详细介绍：EtherCAT 文章整理（自用）
原文链接：ethercat的移植 - ST MCU
一、研究背景与意义
在智能制造业高速发展的当下，节点间通信的实时性、可靠性及通信带宽面临着更高要求。工业现场通信技术作为智能制造的核心基础技巧之一，近年来涌现出诸多优秀的工业现场总线标准。其中，倍福公司研发的 EtherCAT 工业以太网科技，凭借组网简单、成本低廉、实时可靠等突出优势，在工业自动化领域崭露头角。
传统现场总线系统存在明显短板，其将控制系统按层次划分为现场总线系统、实际控制任务和本地固件周期，在控制周期内，框架响应时间过长，且数据量与传输速率较低，这些缺点使其成为自控系统发展的 “瓶颈”。而以太网技能以低成本、高传输速度的特点，有效弥补了传统现场总线的不足，在工业自动化领域发挥着愈发重要的作用。
工业以太网主站对硬件要求较为灵活，只需硬件提供标准网口即可运行于多种平台。成本低廉、简单灵活且高速实时的嵌入式平台，在硬件层面完全能够作为工业以太网主站使用，这为工业领域提供了一种全新的网络化、信息化、智能化解决方案。
二、EtherCAT 协议与不同平台应用分析
（一）EtherCAT 协议核心特性
EtherCAT 协议在通信架构、实时传输方式等方面具有独特优势，与其他主流以太网协议相比差异显著，具体对比如下表所示：
| 以太网协议 | EtherNet/IP | Modbus/TCP | EtherCAT |
|---|---|---|---|
| 管理推广组织 | ODVA | Modbus-IDA | ETG |
| 通信结构 | 客户 / 服务 | 客户 / 服务 | 主站 / 从站 |
| 通信方法 | 面向信息的传输帧 | 面向信息的传输帧 | 主站发出总帧 |
| 实现实时传输的方法 | 利用 CIP Sync 实现时钟同步 | 与具体实施的技巧相关 | 等时传输 |
| 是否支持分布式时钟 | 不支持 | 不支持 | 支持 |
| 以太网素材传输速率 | 10/100Mb/s | 10/100Mb/s | 100Mb/s |
| 实时特性 | 1~5ms | 10~500ms | 小于 1μs |
| 支持的物理拓扑 | 单一：星形 | 星形，树形 | 灵活多样：线性链型等 |
| 逻辑拓扑 | 总线网络 | 总线网络 | 开放的环形网络 |
| 硬件应对办法 | 不可以 | 不可以 | 可以 |
| 设备的规范 | CAN | 无 | CANOPEN、SERCOS |
在协议层方面，EtherCAT 仅需物理层、数据链路层和应用层，OSI 七层协议体系结构中的另外四层并非必需。同时，EtherCAT 帧结构可封装在 IP/UDP 资料报中，上传至从站的应用层后，由从站控制器的硬件进行处理，其协助的协议层结构清晰，涵盖以太网应用、实时应用、TCP、UDP、IP、邮箱、过程数据、EtherCAT MAC/DLL 及物理层等部分。
（二）不同平台 EtherCAT 主站应用问题
PC 机 Windows 平台上的 EtherCAT 主站存在帧周期较长且不稳定的障碍，帧周期在 150-2000μs 之间波动；实时 Linux 平台虽在实时性上有所提升，最短帧周期可达 70μs，但仍存在 10μs 的偏差。为解决这些问题，本研究提出采用基于 ARM Cortex-M7 内核的 STM32F767 作为硬件平台来实现 EtherCAT 主站。
三、EtherCAT 主站在 STM32F767 平台的实现
（一）软件架构分析与优化
首先，深入分析 RT-LAB 的开源 EtherCAT 主站 SOEM1.3.1（Simple Open EtherCAT Master）软件架构，掌握其核心工作原理与模块组成。其次，针对 STM32F767 以太网设备驱动进行优化，摒弃对操作系统的依赖，将 SOEM1.3.1 成功移植到 STM32F767 平台下，简化了系统架构，降低了软件层面的延迟与不确定性。
（二）实验设计与结果
为验证嵌入式平台 EtherCAT 主站搭建的有效性，采用 500μs 插补周期，使用 2 台三洋公司 R 系列伺服驱动器和伺服电机作为从站设备，测试 CSP 模式下对 2 个伺服轴的位置控制。
实验结果表明，在 216MHz 主频的 ARM 平台下，经过适当软件优化，嵌入式平台上过程数据的帧周期稳定在 68μs±1μs。这一结果充分证明，该 ARM 平台完全有能力作为 EtherCAT 主站利用，并能提供 100μs 以下级别的实时性，为工业自动化、物联网及其他领域提供了更简单轻便的 EtherCAT 工业现场总线主站平台。
四、EtherCAT 关键技术细节
（一）帧结构与子报文
EtherCAT 帧结构由 Ethernet 头部、Ethernet 数据部分和 FCS（帧校验序列）组成，其中 Ethernet 头部涵盖 6 字节目的地址、6 字节源地址和 2 字节类型（值为 0x88A4）；Ethernet 数据部分包含 2 字节 EtherCAT 头部、44-1498 字节 EtherCAT 数据（含一到多个子报文）；FCS 为 4 字节。
EtherCAT 子报文头部结构复杂，囊括命令（8 位，定义寻址方式及读写方式，0 表示无操作）、索引（8 位，帧存放的临时缓冲区编号，0~15）、地址（32 位，要访问的从站内存地址，逻辑寻址时可访问 4GB 空间）、长度（11 位，子报文素材部分长度）、保留位（3 位）、C 位（1 位，是否阻止循环帧发送）、M 位（1 位，是否有后续子报文）、状态（1 位，中断到来标记，目前未使用）以及 2 字节 WKC（工作计数器，用于主从站建立通信时统计从站数量，也可记录 SDO 方式读写报文是否成功）。
（二）寻址方式
EtherCAT 对从站的寻址方式分为设备寻址和逻辑寻址，设备寻址又可分为增量寻址和配置地址（节点）寻址。
- 增量寻址：按设备连接顺序寻址，多用于上电后主站对从站的配置过程，每经过一个从站帧的 WKC 值加 1，可通过增量地址读的方式，根据 WKC 值判断 EtherCAT 网段内从站数量，也可使用广播地址读方式（地址 0 为读所有从站）。
- 配置地址寻址：按设备配置地址寻址，从站 ESC（EtherCAT 从站控制器）集成 16 位设置寄存器，上电后寄存器内容为 0，表明从站未被赋予配置地址，此时无法进行配置地址寻址。主站在网络配置过程中，会将配置寄存器配置为 0x0001-0xFFFF 的唯一值，不同主站实现可能有不同设置地址设置方法，例如在 SOEM 上，每个从站的配置地址按 “0x1000 + 从站号” 公式计算。
- 逻辑寻址：主站需先经过配置寻址方式对逻辑控制单元 FMMU（现场总线内存管理单元）进行配置，每个从站 ESC 部署 8 个 FMMU 单元，每个 FMMU 单元可建立一段逻辑地址到从站一段连续物理地址的映射。配置完成后，主站使用逻辑地址可同时操作多个从站，设置时需设定逻辑地址空间起始地址、从站物理空间起始地址、映射空间大小、逻辑起始地址开始位、物理空间起始地址开始位等参数。
此外，EtherCAT 还支撑广播寻址，不同寻址方式对应不同命令，具体如下表所示：
| 命令名 | 寻址方式 | 命令码 | WKC 值 |
|---|---|---|---|
| CMD_APRD | 自动增量读管理寻址 | 0x01 | 读失败 /+0; 读成功 /+1 |
| CMD_APWR | 自动增量写管理寻址 | 0x02 | 写失败 /+0; 写成功 /+1 |
| CMD_APRW | 自动增量读写操作寻址 | 0x03 | 读写失败 /+0，读成功写失败 /+1; 读失败写成功 /+2; 读写成功 /+3 |
| CMD_FPRD | 配置地址读操作寻址 | 0x04 | +0/1 |
| CMD_FPWR | 配置地址写操作寻址 | 0x05 | +0/1 |
| CMD_FPRW | 配置地址读写操作寻址 | 0x06 | +0/1/2/3 |
| CMD_BRD | 广播读操作寻址 | 0x07 | +0/1 |
| CMD_BWR | 广播写操作寻址 | 0x08 | +0/1 |
| CMD_BRW | 广播读写操作寻址 | 0x09 | +0/1/2/3 |
| CMD_LRD | 逻辑读操作寻址 | 0x0a | +0/1 |
| CMD_LWR | 逻辑写处理寻址 | 0x0b | +0/1 |
| CMD_LRW | 逻辑读写操作寻址 | 0x0c | +0/1/2/3 |
| CMD_ARMW | 自动增量一读多写操作 | 0x0d | +0/1 |
| CMD_FRMW | 部署地址一读多写运行 | 0x0e | +0/1 |
（三）通信机制
邮箱通信：邮箱通信多用于非周期数据传输，能保证发送数据被对方接收，无需担心数据覆盖或丢失，承受单缓冲模式。
- 主站发信：主站将写给从站的信件封装到报文中，发送到从站 IN 邮箱，即发送设置寻址模式下的 EtherCAT 帧，子报文中打包发信内容。帧经过从站且寻址命中后，从站将邮箱内容从帧中读出写入 IN 邮箱，从站本地应用从邮箱读走内容，主站发送的邮件帧不关心也不等待从站本地应用的读取时间。
- 主站读信：主站需主动发送配置地址读命令的 EtherCAT 帧，帧寻址到从站后，从站将 OUT 邮箱内容写入帧中，帧返回主站后，主站从帧中提取邮件内容。当邮箱通信出错时，应答信息帧包含 16 位命令（0x01 表示邮箱通信）和 16 位命令相关数据，命令相关数据对应不同错误类型，如 0x01 表示邮箱语法错误、0x02 表示不支持此邮箱协议等。
过程数据通信：主站对从站过程数据的读写具有周期性。
- 周期性写过程数据：主站按固定周期发起写管理，从站 ESC 接收数据后，通过 PDI（过程数据接口）传递给本地应用，整个过程有明确的时间序列，确保数据及时、准确写入。
- 周期性读过程数据：主站同样按周期发起读操作，从站本地应用将数据通过 PDI 传递给 ESC，ESC 将数据写入 EtherCAT 帧，帧返回主站后做完数据读取，保证主站能实时获取从站状态内容。
（四）时钟同步
EtherCAT 通过分布式时钟机制实现主从站时钟同步，主站作为参考时钟源，各从站框架时间需与参考时钟同步，即\(T_{system (i) }=T_{system (j) }=T_{system (k)}=T_{system (1) }\)（其中 i、j、k、l 代表不同从站）。
时钟同步的关键环节，具体步骤如下：就是传输延迟测量
- 主站广播测量帧，向每个从站写 0 到寄存器 DCTIME0 中。
- 测量帧到达每个从站的端口 n（n=0,1,2,3）及 ESC 处理器时，会在相应时间戳寄存器中记录到达时的本地时钟数值。
- 主站读取各从站端口本地时间，结合网络拓扑分析，计算每个从站的传输延迟时间。
- 主站将计算结果写入相应从站的系统时间延迟寄存器 ECT_REG_DCSYSDELAY，从而实现各从站与主站时钟的精准同步，确保整个系统时序一致性。
浙公网安备 33010602011771号