EtherCAT总线概述

以下内容节选自作者封狼居胥的《EtherCAT理论篇》

1 诞生：

　　德国倍福公司在2003年提出，由同年便成立了EtherCAT官方的技术支持协会EtherCAT Technology Group，简称ETG管理。

2 特性：

• 基于以太网，传输速度100Mbit/s，数据刷新周期小于100us，同步精度小于1us,带宽利用率达90%（见下图ethcat帧头结构），100BASE-TX规范的5类UTP线缆。
• 在网络拓扑方面没有限制,非常灵活。

3 工作原理：

• 系统组成：主从架构，主站控制器（PC端多采用倍福开发的TwinCAT软件（网卡要求））。从站控制器（ESC），采用专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。
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• 具体数据帧结构体：WKCWKC用于记录子报文被从站操作的次数，主站设置WKC的初始值为0，当子报文被从站处理后，WKC增加一定的数值，当数据帧返回到主站时，主站会比较WKC的实际值和预期值，用来判断报文是否被正确处理（ EtherCAT 实现“无 ACK 仍可靠通信”的关键）。
• 主站只发一帧（不需要返回应答帧）），但从站在这帧“路过”时就完成读写，在最后一个从站填入输入数据后硬件自动触发自动折返，消息帧依次反向经过各从站（此时从站不能再写））。整个过程是“透传+原地修改”
• 机制——通过计数代替确认）
• 寻址方式：包括网络寻址和设备寻址2部分。网址寻址（又分直连【主从用一条网线直连，此时以太网帧头的目的地址是FFFFFFFF】）和开放模式【交换机相连，目的地址为从段MAC】）;设备询址（从设备地址=设备地址+从设备的偏移内存地址。设备地址又分顺序模式【物理连接顺序决定】和设置模式【主机分配或从机eeroom或硬件提供】）。
• 分布式时钟同步（上电时）：主站先将与主站连接的第一从站设备进行同步并作为参考时钟，通过测量和计算出各从站设备时钟与参考时间的偏移，对从站设备时钟进行校正，从而达到时钟同步的目的。
• 通信数据分类：时间关键的采用周期性过程数据通信（通过现场总线内存管理单元（FMMU）进行逻辑寻址读写，使用两个存储同步管理单元（SM），3个缓冲区来保证数据交换的一致性和安全性，如下缓存图）；非时间关键的采用邮箱通信（握手方式，一个操作 结束另一个才能开始）。
• 应用层协议：通过对常用协议进行简单修改，与EtherCAT通讯协议相兼容，从而可得EtherCAT多种应用层协议，主要包括：EoE、CoE（CANopen的CiA402行规用于伺服和运动控制），SoE（SERCOS是一种高性能数字伺服实时通信接口协议）以及FoE等。

4 基于stm32+ET1100的从站设计（配合PC的TwinCAT进行调试）：

　　ET1100芯片功能已经固化在芯片内部，实际应用时只需设计相应的XML配置文件。因此在EtherCAT从站软件设计时，主要需要完成STM32处理器的程序编写。

　　对应开发板，从站需要将内存映射到XML文件存于eeroom中(参考【EtherCAT分析】三、EtherCAT从站设备描述文件设计），上电后被主站读取。驱动设计书籍《工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用》。

 

• 寄存器0x220表示主机是否有事件请求（是=1）；
• 自由模式：在自由模式下，程序会执行Free_run()函数，这个函数的功能是处理周期性数据传输，STM32通过SPI总线读写ET1100的DPRAM内的数据，完成数据交换。
• 同步模式，Free_run()函数的功能会放在一个（时钟同步）中断相应函数中执行。
• Al_event()函数负责处理非周期事件（邮箱数据通讯和从站状态机转换）。
• EtherCAT协议的状态机：

1. 初始化（Init：无数据交换，主站通过eeprom对从站相关寄存器进行配置和初始化。
2. 预运行（Pre-OP）：主站通过邮箱将初始化数据发给从站
3. 安全运行（Safe-OP：主站通过对从站的现场管理单元和SM通道的设置，可以发送过程数据给从站，但是从站无法发送过程数据给主站
4. 运行状态（OP：主站和从站可以进行完整的数据通讯

从站设备描述文件ESI（EtherCAT Slave Information）:

　　格式XML,可用Altova XML spy编辑软件进行直观的表格化编辑，或用一般nodepad--编辑内容包括：

        

 

5 主站时钟补偿：

　　当主站发送数据帧时间存在较大的抖动（主站时钟与从站ESC时钟），导致数据帧在从站收到SYNC信号之后才到达从站（从站接收到主站通讯帧后会产生SM中断信号【主站时钟】而从站的SYNC0/1信号是从站ESC产生）。因此，需要对EtherCAT主站的时钟进行偏移补偿。方法是：周期性计算EtherCAT主站时间和DC时钟主站时间之间的差异，基于PI控制算法计算主站定时器的补偿值，然后修改定时器的Period。

5 【EtherCAT电机板】CiA402增加cst模式

在EtherCAT电机板上实现cst功能，在xml中增加cst相关pdo，在402程序增加cst模式。

1、XML配置修改

cst模式需要用到目标转矩和反馈实际转矩PDO，结合CiA402手册，这两个PDO对应的索引号分别为：0x6071（Target torque）、0x6077（Torque actual value）

 

 

1）更改索引

增加变量对应于输出映射索引0x1600和0x1a00的，因此需要更改对应据类型：

增加第5SubItem，重新修改数据类型的BitSize

 

 

2）更改数据字典对象表

增加0x6071和0x6077数据索引，已有：

 

 

更改0x1A00数据对象--输出映射表TxPDO：增加SubIndex005，索引号为10007760，其中“6077”代表Torque actual value映射索引号，“00”代表索引6077的第0位SubIdx，“10”代表数据大小，16位。注意：在xml中写的顺序与实际不同。同时修改相应的BitSize=16+32*5=176.

 

 

更改0x1600数据对象--输出映射表RxPDO：增加SubIndex005，索引号为10007160，其中“6071”代表Target torque映射索引号，“00”代表索引6071的第0位SubIdx，“10”代表数据大小，16位。注意：在xml中写的顺序与实际不同。同时修改相应的BitSize=16+32*5=176.

 

 

3）定义PDO传输

修改TxPDO：

 

 

修改RxPDO：

 

 

 

2、STM32程序更改

在cia402appl.h中修改对象描述，包括更改本地存储变量、表项描述、对象名字以及对象描述。

1）更改本地存储变量

更改0x1600本地存储变量

 

 

更改1600结构体

 

 

更改0x1A00本地存储变量

 

 

更改0x1A00结构体

 

 

2）更改表项描述

更改0x1600表项描述

 

 

更改0x1A00表项描述

 

 

3）更改对象描述

需要特别注意数据要与子索引最大值相对应。

 

 

4）应用层程序更改

在APPL_InputMapping()中更改：

 

 

在APPL_Application()更改

 

 

在CiA402_DummyMotionControl（）中增加cst应用程序。

3、测试验证

利用TwinCAT主站更新xml，并带电机进行cst模式测试：

 

 

设定运行模式modeofoperation=10，给定TargetTorque一定值，观察电机变化。