一、EtherCAT 簡介?

EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一種工業以太網現場總線，它將計算機網絡中的以太網技術應用于工業自動化領域，構成工業控制以太網（工業以太網、工業以太網現場總線）。?

其以太網數據幀的數據區由多個子報文組成，每個子報文都服務于一個特定的邏輯映像區。在數據傳輸過程中，讀取數據時，每個設備中的 FMMU（Fieldbus Memory Management Unit，現場總線內存管理單元）會在數據幀通過時，讀出該數據幀中映射到此設備的邏輯地址中的數據（如數字伺服控制指令數據）；輸入數據（如數字伺服狀態數據）則可在數據幀通過時插入到相應的邏輯地址區中，且數據幀在整個過程僅有幾納秒的延時。?

通常每個通信周期只需要傳輸一個以太網數據幀，這個數據幀沿著邏輯環傳輸一周，就能完成所有的廣播式、多播式以及從站間的通信。?

EtherCAT 協議基于以太網接口，在 MAC（介質訪問控制）層上增加一個確定性調度的軟件層，該軟件層實現了通信周期內的數據交換。在高層協議中，EtherCAT 并沒有定義任何設備規范，而是支持現有的各種設備規范和服務，方便用戶和設備生產商從現有的現場總線標準移植到 EtherCAT。?

二、EtherCAT 相關協議?

常用的高層協議包括：?

• FoE（File over EtherCAT）：可通過網絡訪問設備中的文件，以及將統一的固件跨網絡上傳到設備，無需 TCP/IP 協議堆棧。?

• EoE（Ethernet over EtherCAT）：可以在 EtherCAT 網段實現以太網數據的傳輸。?

• SoE（SERCOS over EtherCAT）：基于 SERCOS 協議，SERCOS 是一種實時通信接口，尤其適用于運動控制。?

• CoE（CANopen over EtherCAT）：基于 CANopen 協議。?

• AoE（ADS over EtherCAT）：基于郵箱的客戶端 - 服務器協議。?

三、相關概念?

• Ethernet（以太網）：計算機網絡中常用的局域網技術。?

• MAC（介質訪問控制）：以太網中的數據鏈路層協議子層，負責控制對物理介質的訪問。?

• CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制）：傳統以太網采用的介質訪問控制方法。?

• 實時以太網（RTE，Real Time Ethernet）：能滿足實時性要求的以太網技術。?

• IEC61158：工業通信網絡 —— 現場總線規范，包括了 10 種工業以太網協議標準。?

• IEC61784：工業通信網絡 —— 行規規范，為 IEC61158 中的現場總線標準制定了應用行規標準。?

根據不同的實時性和成本要求，實時以太網大致可分為三種：?

• 基于 TCP/IP 的實現（如 Modbus/TCP、Ethernet/IP）：使用 TCP/IP 協議棧，可以與商用網絡自由地通信。?

• 基于以太網的實現（如 Ethernet Powerlink）：使用標準的以太網通信硬件，采用專門的過程數據傳輸協議。?

• 修改以太網的實現（如 EtherCAT）：能獲得響應時間小于 1ms 的硬實時性能，由專門的硬件實現，由實時 MAC 接管通信控制。?

四、EtherCAT 從屬控制功能模塊?

• EBUS（EtherCAT 接口）：用于連接其他 EtherCAT 從機或主機，EtherCAT 從站支持 24 端口，編號為 0-3。?

• EPU（EtherCAT 處理單元）：負責接收、分析、處理數據流，主要功能是協調對 ESC（EtherCAT Slave Controller，EtherCAT 從站控制芯片）內存數據的訪問（如 SM、FMMU 對內存的訪問），還負責實現自動轉發、數據回環等功能。?

• 自動轉發：由 EPU 實現，自動轉發接收到的以太網幀并執行幀檢查，生成接收時間戳。?

• 數據回環：由 EPU 實現，當某個端口不可用、沒有連接鏈路或環路已關閉時，數據到達此處后，會自動轉發到下一個端口。?

• FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）：將邏輯地址逐位映射到物理地址。?

• SM（Sync Manager，同步管理器）：負責實現數據交換的一致性（同步），可以分別配置為讀或寫的數據方向，一般使用兩個 SM 通道分別處理讀寫請求。?

• 監視單元：包含錯誤計數器和看門狗，看門狗用于在錯誤發生后返回安全狀態，錯誤計數器用于錯誤檢測和分析。?

• PHY 管理單元：通過 MII 接口與以太網 PHY 通信，可以在接收到錯誤以太網幀時，自動協商啟動重傳。?

• 分布時鐘：實現整個 EtherCAT 網絡的同步。?

• 存儲空間：共 64K，前 4K 為寄存器和用戶存儲器空間，后 60K 為進程存儲器。ESC 的內存可以由主站和連接的微控制器直接尋址，ESC 中的寄存器（0x0000-0x0f7f）有影子緩沖區，在一個幀期間收到的數據首先存放在影子緩沖區，校驗無誤之后再寫入寄存器，用戶和進程存儲空間沒有影子緩沖區。?

• PDI（Process Data Interface，過程數據接口）：由數字量 IO、SPI 從機、微控制器等多種連接模式。?

• SII（Serial Information Interface）：即 EEPROM，是非易失性存儲器，存放配置信息。?