现场总线控制系统（FCS）系列：Beckhoff EtherCAT_（9）.EtherCAT数据传输与处理.docx

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EtherCAT数据传输与处理

数据传输原理

EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）是一种实时以太网技术，专为工业自动化控制设计。它通过优化以太网协议，实现了高速、实时的数据传输。EtherCAT的主要优势在于其独特的数据处理方式，能够在一个以太网帧中传输多个设备的数据，从而大大减少了网络通信的延迟和带宽需求。

1.以太网帧结构

EtherCAT使用标准以太网帧结构，但在数据字段中进行了特定的优化。以太网帧的基本结构如下：

+++++

|前导码(Preamble)|帧头(FrameHeader)|数据(Payload)|帧尾(FrameFooter)|

+++++

前导码(Preamble)：56位的101010…1010序列，用于接收器的同步。

帧头(FrameHeader)：包括目的地址、源地址和类型/长度字段。

数据(Payload)：包含EtherCAT特定的数据字段，如命令和数据。

帧尾(FrameFooter)：4字节的CRC校验码，用于确保数据的完整性。

2.EtherCAT帧结构

EtherCAT帧在标准以太网帧的数据字段中进一步细化，包含多个子帧，每个子帧对应一个设备或一个设备的一部分。EtherCAT帧结构如下：

+++++++

|前导码(Preamble)|帧头(FrameHeader)|EtherCAT帧头|EtherCAT子帧1|EtherCAT子帧2|帧尾(FrameFooter)|

+++++++

EtherCAT帧头：包含帧的全局控制信息，如帧类型、帧长度等。

EtherCAT子帧：每个子帧包含设备的地址、命令类型、数据长度和实际数据。

3.数据处理机制

EtherCAT的数据处理机制基于“帧转发”原理。主站发送一个帧，该帧在每个从站节点被处理并部分修改，然后传递到下一个节点。这种机制使得数据传输非常高效，因为每个节点只处理与自己相关的一部分数据，而不需要重新生成完整的帧。

3.1帧转发原理

假设有一个EtherCAT网络，包含主站和多个从站节点。主站发送一个包含多个子帧的EtherCAT帧，该帧依次经过每个从站节点。每个节点根据帧中的地址和命令信息，处理属于自己的数据部分，并将帧转发给下一个节点。当帧返回到主站时，所有节点的数据都已经更新。

3.2数据映射

EtherCAT使用过程数据对象（PDO）和服务数据对象（SDO）来映射和处理数据。PDO用于实时数据传输，而SDO用于配置和诊断数据。

PDO（ProcessDataObject）：PDO包含实时控制数据，如传感器读数和执行器命令。每个PDO有一个唯一的标识符（PDOID），用于区分不同的数据对象。

SDO（ServiceDataObject）：SDO用于设备的配置和诊断，包含设备的参数设置和状态信息。

4.数据同步

EtherCAT通过时间同步机制来确保所有节点的数据同步。主站通过发送同步报文（SyncMessage）来触发从站节点的数据处理。从站节点在接收到同步报文后，立即处理数据并进行更新。

4.1同步报文

同步报文是一种特殊的EtherCAT帧，用于触发所有节点的数据更新。主站发送同步报文时，从站节点会在下一个数据帧中更新其输入和输出数据。

//示例代码：发送同步报文

voidsendSyncMessage(EtherCAT_Master*master){

//创建同步报文

EtherCAT_FramesyncFrame=createSyncFrame();

//发送同步报文

master-sendFrame(syncFrame);

//等待所有节点处理完毕

wait_for_nodes_to_process(master);

}

//创建同步报文

EtherCAT_FramecreateSyncFrame(){

EtherCAT_Frameframe;

frame.type=ETHERCAT_SYNC_MESSAGE;

frame.length=0;//同步报文没有数据负载

returnframe;

}

//等待所有节点处理完毕

voidwait_for_nodes_to_process(EtherCAT_Master*master){

while(master-nodesP