EtherCAT协议的介绍

EtherCAT目录•EtherCAT简介•从站结构••DeviceModel••PhysicalLayer••DataLinkLayer•–FrameStructure•–Addressing,Commands•–Memory,SyncManager,FMMUs•–Diagnosis••DistributedClocks••ApplicationLayer•–StateMachine•–Mailbox(MailboxProtocols)•–SlaveInformationInterface(EEPROM)••DeviceProfiles••DeviceDescription••Tools(ConfigurationTool,Monitor,…)••EtherCATMaster••Standard&ReferencesEtherCAT原理:以太网“ontheFly”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“ontheFly”EtherCAT原理:以太网“ontheFly”•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(1Bit到60Kbyte,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•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：100BaseTXor100BaseFx•设备内部：E-Bus(LVDS)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–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IEEE802.3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•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EtherCATFrameHeaderTypeMeaning-----------------------------------------------------------------------0:保留位1:EtherCATDatagram(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)–被定位的站点读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•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(1μs!)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–开始于2000.1.100：00–最小计量1ns–64bit(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–IEEE1588而改变应用层（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•协议–EthernetoverEtherCAT（EoE）–CANopenoverEtherCAT（CoE）–FiletransferoverEtherCAT（FoE）–ServoDriveoverEtherCAT（SoE）•从站信息接口(SII)–设备特征和配置信息EtherCAT状态机的目的•状态机构建于数据链路层•定义EtherCAT从站设备一般信息状态•指定对EtherCAT从站设备启用网络时初始化和错误处理•状态和主从站之间通信关系相一致•从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层控制和应用层注册中•定义了五种状态:–‘Init’,‘Pre-Operational’,‘Safe-Operational’,‘Operational’–‘Bootstrap’选项状态定义了固件更新EtherCAT状态机EtherCAT状态机•‘Init’状态•应用层没有数据交互•主站对数据传输信息注册有通路•‘Pre-Operational’状态•应用层上的邮箱通信•没有过程数据交互•‘Safe-Operational’状态•应用层上的邮箱通信•过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输出置于‘Safe’状态•Operational’状态•输入和输出都是有效的EtherCAT状态机•‘Bootstrap’状态•‘Bootstrap’状态是可选择的，但是在固件必要的更新时推荐选择•只能和‘Init’进行状态间转换•没有过程数据通信•通过应用层的邮箱进行通信•根据需要的情况对邮箱进行配置•只能使用FoE协议EtherCAT状态机/控制和状态•从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层控制和应用层注册中–应用层控制(0x0120)初始化设备状态机的状态转换–应用层状态(0x0130)设备状态机的实际状态–应用层状态代码(0x0134)错误原因或者其他状态代码邮箱传输的目的•交换变量数据的标准方式•邮箱接口是可选择的，但是推荐使用•如果过程数据是可设置的，或者有其他的非周期性服务，必须邮箱通信•全双工能力(从站可以发起一个数据交互)•预留两个同步管理器通道–SyncManager0:主站到从站–SyncManager1:从站到主站•数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的(StatePre-Operational)•支持多种协议的能力邮箱通信协议的类型•EthernetoverEtherCAT(EoE)–通过EtherCAT传输的标准以太网帧•CANopenoverEtherCAT(CoE)–访问CANopen对象字典和他的对象–CANopen紧急事件和事件驱动的PDO消息•FileAccessoverEtherCAT(FoE)–下载上传固件和其他的一些文件•ServoDriveoverEtherCAT(SoE)–存取伺服轮廓检验(IDN)邮箱接口•一个EtherCAT帧里的数据包从站信息接口从站信息接口的目的•强制从站信息接口（SII）由所有能被持久保存的对象组成•信息被储存于一个EEPROM，EtherCAT从站控制器和EEPROM之间有一个SPI接口•TheSII包括–boot设置数据–设备一致性(强制的)•卖主Id,产品序列号,修正号,SerialNo•和CoE对象0x1018里，相同的信息–应用程序信息数据•额外的一些数据(可选择的)–种类的再分DeviceProfiles–Motivation•Themainissuesofthisdevicemodelare•–modelingofstructureswithinadevice•–usableforalargenumberofdevicesfromvery•simpleonetocomplexsub-structured•–easywayformasterandconfigurationdevicesto•handlethedevice•–useofsimilarchannelprofilesinalldevicetypes•shownbelowModularDeviceProfile••EtherCATsupportscomplexslaves••E.g.deviceswithphysicalmodulestobeconnected(modular•device)ordeviceswithdifferentoperationmodes(complex•device).••TheModularDeviceProfiledefines•–Amodelingofstructureswithinadevice,•e.g.theObjectdictionary•–Aneasywayformasterandconfigurationdevicesto•handlethedevice谢谢观赏！