一. EtherCAT 協(xié)議概述

EtherCAT可以支持線形、樹形和星形設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物理介質(zhì)可以選100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜或光纜。使用100Base-TX電纜時站間間距可以達(dá)到100m。整個網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535個設(shè)備。使用快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

從站設(shè)備可以構(gòu)成多種形式的分支結(jié)構(gòu)，獨立的設(shè)備分支可以放置于控制柜中或機(jī)器模塊中，再用主線連接這些分支結(jié)構(gòu)。 EtherCAT大大提高了現(xiàn)場總線的性能，例如，控制1000個開關(guān)量輸入和輸出的刷新時間約為30μs。單個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀最多可容納1486字節(jié)的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于12000位開關(guān)量數(shù)字輸入和輸出，刷新時間約為300μs?？刂?00個伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)通信周期約為100μs。

二. EtherCAT 系統(tǒng)組成

實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT充分利用了以太網(wǎng)技術(shù)的全雙工傳輸特性。使用主從模式進(jìn)行訪問控制，主站把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給各個從站，每個從站從數(shù)據(jù)幀中讀取自己的數(shù)據(jù)或把需要輸入的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀中。

EtherCAT通信是由主站發(fā)起的，主站發(fā)出的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)揭粋€從站站點時，從站將解析數(shù)據(jù)幀，每個從站從對應(yīng)報文中讀取輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)嵌入到子報文中，同時修改工作計數(shù)器WKC的值，以標(biāo)識從站己處理該報文。網(wǎng)段末端的從站處理完報文后，將報文轉(zhuǎn)發(fā)回主站，主站捕獲返回的報文并對其進(jìn)行處理，完成一次通訊過程。一個通訊周期過程中，報文傳輸延時大概為幾個納秒，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)先對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，再復(fù)制成過程數(shù)據(jù)而造成通訊效率低的缺陷。EtherCAT系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖所示。

2.2 主站組成

EtherCAT主站運(yùn)行需具備以下幾個基本功能：

(2)捕獲和發(fā)送EtherCAT數(shù)據(jù)幀，完成EtherCAT子報文解析、打包等

(4)可進(jìn)行非周期性數(shù)據(jù)通信，完成系統(tǒng)參數(shù)配置，處理通訊過程中突發(fā)事件

在EtherCAT系統(tǒng)的通信過程中，從站采用專用的從站協(xié)議控制器（EtherCAT Slave Controller ， ESC)來高速動態(tài)地(on-the-fly)處理網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通信的整個過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理都在從站協(xié)議控制器內(nèi)部有硬件完成，真是因為整個通信過程有硬件實現(xiàn)，所以通信網(wǎng)絡(luò)的性能并不取決于從站使用的是什么微處理器及其性能，因為所有的通訊過程都是在從站控制器的硬件中完成的;過程數(shù)據(jù)接口為從站應(yīng)用層提供了一個雙端口隨機(jī)存儲器（ Dual-Port-RAM, DPRAM）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。EtherCAT從站提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和控制任務(wù)功能，從站結(jié)構(gòu)如圖所示。

    在由EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線組成的工業(yè)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的通信是由主站發(fā)起的并通過過程數(shù)據(jù)通信控制從站設(shè)備的工作狀態(tài)，繼而完成系統(tǒng)任務(wù)。這些在工業(yè)現(xiàn)場的EtherCAT從站設(shè)備可以直接接受來自工業(yè)以太網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文。而且還能從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文中提取出主站設(shè)備發(fā)送給各個從站設(shè)備的控制信息和命令，并且插進(jìn)與自己相關(guān)的本地工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的用戶信息及采集的數(shù)據(jù)，然后在本地從站設(shè)備對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀處理完成之后再將這個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)较翬therCAT從站設(shè)備當(dāng)中重復(fù)在上一個從站設(shè)備中的操作，當(dāng)這個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文傳送到最后一個工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的EtherCAT從站并且完成相應(yīng)的操作的時候，在將這個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文按原來的路線發(fā)送回去，最后由工業(yè)現(xiàn)場里第一個EtherCAT從站設(shè)備將這個被所有從站設(shè)備操作過的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文作為響應(yīng)報文發(fā)送給自動化控制系統(tǒng)的主站(即控制 單元)。整個通信過程中充分利用了以太網(wǎng)全雙工處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通訊特點。

ESC傳輸過程：

每個ESC都有四個數(shù)據(jù)收發(fā)端口，并且均可以接收發(fā)送以太網(wǎng)幀。

3.1 EtherCAT協(xié)議

EtherCAT 的處理主要是ESC 內(nèi)部的硬件來完成，因此，其硬件處理能力決定了數(shù)據(jù)的處理速度。

2. 源地址：發(fā)送方MAC地址

4. EtherCAT幀頭:

1）EtherCAT子報文:

子報文數(shù)據(jù)段可根據(jù)需求嵌入 CoE、SoE等協(xié)議數(shù)據(jù)格式。

2）子報文數(shù)據(jù)幀格式:

3）命令碼說明：

6. FCS:幀校驗

EtherCAT 無 IP協(xié)議，但可將其封裝在IP/UDP協(xié)議中。EtherCAT UDP 協(xié)議適用于實時性能要求不是很嚴(yán)格的場合。            
四. EtherCAT 尋址方式和通訊服務(wù)

EtherCAT 主站與網(wǎng)段之間存在著不同的尋址方式，利用太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭西南科技大學(xué)碩士研究生論文 第13 頁部的 MAC 地址來尋址就是EtherCAT 網(wǎng)段尋址。

開發(fā)模式：主站設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)與EtherCAT 網(wǎng)段進(jìn)行連接，網(wǎng)段即可使用EtherCAT數(shù)據(jù)幀當(dāng)中的目的地址來作為MAC 地址。

直連模式：主站設(shè)備通過與EtherCAT網(wǎng)段的直接端口連接來對對MAC地址進(jìn)行廣播。

4.2 設(shè)備尋址

在進(jìn)行設(shè)備尋址過程中，各個報文只能夠?qū)ぶ肺ㄒ坏膹恼驹O(shè)備，尋址設(shè)備的機(jī)制有以下兩種：

實際使用時，主站會在啟動階段使用順序?qū)ぶ贩绞綄⒌刂贩峙浣o各個從站。使用順序?qū)ぶ房梢宰屢恍└恢脹]有關(guān)系的地址自動變成從站的地址。

4.3 邏輯尋址

邏輯尋址方式是通過FMMU(現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元)來實現(xiàn)，F(xiàn)MMU的功能存在于各個ESC內(nèi)部，把從站的本地物理存儲地址通過映射與網(wǎng)段內(nèi)邏輯地址匹配。主站設(shè)備會在數(shù)據(jù)鏈路啟動過程中將配置好的FMMU單元傳送至從站設(shè)備。各個FMMU單元的配置信息包括：數(shù)據(jù)邏輯位起始地址、表示映射方向(輸入或輸出)、位長度、從站物理內(nèi)存起始地址的類型位，從站設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)與主站的邏輯地址都存在按位的映射關(guān)系。

4.4 通信服務(wù)和WKC

每一個從站的EtherCAT 數(shù)據(jù)報都具有一個16 位的工作計數(shù)器(WKC)。該工作計數(shù)器用以記錄EtherCAT 數(shù)據(jù)報成功訪問(正確尋址到從站并成功訪問到數(shù)據(jù)存儲區(qū))的從站個數(shù)。EtherCAT 從站控制器將工作計數(shù)器硬件遞增。各個從站數(shù)據(jù)報中計數(shù)器預(yù)期值的計算應(yīng)當(dāng)由主站程序中的模塊來完成。在接收到返回數(shù)據(jù)幀后，主站會與WKC 比較，如果不一樣，說明該報文有問題。子報文中工作計數(shù)器的值是與通信服務(wù)、尋址地址相關(guān)聯(lián)。報文每讀或?qū)懸淮螖?shù)據(jù)，WKC 的值就加1，同時讀寫時，讀成功后WKC 得值加1，寫成功后WKC 的值加2，讀寫全部完成后WKC 的值加3。所以，WKC 的值就會所有從站處理發(fā)生的累加的結(jié)果。ARMW 和FRWM 是多讀多寫的命令，可以當(dāng)作單個讀或?qū)懨顏砝斫狻CK 的值會根據(jù)命令不同不斷變化。

應(yīng)用層AL(Application Layer)為用戶與網(wǎng)絡(luò)之間提供接口，應(yīng)用層在EtherCAT 通信協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中是與用戶聯(lián)系最緊密最直接的一層，它可以直接與用戶進(jìn)行交互，實現(xiàn)面對具體的應(yīng)用程序和控制任務(wù)等功能，EtherCAT應(yīng)用層為各種服務(wù)協(xié)議與應(yīng)用程序之間定義了接口，使其能夠滿足應(yīng)用層所要求的各種協(xié)議共同工作的需求。EtherCAT 作為網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)， 支持CANopen 協(xié)議中的CiA402，以及SERCOS 協(xié)議的應(yīng)用層(即CoE 和SoE)等多種符合行規(guī)的設(shè)備和協(xié)議，如下圖所示。

5.1 CoE (CANopen over EtherCAT)

5.2 SoE(SERCOS over EtherCAT)

5.3 EoE (EtherNet over EtherCAT)

5.4 FoE （EtherCAT實現(xiàn)文件傳輸）<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;">該協(xié)議與TFTP類似，允許讀寫設(shè)備中的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，無論設(shè)備是否支持TCP/IP，都可以將標(biāo)準(zhǔn)化固件上傳到設(shè)備上。