• 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
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


– ‘Init’, ‘Pre-Operational’, ‘Safe-Operational’,‘Operational’ – ‘Bootstrap’ 选项状态定义了固件更新


EtherCAT状态机


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
• 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


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

– Ethernet over EtherCAT（EoE）
– CANopen over EtherCAT（CoE）



EtherCAT控制器板



ISO/OSI 模型




EtherCAT Frame Header
Type Meaning

-----------------------------------------------------------------------
0: 保留位
1: EtherCAT Datagram (s)
• 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

• 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



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:
分布式时钟的作用
• EtherCAT设备同步 • 定义系统时间
– 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


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
• – Slave Information Interface (EEPROM)
• • Device Profiles
• • Device Description
• • Tools (Configuration Tool, Monitor, )
• • EtherCAT Master
• • Standard & References
• 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


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



目录
• EtherCAT 简介
• 从站结构
• • Device Model
• • Physical Layer
• • Data Link Layer
• – Frame Structure

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
• 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)
– Filetransfer over EtherCAT（FoE）
– Servo Drive over EtherCAT（SoE）
• 从站信息接口 (SII)
– 设备特征和配置信息







线型结构
• 任意数目的设备成直线型连接 • 最多6553处理链型结构



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

带有分支线的数据处理链型



树形结构



实时星型结构




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



EtherCAT 物理层
• 电缆：100BaseTX or 100BaseFx • 设备内部：E-Bus (LVDS)



端口管理
– 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


• 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
• 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帧的处理和发送顺序


数据链路层的目的：
(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
• 在一些不同步的情况，需要事件触发信息


• – Addressing, Commands • – Memory, SyncManager, FMMUs

• – Diagnosis
• • Distributed Clocks
• • Application Layer
• – State Machine
• – Mailbox (Mailbox Protocols)
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