工业网络技术教材PPT13 EtherCAT通信及应用.pptx

EtherCAT通信及应用

一、EtherCAT协议二、EtherCAT通信模块组成三、库卡机器人的IO配置

一、EtherCAT协议EtherCAT是由德国Beckhoff公司于2003年提出的实时工业以太网技术。其性能优越，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，适合网络化运动控制系统。EtherCAT采用主从模式介质访问机制（MAC，MediaAccessControl），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的主要特点如下：（1）适用性广，任何带商用以太网控制器的控制单元都可以作为EtherCAT主站。（2）兼容性强，EtherCAT完全符合以太网标准，可以与其他以太网设备及协议并存于同一总线。（3）无须从属子网，复杂节点或简单IO节点均可作为EtherCAT从站。（4）高效率，最大化利用以太网带宽进行用户数据传输。（5）刷新周期短，可以达到小于100us的数据刷新周期，可以用于伺服技术中底层的闭环控制。（6）同步性能好，各从站节点设备可以达到小于1us的时钟同步精度。

一、EtherCAT协议1.EtherCAT通信原理EtherCAT通信基于主从通信结构，主站负责控制运算及数据帧收发任务，从站负责响应数据帧执行相关指令动作。在物理层面，EtherCAT支持通过总线型、树形或菊型拓扑连接。主站使用标准以太网芯片和物理接口，从站则使用专用的EtherCAT从站通信控制芯片(ESC)管理EtherCAT通信，支持标准物理接口和倍福提出的EBUS接口，采用EBUS接口时不需要额外的物理层芯片。在数据链路层，EtherCAT数据帧属于集总帧，一个数据帧内可包含多个从站节点的数据。

一、EtherCAT协议如图1，EtherCAT独有的数据帧即时处理技术(processingonthefly)，使得数据帧可在一个通信周期中完成多个从站数据的交换工作，数据帧经过一个从站节点时，从站ESC将从中取出所需的数据，并将从站当前的状态数据写入到数据帧对应的报文位置，数据帧在从站节点内不做停留，而是直接再往下一个从站发送，由此实现超高速控制回路。图1数据帧即时处理

一、EtherCAT协议2.EtherCAT协议规范EtherCAT遵循ISO/IEC8802-3规定，使用标准的IEEE802.3以太网数据帧，主站使用标准的以太网接口卡即可。EtherCAT使用保留的以太网类型0x88A4和其他以太网帧相区别，因此可以和其他协议在同一网络并行运行。EtherCAT使用以太网数据帧传输EtherCAT数据包，也可以使用UDP/IP协议格式传输EtherCAT数据包，但EtherCAT从站不处理非EtherCAT数据帧，其他类型的以太网应用数据可以分段打包为EtherCAT数据子报文在网段内透明传输，以实现相应的通信服务。

一、EtherCAT协议EtherCAT数据帧包括14字节的以太网帧头、2个字节的EtherCAT头和14~1498字节的EtherCAT数据以及4字节的帧校验序列。数据区由一个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文对应独立的设备或从站存储区域，如图2所示。图2EtherCAT帧结构

一、EtherCAT协议每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据区和相应的工作计数器（WKC,WorkingCounter）。WKC记录了子报文被从站操作的次数，主站为每个通信服务子报文设置预期的WKC。发送子报文中的WKC初值为0，子报文如果被从站正确处理则WKC值增加，主站侧通过比较返回的WKC值和预期WKC值来判断子报文是否被正确处理。EtherCAT通信由主站发送EtherCAT帧读写从站设备的内部存储区来实现，EtherCAT支持两种寻址方式操作从站控制器内部存储区：设备寻址和逻辑寻址。不同寻址方式的设置由子报文头中8位命令数据区决定。其中，设备寻址又包括三种不同的寻址机制：顺序寻址、设置寻址和广播寻址。顺序寻址又称为自动增量寻址，顺序寻址时，从站地址由其在网段内的连接位置确定，其主要用于系统启动阶段，主站配置站点地址给各个从站。

一、EtherCAT协议设置寻址时，从站地址与其在网段内连接位置无关，地址可以由主站在数据链路启动阶段配置给从站，也可以由从站在上电初始化时候从自身的配置数据存储区装载。广播寻址，可以用在从站初始化或者在需要时候扫描所有从站状态。逻辑寻址是按照映射到网段内逻辑地址的设备寻址，报文内的32位地址区作为整体的数据逻辑地址完成设备的逻辑寻址，这种方式需要由现场总线内存管理单元（FMMU，FieldbusMemoryManagementUnit）实现，通过FMMU将从站设备物理地址映射到网段内逻辑地址。

二、EtherCAT通信模块