• 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
பைடு நூலகம்
EtherCAT状态机/控制和状态
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) – 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
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
(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
• Servo Drive over EtherCAT (SoE)
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 The SII包括 – boot设置数据 – 设备一致性 (强制的)
• •
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 – Sync Manager 0 : 主站到从站 – Sync Manager 1 : 从站到主站 数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的 (State Pre-Operational) 支持多种协议的能力
•
•
邮箱通信协议的类型
• 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
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
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） – 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
•
• •
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(<< 1 μ s!)
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2000.1.1 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
• Ethernet over EtherCAT (EoE)
– 通过EtherCAT传输的标准以太网帧
• CANopen over EtherCAT (CoE)
• File Access over EtherCAT (FoE)
– 下载上传固件和其他的一些文件 – 存取伺服轮廓检验 (IDN)
–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
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
EtherCAT
目录
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EtherCAT 简介 从站结构 • Device Model • Physical Layer • Data Link Layer – Frame Structure – Addressing, Commands – Memory, SyncManager, FMMUs – Diagnosis • Distributed Clocks • Application Layer – State Machine – Mailbox (Mailbox Protocols) – Slave Information Interface (EEPROM) • Device Profiles • Device Description • Tools (Configuration Tool, Monitor, …) • EtherCAT Master • Standard & References
EtherCAT状态机的目的
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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
• 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
Ethernet / EtherCAT 帧结构
EtherCAT Frame Header
Type Meaning ----------------------------------------------------------------------0: 保留位 1: EtherCAT Datagram (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
端口管理
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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
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
•
• 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
Modular Device Profile
• • EtherCAT supports complex slaves • • E.g. devices with physical modules to be connected
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(modular device) or devices with different operation modes (complex device). • The Modular Device Profile defines – A modeling of structures within a device, e.g. the Object dictionary – An easy way for master and configuration devices to handle the device