最新EtherCAT协议介绍

EtherCAT原理: 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原理: 以太网 “on the Fly”
EtherCAT原理: 以太网 “on the Fly”
• 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
(1 Bit到60 Kbyte, 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
e.g. 对轴控制的极短的周期, 和一些较长点的I/O更新周 期
• 最多支持16个独立的同步管理器通道 • 同步管理器配置注册地址从 0x0800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(<< 1 μs!)
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
• EtherCAT设备同步 • 定义系统时间
– 连接控制 – 连接收发器 (PHY) – 寻址 – 从站管理器配置 – EEPROM 通路 – 同步管理器的配置和管理 – FMMU 配置和管理 – 过程数据接口配置 – 分布式时钟 – 建立 AL 状态机交互
数据链路层概述
• 标准 IEEE 802.3 以太网帧
– 对主站没有特殊需求 – 使用标准的以太网基础结构
应用层（AL）的目的
• 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
– 开始于2000.1.1 00：00 – 最小计量1ns – 64 bit (足够500年) – 低32位跨越4.2秒
一般情况下，足够信息交流和时间压力
• 定义一个参考时钟
– 一个 EtherCAT 从站 被当作参考时钟使用 – 参考时钟循环的分布他的时钟 – 参考时钟根据一个全局参考时钟 – IEEE 1588而改变
数据处理链型结构
带有分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
EtherCAT控制器板
ISO/OSI 模型
EtherCAT 物理层
• 电缆：100BaseTX or 100BaseFx • 设备内部：E-Bus (LVDS)
• 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
– 线型结构 – 数据处理链型结构 – 带分支结构的数据处理链结构 – 树形结构 – 星型结构 – 电缆冗余
• 两个设备之间可达到标准以太网电缆可达到的100M距离 • 理论上可以连接多达65535个设备
线型结构
• 任意数目的设备成直线型连接 • 最多65535个设备
EtherCAT Frame Header
Type Meaning ----------------------------------------------------------------------0: 保留位 1: EtherCAT Datagram (s) 2,3: 保留位 4: 网络变量 5: 基于 IP的邮箱 6-15: 供扩展用保留
• IEEE 注册 以太网帧类型: 88A4h
– 最优帧靠前 – 不需要IP栈 – 简单的主站执行
• 附加 UDP传输 (IANA 注册的88A4h端口)
– EtherCAT 可以通过以太网进行信息传递 – 使用标准的 sockets
• 在从站进行帧处理
– EtherCAT从站控制器通过硬件处理帧
Ethernet / EtherCAT 帧结构
EtherCAT协议介绍
目录
• EtherCAT 简介 • 从站结构 • • Device Model • • Physical Layer • • Data Link Layer • – Frame Structure • – Addressing, Commands • – Memory, SyncManager, FMMUs • – Diagnosis • • Distributed Clocks • • Application Layer • – State Machine • – Mailbox (Mailbox Protocols) • – Slave Information Interface (EEPROM) • • Device Profiles • • Device Description • • Tools (Configuration Tool, Monitor, …) • • EtherCAT Master • • Standard & References
EtherCAT 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wk.baidu.com其他所有站点写
同步管理器
• 同步管理器维护一个 DPRAM 区域 • 邮箱特点
– 1个缓冲器的同步管理器支持握手 – 数据溢出保护 – 在读之前进行写 – 在再次写之前进行读
• 缓冲特点
– 3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 – 保留一个相应的缓冲器用来读 (第一次写之前例外) – 一般用于过程数据传输
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
数据链路层的目的：
• 数据链路层连接物理层和应用层 • 数据链路层管理底层的通讯基础结构