耳的传播。但是，光是这样还足够实现通信。试想一下，你和你的几个朋友处在一个嘈杂的环境当中，远处有汽车的轰鸣，旁边还有小孩子在哭闹，你的朋友们每个人在抢着发言，大家七嘴八舌的，根本听不清对方在说什么。所以，你和你的朋友之间想要对话就必须克服两个困难，第一，屏蔽掉耳旁的那些轰鸣声、哭闹声；第二，需要建立一种对话机制，让大家互相可以听清对方的话语。第一点中描述的那些轰鸣、哭闹声，实际上就是通信系统中的噪声，噪声太大时，我们是无法通信的，因为我们根本听不清旁边的人在说些什么，只能听到轰鸣、哭闹声。最简单克服噪声的办法就是提高信号的发射功率，也就是大声地说话，让自己的声音盖过那些哭闹声，也即是通信系统中的功率控制。还有一种办法就是我们过滤掉一些噪声，虽然，这些声音都会进入我们的耳朵，但是，我们的大脑可以过滤掉一些不关注的声音，专注的去接收那些关注的声音，也即是通信系统中的频率选择。此外，大家七嘴八舌的说话也是一个问题。7,8个人同时在说话，你能听清楚一两个就不错了，其他人在说啥，根本没法听清。所以，我们说话的时候，一般会有一个轮流的机制。每个人说两句，别人说话的时候，别插嘴。或者，两个人说悄悄话，不打扰到别人，自己也听得清。这里的轮流说话机制，就是通信系统中的“时分复用”或者“频分复用”；一个人说7个人听，就是广播；1对1的悄悄话就是单播。数据链路层实际上就是用来解决以上的这些问题。数据链路层会将待传输的消息组成一个帧，如图3-4所示：图3-4 EtherCAT帧结构这个帧里就会包含目的地址、源地址、帧数据、帧校验位等。通过目的地址就可以确定帧传递的对象，通过源地址接收方也可以知道是谁发送了这条帧。在数据帧之外的地方，一般还会存在一个控制器（比如EtherCAT主站），这个控制器会决定，其他的从站什么时候传输数据，数据可以占用多少的资源。在其他的一些更复杂的通信系统中，数据链路层还会根据当前的信道条件（噪声情况），来决定各个设备的发射功率，调制方式等。应用层：说完了数据链路层，我们还需要继续了解一下应用层。首先需要明确的一点，这里的应用层和我们手机、电脑上的应用程序不是一个东西。最为常见的应用层协议就是HTTP。简单来说，应用层是对数据的一种格式约定。这里还是用人类的对话来打个比方。你和一个老外，大家都有口有耳，也都是文明人，知道等对方说完自己再说。但是，你不懂英文，他不懂中文，你们还是无法交流。他说了“double”，你以为是“打包”；他说“You need cry deal”，你以为是“有你的快递”。这实际上就是你们的应用层协议不对等，他安装的是“英语”应用层协议，你安装的是“中文”应用层协议，大家说话牛头不对马嘴，根本无法交流。再夸张一点，我和你都是中国人，我们都听得懂中文，当时我是学通信的，你是学自动化的，我说PRACH信道，信道检查与估计，匹配滤波这些词的时候，你能明白每一个字的意思，但是连着一起是啥就不知道了。这就是因为你确实“通信系统”这个应用层协议。应用层协议最终的目的，就是让消息的收发双方知道这一串“1010101010”代表的是什么意思。本来这一章准备昨天就写完了，谁知道写了这么多无关的内容，后面准备新开一个博客把OSI的7层就讲一下，然后再把这一节删除掉。4.学习书目其实，前面说了这么多，我觉得只有这一节最重要，介绍一下我的参考书目。网上虽然有各种各样的博客、知乎文字，但是始终是比不上书本上的详细和系统的。网上这些博客可能可以吃个快餐，但绝对不是什么捷径。不系统的学习，只能让你一知半解，能做个Demo出来就不错了。一旦遇到一点bug，根本无从下手。所以，一定要多读书，读好书。这里有几本书要给大家推荐一下。首先是北京航空航天大学出版社，郇极、刘艳强编写的《工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用》。这本书详细的介绍了EtherCAT协议、从站控制芯片以及相关应用层协议。我这里的大多数内容都取自于这本书中，如果能把这本书都看懂、看明白，那EtherCAT从站开发，应该不会有太大的难点。第二是周立功的《CANopen轻松入门》。EtherCAT是一个数据链路层的协议，所以还需要配合上层的应用层协议才能更好的工作，CANopen即是工业物联网中一个比较常用的应用层协议。事实上，进行从站开发的时候，应用层协议会占到很大的比例。因为，EtherCAT从站一般都会使用一个专用ASIC（如ET1100）来实现EtherCAT协议栈，也即是完成数据链路层的工作。对于数据链路层，我们只需要做一些配置工作，而应用层协议则需要通过软件来实现。第三是倍福官方的《EtherCAT Slave Information Specification 》和《Application Note ET9300》。前面说了，EtherCAT协议栈的功能都是在ET1100上实现的，开发从站是不涉及这部分数据链路层的代码的。但是，我们还是对从站进行相应的配置，包括PDI控制，SYNC信号脉冲宽度等信息（称为EtherCAT Slave Information，ESI）。这些信息的配置就在《EtherCAT Slave Information Specification》里有详细讲解。此外，从站开发还需要实现CANopen等应用层协议。对于应用层协议的实现，在《Application Note ET9300》里有比较详细的讲解。像ET1100、AX58100、LAN9252这些EtherCAT控制芯片，其芯片厂商都会提供一些Demo程序，这些Demo程序实际上都是基于《Application Note ET9300》里的软件框架来完成的。《Application Note ET9300》只有英文版，我自己也还没有看完，而且比较重要，后面专门拿一章来细讲。第四是SSC，这是倍福提供的一个软件。前面说了，从站开发的两个关键步骤是EtherCAT控制芯片的配置和应用层协议的实现。倍福提供了SSC这样一个软件，它可以直接根据配置和需求，生成所需的xml描述文件和应用层代码。当然，这个软件生成的代码原生只适配与倍福自己的ET1100或ET1200芯片，其他的LAN9252、AX58100都做一些修改。这个东西看着很美好，也就那么回事。其实，每个芯片厂商都有提供自己的Demo程序，这些Demo程序都简单实现了应用层协议。如果是使用非倍福的芯片，不如直接在芯片厂商的Demo程序上改，这样可以避免一些莫名其妙的bug。不过，如果所需的应用层协议，芯片厂商没有提供Demo程序的话，还是需要用SSC生成一个参考，然后，再基于这个参考来修改。题外话原本以为一个晚上可以搞定的工作，生生花了2个晚上。很多地方写得比较零碎，特别是OSI那一段扯得有点远了，写了不少和主题无关的内容，后面找时间再重新精简一下。第一次写博客，可能有不少不准确或者错误的地方，还请大家见谅。如有不对之处，还请多多指教。编辑于 2020-03-13 16:39工业互联网/物联网平台个人博客以太网（Ethernet）赞同 19716 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EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎

EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程 - 知乎首发于IT技术专栏切换模式写文章登录/注册EtherCAT - 以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术教程iiidd777IT技术分享及教程EtherCAT - 以太网现场总线本文深入阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术。EtherCAT为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。另外，由于EtherCAT实施的成本低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的场合中选用该现场总线。1. 引言1.1 以太网和实时能力2. EtherCAT 运行原理3. EtherCAT 技术特征3.1 协议3.2 拓扑3.3 分布时钟3.4 性能3.5 诊断3.6 高可靠性3.7 安全性3.8 EtherCAT 取代PCI3.9 设备行规3.9.1 EtherCAT实现CAN总线应用层协议 (CoE)3.9.2 EtherCAT实现伺服驱动设备行规IEC61491 (SoE)3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE)3.12 ADS over EtherCAT (AoE)4. 基础设施成本5. EtherCAT 实施5.1 主站5.1.1 主站实施服务5.1.2 主站样本代码5.2 从站5.2.1 EtherCAT Slave Controller5.2.2 从站评估工具包6. 小结7. 参考文献1. 引言页首现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术（参见图1）。图1: 传统现场总线系统响应时间在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。1.1 以太网和实时能力目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84= 4.8%。如果按照10 µs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。2. EtherCAT 运行原理页首EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见图2）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。图 2: 过程数据插入至报文中由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。100 Mb/s TX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于100 Mb/s（即大于2 x 100 Mb/s的90%）（参见图3）。图 3: 带宽利用率的比较符合IEEE 802.3标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS（一种可供选择的以太网物理层标准[4，5]），以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展了。之后，便可以如普通以太网一样，随时进行从底板物理层LVDS到100 Mb/s TX物理层的转换。3. EtherCAT 技术特征页首3.1 协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文（参见图4），这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。图 4: EtherCAT：符合IEEE 802.3 [3]的标准帧另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。按照文献[3]所述，EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT 以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具（如：监视器）。3.2 拓扑EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等（参见图5）。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。图 5: 灵活的拓扑结构：线型、树型或星型拓扑最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASE-TX模式传送信号；塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合；还可通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线（如：不同的光纤和铜电缆）的完整组合。快速以太网的物理层（100BASE-TX ）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米。由于连接的设备数量可高达65535，因此，网络的容量几乎没有限制。3.3. 分布时钟精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。最有效的同步方法是精确排列分布时钟（请参阅IEEE 1588标准[6]）。与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基（参见图6）。而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。图 6: 同步性与一致性：相距电缆长度为有120米的两个分布系统，带有300个节点的示波器比较此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。3.4 性能EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O周期时间（参见表1）。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 µs。表 1: EtherCAT性能概貌100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100 M bps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。 3.5 诊断现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。试运行期间，驱动或I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行（配置上载）。可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外，对于电磁干扰、连接器破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。3.6 高可靠性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网络瘫痪。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网端口（无需专用网卡或接口），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网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。图 7: 使用标准从站设备的低成本线缆冗余3.7 安全性为了实现EtherCAT安全数据通信，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。EtherCAT被用作传输安全和非安全数据的单一通道。传输介质被认为是“黑色通道”而不被包括在安全协议中（见图8）。EtherCAT过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。这个“容器”在设备的应用层被安全地解析。通信仍然是单一通道的。这符合IEC61784-3附件中的模型A。图 8: 使用黑色通道的EtherCAT安全通信软件构件EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局（TÜV）评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。设备上实施EtherCAT安全协议必须满足安全目标的需求。相应的产品相关要求也必须考虑进来。图 9: EtherCAT安全系统图9中的应用示例受益于这种技术。安全元件在自动化系统中所需要的任意地方都可以使用。系统中可以使用不同规模的本地输入和输出元件。可以根据需求使用安全或非安全总线端子扩展额外的输入和输出。安全逻辑也嵌入到网络当中。这样不用安全扩展的标准PLC可以继续处理控制任务。安全输入和输出功能需要的本地安全逻辑由智能化的安全总线端子实现。这节约了昂贵的安全PLC所带来的成本，并可以根据当前任务随意裁剪逻辑功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全从站通过非安全的标准PLC路由。· 本协议在安全数据长度，通信介质或波特率方面么有限制。· EtherCAT被用作“黑色通道”，即，通信系统在安全处理中没有任何作用。· 协议被鉴定符合IEC61508定义的SIL3等级· 提供EtherCAT安全功能的产品已经于2005年就上市了。3.8 EtherCAT 取代PCI随着PC组件急剧向小型化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性——IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子（参见图10）。除了可以对分布式I/O进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。图 10: 分布式现场总线接口即使是其他无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯（参见图11），因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积和外观，而且也降低了IPC主机的成本。图 11: EtherCAT使控制器的体积显著减小3.9 设备行规设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。3.9.1 EtherCAT实现CANopen (CoE)CANopen©设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen©固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。3.9.2 EtherCAT实施伺服驱动设备行规IEC 61491 (SoE)SERCOS interface™ 是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS™框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到 EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图12）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS™数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS™协议状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS™协议的通信阶段。EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合，保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令，速度命令或扭矩命令。取决于实现方式，甚至可能继续使用相同的设备配置工具。图 12: 同时并存的多个设备行规和协议3.10 EtherCAT实现以太网(EoE)EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，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网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网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。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网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）。图 13: 对所有以太网协议完全透明EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。3.11 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。3.12 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：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen® 或 EtherCAT至IO-Link™ 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen® 或 IO-Link™从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（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报文中。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网络诊断信息的标准化方法。4. 基础设施成本页首由于EtherCAT无需集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。5. EtherCAT 实施页首EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O 端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT 使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。5.1 主站EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT 无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。图 14: 主站实施的单个过程映像5.1.1 主站实施服务已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9, MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux, PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。5.1.2 主站样本代码另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。图 15: 主站样本代码结构5.2 从站EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。5.2.1 EtherCAT Slave Controller目前，有多家制造商均提供EtherCAT从站控制器。通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，可以购买授权以获取相应的二进制代码。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：· 串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。· 8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。· 32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。图 16: 从站硬件：带主机CPU的FPGA图 17: 从站硬件：带直接I/O的FPGA关于EtherCAT从站控制器的最新信息，请登录EtherCAT网站[1]。5.2.2 从站评估工具包倍福公司提供的从站评估工具包使接口操作变得简便易行。由于采用了EtherCAT，无需功能强大的通讯处理器，因此，可将从站评估工具包中的8位微处理器作为主机CPU使用。该工具包还包括源代码形式的从站主机软件（相当于协议堆栈）和参考主站软件包（TwinCAT）。6. 小结页首EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC) 便可实现。EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯（参见图18）。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。图 19: 网络结构形式多样7. 参考文献页首[1]EtherCAT Technology Group (ETG) http://www.ethercat.org[2]IEC 61158-3/4/5/6-12 (Ed.1.0), Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Part 4-12: Data-link layer protocol specification – Part 5-12: Application layer service definition – Part 6-12: Application layer protocol specification – Type 12 elements (EtherCAT)[3]IEEE 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[4]IEEE 802.3ae-2002: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation[5]ANSI/TIA/EIA-644-A, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits[6]IEEE 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[7]EN 50325-4: Industrial communications subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. Part 4: CANopen[8]IEC 61800-7-301/304 (Ed.1.0), Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-301: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 1 to network technologies – Part 7-304: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 4 to network technologies[9]SEMI E54.20: Standard for Sensor/Actuator Network Communications for EtherCAT.为何使用EtherCAT？EtherCAT独特的运行机制使其成为“工程师的明智之选”。此外，以下特点对某些应用具有特别的优势。1. 卓越的性能总的来说 EtherCAT 是最快的工业以太网技术，同时它提供纳秒级精确的同步。目标系统由总线系统控制或监测的所有应用都将从此大大获益。快速反应时间减少了处理步骤中的状态转换等待时间，从而显著提高了应用的效率。最后，相对于设定了相同循环时间的其他总线系统，EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30%的 CPU 负载。而最好的情况下，EtherCAT 性能可以改善精度，获得更高的吞吐量，并降低成本。2. 灵活的拓扑在 EtherCAT 应用中，机器结构决定网络拓扑结构，而非反之。在传统的工业以太网系统中，可安装的交换机和集线器的数量是有限的，从而限制了整个的网络拓扑结构。而 EtherCAT 无需交换机或集线器，因此没有这样的局限性。简而言之，EtherCAT 在网络拓扑方面没有任何限制。几乎无限数量的节点可以组成线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。由于自动链接检测功能，节点和网段可在运行中断开及重新连接——甚至连接到其他地方。线型拓扑可以拓展为环形拓扑，从而实现线缆冗余。主站设备仅需要第二个以太网口即可实现这种冗余功能，而从站设备已经具备了支持冗余功能的条件。因此可在机器运转过程中进行设备交换。3. 简单且耐用配置、检测、维护都与系统的成本息息相关。以太网现场总线使得所有这些任务变得异常简单：EtherCAT 可以自动配置地址，无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层改善了抗电磁干扰的能力。网络可靠地定位检测潜在的干扰，从而大大减少了排除错误的时间。在启动时，网络将目标拓扑与现实拓扑对比从而检测差异。EtherCAT 出色的性能使得系统配置时降低对网络调试的需求。由于高带宽，可以将其他的 TCP/IP 与控制数据同时传输。然而，EtherCAT 并不是基于 TCP/IP 的，因此无需使用 MAC 地址或 IP 地址，更不需要 IT 专家配置交换机或路由器。4. 集成安全功能性安全作为一个网络结构的集成部分？对于 FSoE（Functional Safety over EtherCAT）来说不是问题。FSoE 是得到实际验证的，自 2005 年就有了通过 TÜV 认证的FSOE 设备。协议满足 SIL 3 系统要求，且适用于集中控制和分散控制系统。由于黑色通道的方式及特别精简的安全容器（Safety Container），FSoE 也可以应用于其他总线系统。该集成方案及精简的协议可降低系统成本。此外，一个非安全要求的控制器可以接受并处理安全数据。5. 低成本易实现EtherCAT 以相当甚至低于传统现场总线系统的价格水平提供工业以太网的特性。对于主站设备硬件仅需要一个以太网端口——而无需昂贵的接口卡或协处理器。不同形式的 EtherCAT 从站控制器可以从很多供应商获得：ASIC 芯片、FPGA，或标准微处理器的可选总线接口。由于这些便宜的控制器可以承担所有时间关键任务，EtherCAT 自身并不向从站设备 CPU 提出任何性能要求，从而降低了设备成本。因为 EtherCAT 不需要交换机或其他有源基础组件，从而节省了该类组件及其安装、配置和维护的成本。基于这些原因，EtherCAT广泛适用于：· 机器人· 机床· 包装机械· 印刷机· 塑料制造机器· 冲压机· 半导体制造机器· 试验台· 测试系统· 抓取机器· 电厂· 变电站· 材料处理应用· 行李运送系统· 舞台控制系统· 自动化装配系统· 纸浆和造纸机· 隧道控制系统· 焊接机· 起重机和升降机· 农场机械· 海岸应用· 锯木厂· 窗户生产设备· 楼宇控制系统· 钢铁厂· 风机· 家具生产设备· 铣床· 自动引导车· 娱乐自动化· 制药设备· 木材加工机器EtherCAT 常见问题1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性?2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？· 2.4. 会员可以享有何种利益？· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？· 2.6 将来会否收取会费？· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？· 3.2 是否有专利权？· 3.3 如何授权？· 3.4 开放源代码是怎样的情况？· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？· 4.4 FPGA的授权费用如何？· 4.5 是否必须将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？· 5.4 何谓二级Vendor ID?· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？· 5.6 我们如何申请Vendor ID？6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？· 1. EtherCAT技术· 1.1 EtherCAT性能远高于我的应用需求。为什么我还要使用该技术？卓越的现场总线性能决不会有坏处。即使对于慢速控制，使用EtherCAT也可以改善响应时间并简化配置工作，因为缺省配置就可以满足要求。此外，更短的响应时间可以改善您应用的性能，因为这缩减了传输等待时间（如，在下一个处理被初始化前对输入信号的等待时间）。如果您对性能要求并不苛刻，也可以因为EtherCAT的其它优势而选用它，比如，成本更低，更加灵活的拓扑结构，或者仅仅是使用方便。总而言之，您采用EtherCAT，就无需采用昂贵慢速的系统了。· 1.2. 为何使用EtherCAT可以降低成本？有这样几种原因：低成本的从站控制器降低了从站设备的成本。无需任何特殊的主站卡，主板集成的以太网控制器即可满足要求。无需交换机或集线器，因此降低了基础设施的成本。使用标准以太网线缆。实施简单，因此降低了实施成本。支持自动配置，无需任何手动设置地址，无需任何网络调整，因此降低了配置成本。· 1.3 EtherCAT是否仅局限于主站与从站的通讯应用？不是的。与其他实时工业以太网系统一样，一个设备（主站）必须要担任网络管理、组织介质读取控制的任务。对于EtherCAT，有两种方式可以实现从站与从站的通讯：在同一个循环周期内基于拓扑结构，其中上游设备可以与下游设备交换数据，而独立于拓扑结构的情况需要在两个总线周期实现数据交换。EtherCAT比其他的协议更具有速度优势，即使需要两个周期实现从站与从站的通讯，相对来讲也是高速高效的。· 1.4 如何保证EtherCAT设备的兼容性? 对于一个通讯技术来说，保证其实施的一致性及兼容性是该技术成功的重要因素。因此EtherCAT技术协会非常重视这些特性。技术实施协议方面的一致性是兼容性的前提，这意味着来自于不同厂商的设备可以在同一个应用网络中协同工作。为保证一致性，必须使用一致性测试工具（CTT）。此外，我们还有遍布全球的一致性测试中心（ETC）。对于通过EtherCAT一致性测试的设备，ETC将颁发官方一致性证书。更多关于一致性测试及设备认证的信息可以在一致性测试页面找到。· 2. EtherCAT 技术协会· 2.1 我必须成为ETG会员才可以使用EtherCAT吗？不需要。但是，您或许希望通过加入ETG来向您的客户或供应商展示您对该技术的支持。对于一个ETG会员，您将被邀请参加ETG会议，获取详细的技术规范及相关信息，并影响该技术的发展。· 2.2 我必须成为ETG会员才可以实施EtherCAT吗？虽然我们建议您加入ETG（见2.3/2.4），但如果您在您的机器或生产线上集成EtherCAT设备，那么我们认为您是最终用户，并不必须加入ETG。EtherCAT设备制造商必须要加入ETG，并获得一个EtherCAT Vendor ID。详情请在下载专区（请使用您的会员登录账号）下载EtherCAT Vendor ID政策（EtherCAT Vendor ID Policy）。会员资格免费获取（见2.5/2.6）。· 2.3 如何成为EtherCAT技术协会的会员？可以通过给ETG总部发邮件info@ethercat.org申请ETG的会员资格。您将得到所有必须的信息，如需求，会员申请表格等。在成为会员之前，请仔细阅读ETG By-Laws· 2.4. 会员可以享有何种利益？ETG会员优先享受技术支持，可获取仅提供给会员的EtherCAT规范、指南、免费从站代码和其他支持工具及相关信息。会员将被邀请参加ETG会议，如技术委员会（TC）或技术工作组（TWG），对规范进行审核和讨论。ETG会员有资格参加指定的EtherCAT培训和研发课程。此外，ETG会员还可以在EtherCAT官网上推广其产品，并作为合作伙伴参与我们的全球系列研讨会和全球重要展览会上的ETG联合展台。ETG会员权益· 2.5 为何ETG会员资格是免费的？会员年费或者其他的高额成本相对于获取一个开放的技术应该不是一个问题。因此，不仅没有ETG的会员费用，而且ETG会员获取协议堆栈，样本代码，评估套件，实施支持和其他的服务都是免费或者仅需很低的费用。· 2.6 将来会否收取会费？目前没有收取ETG会费的计划。如果将来需要收取会费（如，以支持ETG的外加服务），将由会员委员大会讨论通过决定。· 2.7 ETG会员如何影响该技术的发展？在ETG技术委员会会议上将对EtherCAT技术进行详细探讨，鼓励各ETG会员加入技术工作组和项目团队，并提出宝贵的建议和意见。会员区有所有工作组的列表（需登录）ETG工作组欢迎各用户、OEM、系统集成商和设备制造商提供有价值的需求反馈，ETG的工作历史表明这种反馈非常有效。技术使用者和开发者之间直接和个人的联系可以加强关于"Know-how"知识和技术信息的深层次交流。查找ETG会员详细信息请点击这里：EtherCAT组织架构· 2.8 EtherCAT技术协会的法律地位？ETG是（类似于德国大多数工会或政党）受德国法律允许的非注册协会或社团组织。根据相关法规，由于ETG不销售任何产品，因此ETG是一个非盈利性组织。会员对协会资产共同承担有限责任——ETG无资产，因此事实负债为零。· 3. EtherCAT: 开放的技术· 3.1 EtherCAT是一个开放性的技术。这意味着什么？这意味着每一个人都可以使用，实施，并获利于该技术。还意味着EtherCAT实施应该是兼容的，任何人不应为防止他人使用而改变这种技术。EtherCAT是国际标准(IEC61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)。· 3.2 是否有专利权？是的，EtherCAT技术有专利权，如同其他任何值得拥有专利权的现场总线技术一样。可以提供独特功能的技术需要专利权和授权以保护其不受复制和伪造的伤害。· 3.3 如何授权？对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的出色样本）：低额的授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此，设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。· 3.4 开放源代码是怎样的情况？EtherCAT技术本身并不开源。 EtherCAT符合IEC，ISO和SEMI标准，因此每个人都可以平等地使用EtherCAT技术。此外，无需缴纳主站使用授权费用。 ETG所有会员和EtherCAT用户组共同维护并促进EtherCAT技术的进一步发展。如果您有关于技术实施或者EtherCAT技术结合共享和开放源码系统方面的相关问题，请联系ETG总部或EtherCAT技术的专利方Beckhoff。· 3.5 是否有多种渠道获取EtherCAT从站控制器？有。EtherCAT从站控制器（ESC）实施可以从亚信电子、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、Trinamics、瑞萨电子、Intel以及 Xilinx获取。更多实施也即将发布。EtherCAT从站控制器概述可在资料下载区进行查询：下载区· 4. 实施方面· 4.1 我们想实施一个EtherCAT从站设备，应该如何开始？可以参考EtherCAT Slave Implementation Guide（EtherCAT从站实施指南）作为从站实施的开始，请点击这里下载。该文件涵盖从站实施的起始步骤，包括开发硬件、软件、研讨会和培训、一致性，以及一步步的提示信息。 EtherCAT从站协议栈可以从多个供应商获取。 Beckhoff将从站协议栈代码(SSC)-源代码免费开放给所有ETG会员。 EtherCAT从站实施套件也可以从相关供应商获取。请在官方EtherCAT产品指南中查询更多从站评估套件：EtherCAT产品页面· 4.2 我们想实施一个EtherCAT主站设备，应该怎么做呢？对于主站来讲，你并不需要专用的硬件设备。任何以太网MAC都可以满足要求。EtherCAT对资源消耗非常小，因此也无需特殊的通讯处理器。主站代码可以从多种渠道获得，如一些通过样本代码包提供的免费开放代码，甚至一些包含了RTOS的主站产品。实施服务同样有不同的供应商可以提供。请点击此处了解EtherCAT产品情况。· 4.3 EtherCAT从站控制芯片的授权如何？当您从EtherCAT从站控制器供应商那里购买了ESC芯片，所有的EtherCAT功能已经包含在芯片中。对EtherCAT从站设备供应商来说，取得了ESC供应商资格则包含该授权，无需额外的EtherCAT授权费用。· 4.4 FPGA的授权费用如何？当您从您首选的半导体分销商那里购买了FPGA，EtherCAT代码尚未加载。EtherCAT IP核授权适用于Intel和Xilinx的FPGA。您只需支付一个授权即可制造尽可能多的EtherCAT从站设备。此外，也有基于数量的授权。· 4.5 是否必须将我们的EtherCAT设备递交给一致性测试中心接受检测吗？不是。在官方EtherCAT测试中心进行一致性测试是可选的——但是，您的客户可能会需要一致性测试证书，而一致性测试证书只能通过官方测试后才能发放。您必须确保您的研发设施中应用了官方一致性测试工具（CTT）。每年，ETG都会维护和进一步发展CTT，CTT以订阅的方式提供。关于一致性的更多详情，请点击此处获得。· 5. EtherCAT Vendor ID· 5.1 什么是EtherCAT Vendor ID？EtherCAT Vendor ID是由EtherCAT技术协会为每一个供应商分配的唯一的标识号码。它与产品编码（product code ）一同将包含在EtherCAT设备的标识对象中。EtherCAT Vendor ID 列表· 5.2 我们的子公司/合作伙伴有EtherCAT Vendor ID。我们可以在我们的设备上使用它吗？如果要求将Vendor ID授予合作伙伴公司，请联系ETG总部。但是，我们建议每个EtherCAT设备用户使用自己单独的Vendor ID。· 5.3 我们正在使用技术提供商提供的接口板在我们的设备上增加EtherCAT接口。那么。我们可以在我们的设备上使用该技术提供商的Vendor ID吗？不可以。该技术提供商的通信设备上附带有Vendor ID。您应使用自己独有的Vendor ID来替代它，以便于您的设备可以在网络中被识别。· 5.4 何谓二级Vendor ID?二级Vendor ID是从原Vendor ID派生出来的，专门用来标识通讯接口设备类产品的Vendor ID，但这类产品无法参加后续的一致性测试。· 5.5 我们有一个CANopen® 的Vendor ID。我们可以在EtherCAT设备上使用它吗？对于您的EtherCAT产品，你需要一个EtherCAT Vendor ID。然而，在您申请EtherCAT Vendor ID时，您可以提出申请与您CANopen® 的Vendor ID相同的号码，如果您申请的号码仍然可用，ETG则会分配给您。· 5.6 我们如何申请Vendor ID？非常简单，您仅需到EtherCAT网站的会员页面下载:EtherCAT Vendor ID 申请表格· 6. Safety over EtherCAT· 6.1 是否需要添加一个EtherCAT接口来连接我的FSoE设备？不需要。RSoE协议采用一个黑色通道实现；无需为此设置安全相关的标准通讯接口。控制器，ASIC以及链接，耦合器相关的通讯接口都可以保留使用。· 6.2 是否需要为我的FSoE设备实施一个独立的控制器结构？使用两个微控制器是实现SIL 3安全设备的常用方式。但这并不是Safety over EtherCAT规范的要求。实现这个协议必须满足以下要求：- 完全符合IEC 61508和IEC 61784-3；- 完全符合FSoE协议规范；- 完全符合安全完整性等级（SIL）要求和相应产品的指定需求。· 6.3 我是否可以在其他非EtherCAT通讯系统中使用Safety over EtherCAT？可以。该协议可以在任何通讯中使用，可以是EtherCAT通讯，现场总线系统，以太网或类似的通讯，光纤，同轴线缆，甚至无线传输。对于通讯总线耦合器或其他设备没有限制或特别要求。· 6.4 是否有经过认证的Safety over EtherCAT堆栈可供使用？有，在ETG内部有服务提供商能够提供预先认证的FSoE协议栈和安全研发服务。Safety over EtherCAT协议非常简洁，协议状态机有明确的界定。经验表明，使用或不使用预认证的堆栈都可以在短时间内轻松实施。· 6.5 是否有Safety over EtherCAT的一致性测试？是的。FSoE测试案例规范适用于FSoE设备，并通过TUV批准。对于FSoE从站，测试案例与EtherCAT测试工具配合使用，可以执行一个自动的测试。通常情况下，由于灵活的主站配置，对于主站堆栈的自动检测更复杂。因此，可用的测试案例规范可以用于对主站的认可。Safety over EtherCAT规则ETG.9100包括了对一个设备验收的完整测试流程。· 6.6 我的Safety over EtherCAT设备是否需要经过相关机构（如TUV, BGIA）的认可？是的。Safety over EtherCAT设备的研发需要评估。设备的实现包括通过EMC报告，Safety over EtherCAT一致性测试，并通过所有符合IEC 61508的安全周期流程。该评估将由机构实现。· 6.7 我是否需要在设备上市前在FSoE测试中心进行官方测试？是的。FSoE测试政策是需要通过官方FSoE测试中心测试的。进行FSoE一致性测试的前提是拥有有效的EtherCAT协议实施认证。FSoE测试中心的所有测试都可以在内部进行准备。· 6.8 为何我在设备上实施Safety over EtherCAT协议需要授权？Safety over EtherCAT是一种为很多设备制造商所采用的技术。对于这样一种技术来说，兼容性是保证在应用领域能进行互操作的重要功能。取得授权的设备制造商都有权实施这一技术，但其设备必须具有符合规范的兼容性。授权是免费的。使用FSoE最终设备的机器制造商及控制系统提供商则无需该项授权。· 6.9 我如何可以获得并使用Safety over EtherCAT的Logo？Safety over EtherCAT的logo可以从ETG总部获取。使用Safety over EtherCAT Logo的产品必须遵循由ETG发布的ETG9001 EtherCAT标识规则。· 6.10 我是一个EtherCAT主站的提供商。我如何支持Safety over EtherCAT设备？如果您只是想在EtherCAT环节支持现有的Safety over EtherCAT设备，则无需在主站上进行任何安全相关的实施。可采用带一个EtherCAT从站接口的FSoE主站，同时也可以被用作安全逻辑设备。只有从-从通信必须由EtherCAT主站支持，将安全数据报从FSoE主站路由至FSoE从站，反之亦然。· 6.11 我是机械设备制造商。我需要授权才可以使用Safety over EtherCAT的设备吗？不。您可以在机械设备中直接使用最终的Safety over EtherCAT产品，而无需授权。您务必留意产品中是否有SIL或PL认证，产品必须执行相关标准（IEC 62061, ISO 13849）或产品标准，以及与其他相关标准的兼容性，如必须符合国际的或国家的法律要求（如Directive of machinery, OSHA, UL等）。Vendor ID每个EtherCAT兼容设备必须使用由ETG分配的全球唯一的Vendor ID。EtherCAT Vendor ID的使用必须符合EtherCAT规范，并由ETG Vendor ID政策和相应的Vendor ID协议约束管理。为明确这一政策，一般规则如下：· 每个EtherCAT设备供应商必须是ETG会员，必须从EtherCAT技术协会取得有效的Vendor ID。· Vendor ID是免费的。· 在EtherCAT设备上市前，供应商必须实现Vendor ID。· 在机器中集成或使用EtherCAT设备的机器制造商，无需申请和使用Vendor ID。发布于 2021-05-28 14:08开放式 IEC 61131 控制系统设计（书籍）以太网（Ethernet）以太网协议赞同 181 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录IT技术专栏IT技术分享

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