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2024-03-14 16:16:30

工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析 - 知乎

工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析 - 知乎首发于智能制造之家切换模式写文章登录/注册工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析智能制造之家化学制品制造业从业人员写在前面大家好，我是小智，智能制造之家号主~前面我们介绍了西门子、罗克韦尔、施耐德、倍福、三菱等工业巨头的工控协议和端口：西门子、施耐德、三菱、RA：全球主要工控协议及端口解析也原创了很多工业协议相关的硬核文章：技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网最详细的工业网络通讯技术与协议总结解读（现场总线、工业以太网、工业无线）IT、OT 深度融合的当下，无论是OT侧，还是IT侧，各种协议都起到了至关重要的作用，比如前面我们前面已经解读了西门子的S7CommPlus，罗克韦尔的Ethernet/IP、施耐德的UMAS以及OPC UA等：TIAV17+S7-1200：解析最新西门子S7CommPlus协议入门工业通讯之EtherNet/IP协议分析硬核技术分析OPC UA—面向未来的工业通信全解析西门子、施耐德、罗克韦尔：三大工控厂商PLC密码保护突破之旅工控巨头西门子、施耐德私有S7、UMAS协议解析与PLC密码破解今天我们工业控制协议解读之EtherCAT~转载自网络安全应急技术国家工程实验室，作者 | 天融信一、概述EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种基于以太网的开发构架的实时工业现场总线通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。它于2003年被引入市场，于2007年成为国际标准，并于2014年成为中国国家标准。EtherCAT的出现为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。二、原理EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT是一种实时以太网技术，由一个主站设备和多个从站设备构成。主站可以使用标准网卡实现，从站选用特定的EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）或者FPGA实现。EtherCAT报文（标准的ISO/IEC 8802-3以太网帧）由主站设备发出，途经各个从站设备，从站设备在报文经过时进行提取或插入数据。当报文到达网段内最后一个从站设备时再反方向传输，最后由第一个从站设备把收集到的信息返回到主站设备。图2.1 过程数据插入至报文中三、拓扑EtherCAT支持总线型、树型或星型等多种拓扑结构。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机，还可以使用基于以太网的星型拓扑结构。EtherCAT 系统最多可容纳65535个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。采用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式(100baseTX)或通过E总线来传输信号。光纤(PFO)可以用于特殊的应用场合。以太网带宽（如不同的光缆及铜缆）可以结合交换机或媒介转换器使用。快速以太网的物理特性可以使设备之间的距离达到100米，而E-bus只能保障10米的间距。快速以太网或 E-bus可以按照距离要求进行选择。图3.1 灵活的拓扑结构四、协议格式介绍4.1 EtherCAT 以太网EtherCAT数据可以使用标准的IEEE 802.3以太网数据帧传输，格式如图4.1所示，由以太网头、EtherCAT帧和FCS（帧校验）组成。图4.14.1.1以太网帧头Dest Mac和Src Mac分别表示接收方MAC地址、发送方MAC地址，VLAN Tag为可选字段，可以省略，值为IEEE 802.1规定的 0x81,0x00和2字节标签控制信息.Ether Type值为0x88A4，表示EtherCAT协议。4.1.2EtherCAT帧EtherCAT帧格式如图4.2所示，分为头和数据两个部分。图4.2EtherCAT头：Length字段值为EtherCAT数据的长度，Res为保留位，Type值的不同后续EtherCAT数据格式也不相同，值可以取：0x0001：EtherCAT DLPDU0x0004：network变量0x0005：邮箱EtherCAT数据（主要介绍EtherCAT DLPDU）：EtherCAT数据如图4.3所示，由多个子报文组成，每个子报文由子报文头、数据和WKC构成。图4.3子报文头：数据：数据的类型根据Cmd和Address这个字段确定。Address前16bit代表从站地址，后16bit代表寄存器地址，当Cmd为逻辑寻址类型时，Address整个32bit代表逻辑地址。寄存器地址大于0x1000，考虑是否为邮箱数据，邮箱数据在从站中的地址为SM0-SM1，SM0起始位置为0x1000 ，SM2-SM3属于FMMU（总线内存管理单元），只能逻辑地址访问。WKC：WKC（工作计数器）初始值由主站设置为0，当子报文经过从站时会对WKC进行增加，增加的数值根据Cmd的不同有所区别。当数据帧返回主站后，主站设备会根据WKC的值来判断报文是否被正确处理。4.1.3 FCS接收方可以用FCS值来判断数据是否完整。4.2 EtherCAT UDP在4.1介绍了EtherCAT利用以太网帧传输的报文格式，EtherCAT协议还可以作为UDP/IP数据报传输，如图4.4所示，二者报文格式的区别主要为增加了IP头和UDP头，EtherCAT UDP协议适用于实时性要求不是很严格的场合。图4.44.3 报文示例包含EtherCAT帧的以太网头如图4.5所示：图4.5EtherCAT帧头如图4.6所示：图4.6EtherCAT帧数据中其中子报文如图4.7所示：图4.7五、寻址方式及命令类型在EtherCAT子报文中的Address字段用于对EtherCAT设备进行寻址，寻址方式有位置寻址、节点寻址、逻辑寻址。5.1位置寻址位置寻址方式根据从站的物理位置来实现，在子报文头中Address字段前16bit用于存放地址值，报文每经过一个从站设备，地址值加1，当从站接收到地址值为0的报文则就是该从站需要接收的报文。5.2节点寻址节点寻址是通过主站在数据链路层启动阶段配置的节点地址来寻址从站。这确保了即使网段的拓扑结构改变或者设备增加/减少，从站设备也能通过相同的地址配置来寻址。5.3逻辑寻址首先需要了解FMMU（总线内存管理单元），存在于从站芯片ESC中，主要负责建立从站物理地址与主站逻辑地址的映射关系。逻辑寻址使用子报文头中Address字段全部空间来表示4GB的逻辑地址空间。当从站收到报文时，会检查报文中地址与FMMU中的地址是否相符，相符则根据具体命令进行读写操作。5.4命令类型EtherCAT可以根据寻址方式的不同对命令类型进行分类。六、总结EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。硬核专辑ERP/PLM/MES/SCADA/PLC/工业软件研究报告信息化、数字化、智能制造、工业互联网解决方案自动化、信息化、数字化、工业网络、仿真与虚拟调试入门WinCC技术 | 工业网络 | MES技术相关| 工业巨头战略布局 | 工业通讯案例仿真与虚拟调试 | 职业感悟、认知提升 | 自动化控制标准合集工业数据采集（MES\SCADA\PLC\IOT\传感器..）产业研究报告2021-08-24详细解读全球工业数字孪生主流玩家、技术体系与产业布局2021-08-19西门子、达索、PTC、中望：全球CAD核心玩家产品力对比分析2021-08-16工业软件深度报告之生产管控篇（MES+SCADA+DCS+PLC）2021-08-15MES与ERP主流接口方式与主要交互数据项2021-08-13XX汽车焊装智能工厂控制系统与信息系统（PLC+SCADA+MES）规划设计2021-08-10全球CAE市场：西门子、达索、ANSYS...，国产工业软件“无人区”2021-08-09工控系统行业报告：PLC/DCS/SCADA市场的中国机遇2021-08-08体系解读智能制造、核心技术及关键系统（300页PPT下载）2021-08-07180页PPT，详述汽车数字化工厂核心技术2021-08-06数字化车间网络搭建之PLC间跨网段通讯的4种方法2021-08-03中国智能机床行业全产业链分析2021-08-02工厂信息化系统（ERP、PLM、MES、WMS）架构设计与建设规划2021-07-31海外工业软件研究之西门子：成功密码2021-07-29发布于 2021-09-24 10:44工控工业自动化智能制造赞同 111 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录智能制造之家微信公众号:智能制造之家，10W+朋友共话智

EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎

EtherCAT协议基础知识(Part 1) - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT协议基础知识(Part 1)虹科工业智能互联一、EtherCAT概述1.特性①开放的技术EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。②快速性相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCAT G技术，传输速率可达1000Mbit/s；同时EtherCAT基于标准以太网帧传输，单帧数据用容量可达1486 Bytes。这使得在传输数据量方面EtherCAT有无比的优越性。③拓扑的灵活性EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构：星型、线性、树型、菊花链型等，并支持各类电缆、光纤等多种通信介质，还支持热插拔特性，保证了各设备之间连接的灵活性。同时EtherCAT几乎没有设备容量限制，最大从站设备数可达65535个，使得网络中无需交换机的存在，仅通过设备间的拓扑结构即能使得EtherCAT数据直达每个从站。④同步的精准性对于像多个伺服轴执行协同运动等一类应用，其对数据同步性要求甚高。而EtherCAT可选择使用分布式时钟（DC）的方式同步节点，并采用完全基于硬件的时间校准机制，使得整个系统抖动时间远小于1us，能够完全适用于这样的应用之下。如下图所示，300个EtherCAT站点间的信号时间抖动仅有20ns：⑤高可用性EtherCAT可通过简单的措施实现线缆的冗余性。通过将网络中最后一个站点与主站设备中的以太网端口连接，即可将线型拓扑结构扩展为环型冗余拓扑结构。当线缆损坏或站点故障发生时，主站堆栈中的附加软件检测就会检测到，并立刻切到换冗余线路中运行，而各站点无需为此而改变，甚至不会意识到网络通信正在冗余线路中运行。2. ISO/OSI参考模型图：EtherCAT的ISO/OSI参考模型EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。这也是EtherCAT协议的实时性优越于其它实时以太网协议的重要原因之一。3.EtherCAT主从架构图：EtherCAT主从架构EtherCAT网络采用主从架构，网络组态于PC主机上进行配置，需要使用到相应的EMI（EtherCAT Master Information Files）、ESI（EtherCAT Slave Information Files）文件，经专用配置软件（通常于主站配置软件中集成）进行配置后生成ENI（EtherCAT Network Information Files）文件下载至主站中，主站便依据该文件进行整个网络的识别。图中关于EtherCAT从站设备的内部组成，即是一个实现EtherCAT协议OSI模型的过程：RJ45网口、PHY物理层芯片用于实现物理层协议；ESC用于实现链路层协议，通常使用倍福官方的ET1100芯片实现；MCU则用于实现应用层协议，需要厂商自行根据相应的协议编写程序代码，或是直接使用协议栈代码实现。4.报文帧传输方式EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。(这种传输方式有点类似于现实生活中的环型地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车。)发布于 2020-10-10 14:37以太网（Ethernet）交换机网络通信赞同 323 条评论分享喜欢收藏申请

【EtherCAT】一、入门基础_ethercat通讯协议-CSDN博客

【EtherCAT】一、入门基础

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跋扈洋

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什么是EtherCAT？

介绍简介特点和优势EtherCAT系统组成主站从站

硬件EtherCAT主站芯片EtherCAT从站芯片

EtherCAT应用层协议

工具软件

介绍

简介

EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一种高性能实时以太网通信协议，用于在工业自动化领域中进行实时控制和通信。它是由德国Beckhoff自动化公司在2003年开发的，并被国际电工委员会（IEC）标准化为IEC 61158标准。

EtherCAT的设计目标是实现极低的通信延迟和高带宽的数据传输，以满足高速控制和数据采集的需求。它通过一种特殊的主从架构实现，其中一个主站（Master）负责协调整个网络，而从站（Slave）则负责提供输入输出功能。

特点和优势

实时性能：EtherCAT具有非常低的通信延迟，通常在微秒级别，这使得它适用于对实时性要求较高的应用，如高速运动控制和精密定位系统。高带宽：EtherCAT支持高达100Mbps的数据传输速度，能够满足大量实时数据和控制信息的传输需求。灵活性：EtherCAT支持灵活的拓扑结构，可以适应各种网络配置，包括星形、总线型、树型等。它还支持热插拔设备和自动配置，简化了网络的部署和维护。易于集成：EtherCAT可以与现有的以太网基础设施兼容，因此可以与其他以太网设备进行无缝集成。此外，EtherCAT还提供了各种接口和开发工具，使得开发人员能够轻松地实现EtherCAT的应用。开放标准：EtherCAT是一个开放的标准，遵循国际电工委员会（IEC）的标准化规范，因此可以被各个厂商和组织广泛采用和支持。

EtherCAT已经在工业自动化领域得到广泛应用，包括机器人控制、工业自动化设备、测试和测量系统等。它的高性能和可靠性使得它成为一种理想的通信协议，用于实现实时控制和数据传输。

EtherCAT系统组成

EtherCAT由一个主站设备和多个从站设备组成。主站设备使用标准的以太网控制器，具有良好的兼容性，任何具有网络接口卡的计算机和具有以太网控制的嵌入式设备都可以作为EtherCAT的主站。对于PC计算机而言，主站控制器多采用倍福开发的TwinCAT软件。EtherCAT从站使用专门的从站控制器（ESC），如专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件，如传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆。

在EtherCAT网络中，主站和从站之间的通信是实时的、高效的和可靠的。主站通过广播方式将命令和控制数据传输到所有的从站，从站接收到相应的数据后进行处理并发送响应。这种并行处理的方式使得EtherCAT能够实现低延迟和高带宽的数据交换，适用于对实时性要求较高的工业自动化应用。

主站

主站（Master）：主站是EtherCAT网络中的中央控制单元，负责协调整个网络的操作和通信。主站通过发送命令和控制数据来控制和监视从站的行为。主站还负责在网络中进行同步和时序控制，确保从站按照预定的时间表执行任务。主站通常由一台计算机、PLC（可编程逻辑控制器）或专用的EtherCAT主站控制器实现。主站的主要功能包括：

网络管理：主站负责网络配置和管理，包括从站的添加和删除、参数设置和诊断等。数据交换：主站向从站发送命令和控制数据，接收从站的反馈和状态信息，实现数据交换和通信。同步控制：主站通过发送同步信号确保网络中的从站按照统一的时间基准执行任务，实现精确的同步控制。

从站

从站（Slave）：从站是EtherCAT网络中的被控制设备或模块，负责提供输入输出功能和执行主站的命令。从站可以是各种工业自动化设备，如传感器、执行器、驱动器等。从站接收主站发送的命令和控制数据，并根据指令执行相应的操作。从站还将采集的数据和状态信息反馈给主站。从站的主要功能包括：

数据交换：从站接收主站发送的命令和控制数据，并将采集的数据和状态信息发送回主站。响应控制：从站根据主站的命令执行相应的操作，如控制执行器的运动、读取传感器数据等。状态反馈：从站向主站报告设备的状态和异常信息，以供主站进行诊断和监控。

硬件

EtherCAT从站常使用ESC+MCU结构，如下图:

EtherCAT主站芯片

EtherCAT主站芯片是用于构建EtherCAT网络中主站（Master）功能的集成电路。它们提供了实时通信和控制所需的硬件和软件支持，使得开发人员能够轻松实现EtherCAT通信并控制从站（Slave）设备。以下是几个常见的EtherCAT主站芯片：

Beckhoff ET1100系列：Beckhoff自家开发的EtherCAT主站芯片。它具有高性能和可靠性，支持高速EtherCAT通信，可用于实现实时控制和数据传输。Renesas R-IN32系列：Renesas电子公司推出的EtherCAT主站芯片。这些芯片集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT通信控制器，具有强大的处理能力和丰富的接口选项。TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一种综合型芯片，集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT主站功能。它们适用于嵌入式控制器和工业自动化应用，提供了灵活性和可编程性。Intel Cyclone系列：Cyclone系列FPGA芯片由Intel提供，可以用于实现EtherCAT主站功能。这些芯片具有可编程性，可以根据应用需求进行定制和优化。

EtherCAT从站芯片

从站芯片是用于构建EtherCAT网络中从站（Slave）设备功能的集成电路。它们提供了实时通信和控制所需的硬件和软件支持，使得开发人员能够轻松实现从站设备的EtherCAT通信和响应主站的指令。

以下是几个常见的EtherCAT从站芯片：

Beckhoff ET1200系列：Beckhoff自家开发的EtherCAT从站芯片。它提供了高性能的EtherCAT通信功能，可用于实现从站设备与EtherCAT网络的连接和通信。亚信ASIX AX58100：AX58100是一款2/3端口EtherCAT从站控制器(ESC)，集成两个支持100Mbps全双工操作与HP Auto-MDIX功能的快速以太网PHY。Renesas R-IN32M系列：Renesas电子公司推出的高性能EtherCAT从站芯片。它们支持多种接口和功能，适用于各种工业自动化设备的EtherCAT通信需求。TI (Texas Instruments) Sitara系列：Sitara系列芯片是一种综合型芯片，集成了ARM Cortex-A处理器和EtherCAT从站功能。它们适用于嵌入式控制器和工业自动化应用，具有灵活性和可编程性。硬件FPGA：除了专门的从站芯片，一些开发人员也选择使用FPGA（现场可编程门阵列）来实现EtherCAT从站功能。使用FPGA可以灵活定制从站的功能和接口，适应各种应用需求。

EtherCAT应用层协议

EtherCAT的应用层直接面向应用任务，它定义了应用程序与网络连接的接口，为应用程序访问网络提供手段和服务。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，SoE以及FoE等。

EtherCAT协议本身具有良好的同步特性和数据传输速度，非常适用于伺服系统的控制，其中CoE与SoE可实现交流伺服驱动器控制的应用层。CoE是在CANopen协议基础上，对协议进行了一些补充。CoE完全遵从CANopen的应用行规，其中CiA402行规用于伺服和运动控制。SERCOS是一种高性能数字伺服实时通信接口协议，包含多种通信技术和设备行规。SoE是指在EtherCAT协议下运行SERCOS协议规定的伺服控制行规，使用EtherCAT协议操作SERCOS行规定义的伺服参数和控制数据。

工具软件

以下内容在公众号：《物联网知识》后台均可获取

TwinCAT：用于充当ECAT主站和从站烧写EEPROMAltova XMLSpy 2013：用于读写XML文件SSC_V5i12：从站协议栈代码工具，是EtherCAT协会为会员免费提供的KEIL 5:STM32 IDE

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【EtherCAT】一、入门基础

EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一种高性能实时以太网通信协议，用于在工业自动化领域中进行实时控制和通信。它是由德国Beckhoff自动化公司在2003年开发的，并被国际电工委员会（IEC）标准化为IEC 61158标准。EtherCAT的设计目标是实现极低的通信延迟和高带宽的数据传输，以满足高速控制和数据采集的需求。它通过一种特殊的主从架构实现，其中一个主站（Master）负责协调整个网络，而从站（Slave）则负责提供输入输出功能。

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专栏目录

EtherCAT主站配置过程分析

01-15

固高主站+一个固高GTHD伺服驱动Ethercat通讯建立全过程分析

EtherCAT入门教程.pdf

11-05

EtherCAT入门教程.pdf

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EtherCat 从站控制芯片

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EtherNet基础入门思维导图

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1、包含标准以太网OSI模型

2、EtherCat协议

3、EtherNet/IP协议

适合新手扫盲，或对以太网知识学习要求不高的同学使用

ethercat通讯协议的详细说明及编程提示

12-13

详细讲述了ethercat通讯协议及其编程

EtherCAT 应用层协议的部分理解（一）

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不对EtherCAT进行介绍，只谈谈对EtherCAT应用层协议的简单理解1、COE (CANopen over EtherCAT)　　一种基于且完全遵循CANopen协议的通信协议　　用途：

　　　　　１、用于驱动PDO对象，实现PDO对象间数据通信

　　　　　 2、用于驱动SDO对象，实现SDO对象间的数据传输　　分类：

　　　　1、周期性过程数据通信 – 驱动PDO

倍福EtherCAT通信协议详细解析

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1.2 实时以太网

实时以太网(RTE, Real Time Ethernet)是常规以太网技术的延伸，以便满足工业控制领域的实时性数据通信要求。目前，国际上有多种实时工业以太网协议，根据不同的实时性和成本的要求使用不同的原理，大致可以分为以下三类:

(1)基于TCP/IP实现的工业以太

EtherCAT介绍

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EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。

EtherCAT设备协议详解一、EtherCAT概述

EtherCAT

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• 国际范围内涵盖的开放技术标准（IEC61158，61784，61800和ISO 15745）• 用于控制自动化技术的以太网（EtherCAT）是一种基于以太网的现场总线系统。后面介绍上图中的从站设备协议，图上内容很多，原图可以从ethercat官网获取。• 涉及从站和从站的设置节点采用物理连接的菊花链样式但在逻辑上按循环运行。• EtherCAT专注于精确、低抖动从节点间同步（≤ 1 μs）• 每个从站“动态”处理消息数据当帧从一个节点传递到下一个节点时。– ETG拥有EtherCAT的权利。

EtherCAT (学习笔记)

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文章目录1. 简介1.1 运动控制1.2 实时以太网1.3 EtherCAT2. EtherCAT原理介绍2.1 实时性2.2 端口管理2.3 EtherCAT网络拓扑2.4 EtherCAT网络协议栈2.5 EtherCAT数据帧格式2.6 EtherCAT设备寻址方式2.7 分布式时钟(Distribute Clock)2.8 应用层(Application Layer)2.9 设备配置(Device Profile)2.10 主站设计2.11 从站设计3. 应用层(Application Layer)

工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析(转自知乎“智能制造之家“)

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EtherCAT协议基础知识(Part 1)

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一、EtherCAT概述

1.特性

①开放的技术

EtherCAT全称EtherNetControlAutomationTechnology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。

②快速性

相比传统现场总线，EtherCAT的数据传输速率有了极大的提升，可选10Mbit/s或100Mbit/s，甚至依托补充的EtherCATG技术，传...

EtherCAT简介

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EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）是Beckhoff（倍福）在2003年开发的实时以太网网络。它基于CANOPEN协议和以太网，但是与Internet通信或网络通信不同之处在于，它专门针对工业自动化控制进行了优化。这些标准由EtherCAT技术小组（简称ETG）定义和维护。使用OSI网络模型，以太网和EtherCAT依赖于相同的物理和数据链路层。除此之外，由于针对不同任务进行了优化，因此这两个网络在设计上有所不同。例如，以太网被设计为通过许多不同的节点发送大量数据。它能够与数十亿个单独的地址之间

EtherCAT协议基础知识(Part 2)

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4805

二、EtherCAT物理层和链路层

1.物理层

倍福对EtherCAT协议的物理层实现提供了两种方案：普通方案以及EtherCATP方案；

①普通方案：采用通用的、低成本的RJ45接口，以及物理层PHY芯片，通信介质可采用TX（双绞线，最大传输距离100m）或FX（光纤，最大传输距离20km）进行传输，另有LVDS形式可供进行电路板级的协议数据传输。

②EtherCATP方案：EtherCAT P（P = power，电源）是对EtherCAT 标准协议的补充。它不仅传输通信数据，而且通过单..

EtherCAT协议介绍

波波诸葛伟

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EtherCAT协议介绍

前言

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种基于以太网的开发构架的实时工业现场总线通讯协议，它于2003年被引入市场，于2007年成为国际标准，并于2014年成为中国国家标准。EtherCAT的出现为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准。

1）EtherCAT是最快的工业以太网技术之一，同时它提供纳秒级精确同步。相对于设置了相同循环时间的其他总线系统，EtherCAT系统结构通常能减少25%-30%的CP

倍福EtherCAT通信协议原理

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1、 EtherCAT提出背景：

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，全称为Control Automation Technology字首的缩写。

2、自动化对通讯的要求：要求较短时间的资料更新、资料同步时的通讯抖动量低，硬件成本低、EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。

3、机能原理：工业自动化通信各节点传输的资料长度补偿，多半比以太网帧的最小长度要小。因此如果每个结点资料更新都要送出一个帧就造成带宽的低利用率，网络的整体性能也

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最近我们要基于Ethercat技术进行开发，首先需要了解其基本原理，github上看到了有相关实现，一起来看看吧。

ethercat的一条pdo指令

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一个常见的 EtherCAT PDO 指令如下：

```

0x1600 01 00 00 00 00 00 00 00

```

其中，`0x1600` 是对象字典索引（index），`01` 是子索引（subindex），后面的 8 个字节是数据。这个指令的含义是读取对象字典索引为 0x1600、子索引为 1 的对象的值。具体的含义需要根据对象字典来确定。

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EtherCAT协议基础知识(Part 2) - 知乎

EtherCAT协议基础知识(Part 2) - 知乎切换模式写文章登录/注册EtherCAT协议基础知识(Part 2)虹科工业智能互联二、EtherCAT物理层和链路层1.物理层倍福对EtherCAT协议的物理层实现提供了两种方案：普通方案以及EtherCAT P方案；①普通方案：采用通用的、低成本的RJ45接口，以及物理层PHY芯片，通信介质可采用TX（双绞线，最大传输距离100m）或FX（光纤，最大传输距离20km）进行传输，另有LVDS形式可供进行电路板级的协议数据传输。②EtherCAT P方案：EtherCAT P（P = power，电源）是对EtherCAT 标准协议的补充。它不仅传输通信数据，而且通过单根、标准的四线以太网电缆传输外围电压。2.链路层EtherCAT链路层的总体特点如下：①采用IEEE 802.3标准以太网帧结构；②支持UDP，不支持IP协议；③报文帧的传输要通过专用硬件（如ET1100）。其帧结构如下图所示：EtherCAT报文帧分为基础报文帧和UDP报文帧，区别在于帧结构中是否含有UDP的数据部分，并均支持带上VLAN标签；而由于UDP报文帧因为时延较大，应用较少，因此我们仅以基础报文帧进行介绍，以下为基础报文帧的帧结构：其中Datagram部分参数含义如下：Cmd：8bit命令码。具体有RD（读）、WR（写）、RW（读写）等行为，结合下面提到的数种寻址方式（AP、FP、L、B）共同构成命令码部分；Idx：8bit索引值，表示该帧的索引号，可供主站识别该帧；Address：32bit寻址方式，又可细分为4种具体的寻址方式：1）广播寻址（B）：表明每个从站都可识别该帧；2）自增量寻址（AP）：从0开始，以负自增的形式，顺序识别每一个从站（0x0000、0xFFFF、0xFFFE……），每经过一个从站，该帧的地址值会自动减1；通常用于主站启动时进行整个网络组态的扫描；3）定点寻址（FP）：表明该帧识别特定从站种的特定数据，包括16bit节点地址与16bit偏移量；意味着固定寻址最多带动65536（216）个从站，且每个从站的数据最多也为65536（216）个：4）逻辑寻址（L）：主站配备4G（232）的内存空间用于逻辑地址的存储，而逻辑地址依据各从站中的FMMU管理机制，映射至所有从站中的所有数据；主站在帧中只需携带某个逻辑地址，即可寻址到任意从站中的任意数据：Len：11bit数据段长度，与后面Data段长度对应；R：3bit保留位；C：1bit帧循环标志；M：1bit后续报文标志，0表示当前报文为最后一个报文，1表示后续会提供更多报文；IRQ：16bit中断请求标志；Data：报文帧数据段，可为0-1486 Bytes；FMMU管理机制：FMMU管理机制用于每个从站的每个数据进行自身物理地址与通信逻辑地址的映射。对于主站而言，相同一个逻辑地址可以对应多个从站的物理地址，从而能够实现1条报文访问多个从站的特定数据。WKC自增计数器：自增计数器，用于校检报文帧的命令是否正确的运行。报文帧的命令码得到正确执行后，相应的WKC会自增相应的值，在该报文从发出到返回主站时，主站会依据报文帧WKC内的值，与发送时计算得出的正确执行命令时应该接收到的值作对比，从而判断该报文帧有无正确执行。若需要更多帮助，欢迎联系我们发布于 2020-10-12 10:34通讯协议赞同 7添加评论分享喜欢收藏申请

EtherCAT协议介绍 - 逍遥的仔 - 博客园

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EtherCAT协议介绍

前言

1）EtherCAT是最快的工业以太网技术之一，同时它提供纳秒级精确同步。相对于设置了相同循环时间的其他总线系统，EtherCAT系统结构通常能减少25%-30%的CPU负载。

2）EtherCAT在网络拓扑结构方面没有任何限制，最多65535个节点可以组成线型、总线型、树型、星型或者任意组合的拓扑结构。

3）相对于传统的现场总线系统，EtherCAT节点地址可被自动设置，无需网络调试，集成的诊断信息可以精确定位到错误。同时无需配置交换机，无需处理复杂的MAC或者IP地址。

4）EtherCAT主站设备无需特殊插卡，从站设备使用可以由多个供应商提供的高集成度、低成本的芯片。

5）利用分布时钟的精确校准EtherCAT提供了有效的同步解决方案，在EtherCAT中，数据交换完全基于纯粹的硬件设备。由于通讯利用了逻辑环网结构和全双工快速以太网而又有实际环网结构，“主站时钟”可以简单而精确地确定对每个“从站时钟”的运行补偿，反之亦然。分布时钟基于该值进行调整，这意味着它可以在网络范围内提供信号抖动很小、非常精确的时钟。

总体来说EtherCAT具有高性能、拓扑结构灵活、应用容易、低成本、高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议、热插拔等特点。

一、网络寻址原理

EtherCAT以以太网为基础，发送标准以太网数据帧。EtherCAT主站发送的每一个数据帧经过所有节点，在数据帧向下游传输的过程中，每个节点读取寻址到该节点的数据，并将它的反馈数据写入数据帧。这种传输方式改善了带宽的利用率，使得每个周期通常用一个数据帧就足以实现数据通信，同时网络不再需要使用交换机和集线器。数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时，当某一个网段或者分支上的最后一个节点检测到开放端口（没有下一个从站）时，利用以太网技术的全双工特性将报文返回主站。

在数据传输的过程中EtherCAT根据不同的应用采用不同的寻址方式，三种不同的寻址方式被分别应用到Ethercat网路配置，邮箱通信和过程数据通信中。

（一）自增量寻址

1）每个从站根据其所处位置的先后分配一个十六位的负的自增量地址.

2）当数据帧经过时从站只处理自增量地址为零的子报文。

3）在经过每个从站时数据帧中所有自增量地址加一。

4）通常用于扫描硬件的配置信息。

说明：自增量寻址一般用在启动阶段，主站通过自增量寻址对从站做一些配置。如上图所示数据帧中的地址信息按从零开始以此递减使其与从站位置相对应。当数据帧经过从站时，从站只处理地址为零的子报文。例如当第一个从站处理其对应的报文之后，报文中所有自增量地址加一，此时自增量地址从新为零的数据帧为第二个从站需要处理的数据，以此类推主站将按照数据帧在整个网络中的移动顺序依次遍历整个网络。

（二）固定地址寻址

1）每个从站有一个固定的地址（16 bit）

2）通常在硬件配置扫描的过程中被分配。

3）与从站的位置无关

4）当断电后固定地址丢失

说明：在经过启动配置之后每个从站分配一个固定的地址，以便用于固定地址寻址。固定地址寻址一般用于主站与从站以邮箱方式的通信中（例如SDO），在邮箱方式通信时EtherCAT主站根据从站的固定地址寻址到所要交换数据的从站，数据只在两者之间进行交换，适用于主站与某一个从站交换相对较大的数据。

（三）逻辑寻址

1）从站在一个虚拟的4GByte 数据空间进行读写操作。

2）逻辑地址映射到从站中减轻了控制系统的负担。

3）数据根据应用程序所指定的逻辑地址被传输。

要求：快速，灵活并且高效的传输。

说明：逻辑寻址特别适用于在过程数据的通信过程中，每个从站的物理地址通过FMMU被映射到一个逻辑地址中。主站通过操作逻辑地址控制从站，使用逻辑寻址可以灵活地组织控制系统，优化系统结构。

二、EtherCAT主站协议栈介绍

北京盟通科技有限公司是德国acontis在中国大陆唯一授权的合作伙伴，德国acontis公司提供跨平台、跨操作系统的商用EtherCAT主站协议栈及主站解决方案，其产品的专业性和可靠性得到全球超过200家工业客户的信赖与认可，包括KUKA机器、伦茨、阿尔斯通、巴赫曼等众多国际知名企业。

（一）支持的操作系统

（二）支持的CPU架构

三、支持的网卡型号

Link Layer

Name

Controller / Device

WinXP

Win7

WinCE

VxWorks

On Time

RTOS-32

QNX

Linux

T-Kernel

RTX

INtime

DOS

GO32

emllPcap

OS driver

x86

emllSnarf

OS driver

x86, PPC

emllI8255x

Intel Pro/100

82551QM / 0x1059

82555VE2 / 0x27DC

82557 / 0x1229

82557ER / 0x1209

82559ER / 0x2449

82562 / 0x1039

82801DB / 0x103A

82801EB / 0x1050

Pro/100/M / 0x1229

Pro/100/S / 0x1229

Pro/100/VE /0x1092

x86

x86, PPC

x86

emllI8254x

Intel Pro/1000

82540EM / 0x100E

82541EI / 0x1013

82541ER / 0x1078

82541GI / 0x1076

82541GI / 0x1077

82541PI / 0x107C

82545GM / 0x1026

82546EB / 0x1010

82546GB / 0x1079

82547EI / 0x1075

82547GI / 0x1019

82566DM / 0x104A

82566L / 0x10BD

82566MC / 0x104D

82567V / 0x10CE

82567V / 0x1501

82567LM / 0x10DE

82567LM / 0x10F5

82571GB / 0x10A4

82571GB / 0x10BC

82572GI / 0x10B9

82572PI / 0x107D

82573 / 0x108C

82573E / 0x108B

82573L / 0x109A

82574(L) / 0x10D3

82575 / 0x10A7

82577LM/0x10EA

82577LC / 0x10EB

82576 / 0x10C9

82576 ET2 / 0x1526

82578DM / 0x10EF

82578DC / 0x10F0

82579LM / 0x1502

82579V / 0x1503

82580 / 0x150E

82580 QF / 0x1527

82583V / 0x150C

N1E5132 / 0x105E

I350 / 0x1521

I210 / 0x1533

I210 CFL / 0x157B

I211AT / 0x1539

I217LM / 0x153A

I217V / 0x153B

I218LM / 0x155A

x86

I218V / 0x1559

emllL9218i

SMSC

LAN9218i

L9218i

ARM

STR9

emllRTL8139

Realtek

RTL8139

8139D / 0x8139

D-Link 8139D /

0x1300

x86

emllRTL8169

Realtek

Gigabit NIC

(PCIe, PCI)

RTL8110 / 0x8169

RTL8111 / 0x8168

RTL8168 / 0x8168

RTL8169 / 0x8169

D-Link RTL8169 /

0x4300

RTL8169SC/0x8167

RTL8103 / 0x8136

x86

emllCPSW

Texas Instruments

Sitara on board

ARM

emllETSEC

Freescale PowerPC

TSEC/eTSEC

controller

eTSEC v1 and v2

PPC

emllFslFec

Freescale FEC and

ENET controller

ARM

emllR6040

RDC R6040

x86

四、EtherCAT性能测试

1. EtherCAT总线时序图

在实际应用中，客户根据产品的性能要求确定总线循环周期Cycle Time的时间长短。在每个循环周期内，EtherCAT主站的CPU必须完成下列几项任务：已接收数据帧的处理、客户应用处理、发送数据和主站协议栈管理，非周期数据的处理在每个循环周期中可选，如下面总线时序示意图所示。

总线时序图说明：

EtherCAT主站接收周期和非周期输入数据，

函数使用参数：eUsrJob_ProcessAllRxFrames 功能：接收所有的输入数据帧。

EtherCAT主站发送周期数据输出

函数使用参数：eUsrJob_ProcessAllCvcFrames 功能：发送循环数据帧。

EtherCAT 主站管理，

函数使用参数：eUsrJob_MasterTimer 功能：触发主站和从站的状态机。

EtherCAT主站发送非周期性数据，如SDO，

函数使用参数：eUsrJob_SendAcvcFrames 功能：发送非周期数据帧。

客户应用：处理输入数据并生成输出数据，用户程序所要完成的操作在这里进行。

2. Acontis主站EC-Master性能测试环境设置

EC-Master性能测试环境包含了七个从站：EK1100、2ｘEL2004、2ｘEL1014、EL4132和EK1110。

传输的过程数据包含512个字节的数据（256个输入和256个输出），填充了一个大小为579字节的数据帧。此外主站与EL4132使用邮箱方式进行非周期数据交换。主站协议栈每个循环周期内占用的CPU时间请参考测试结果。

3. 测试结果（CPU平均负载）

平台

芯片

主频

网卡

协议栈占用CPU时间

主站版本

操作系统

Intel

Atom D510

2 x 1600MHz

Realtek8111

14µs

2.3.1.99

VxWorks

Intel

Atom D510

2 x 1600MHz

Realtek8111

16.5µs

2.3.1.99

QNX

Intel

Atom D510

2 x 1600MHz

Pro 1000

16µs

2.3.1.99

VxWorks

Intel

Atom D510

2 x 1600MHz

Pro 1000

16µs

2.3.1.99

QNX

Intel

Atom Z510

1100MHz

Realtek8169

19µs

2.4.1.3

Window CE6.0

Intel

Atom D510

2 x 1600MHz

Realtek8111

14µs

2.3.4.1

Window CE6.0

ARM

XILINX ZYNQ

XC7Z020

2 x 667MHz

SockRaw Polling

62µs

2.5.3.4

Linux 3.0.0

SMP

PREEMPT

ARM

Holster netX

200MHz

netX

216µs

2.2.1.3

rcX

PPC

P2020 e500V2

1200MHz

eTSEC

14µs

2.4.1.3

VxWorke 6.8

ARM

TI DM8168

1000MHz

Internal

79µs

2.4.1

Linux

ARM

TI AM335x

720MHz

CPSW

50µs

2.6.2.15

Starterware

ARM

TI AM335x

720MHz

CPSW

36µs

2.6.0.99

QNX

Intel

Core2 Duo

2190MHz

Pro 1000

9µs

Intel

Core2 Duo

2800MHz

Realtek 8169

7µs

2.5.0.0

Linux RT Preempt

ARM

96MHz

SMSC 9218i

644µs

MQX

ARM

iMX25

400MHz

FECFSL

283µs

2.4.1.3

ARM

Renesas R-IN32

100MHz

internal

125µs

2.7.0.99

iTron (HWRTOS)

注释：协议栈占用CPU时间是指在每个循环周期中I、O、A、M(数据接收，周期数据发送，主站管理，非周期数据发送)所用时间的总和。

posted @

2015-10-10 11:36

逍遥的仔

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EtherCAT通讯协议详细解析 - 技象科技

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技象科技首页 / 行业百科 / EtherCAT通讯协议详细解析

EtherCAT通讯协议详细解析作者：

技象物联网

/ 行业百科 / LTE Cat.1, 通信协议 / 2023年9月21日 13:18:20 2023年9月21日 13:18:23

　　在现代工业自动化领域中，通讯协议起着至关重要的作用。其中，EtherCAT通讯协议以其高效、可靠和实时的特性，成为许多工业网络的首选。本文将深入解析EtherCAT通讯协议，带您了解其工作原理、优势以及应用领域。

　　一、什么是EtherCAT通讯协议?

　　EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是一种实时以太网通讯协议，由Beckhoff Automation GmbH于2003年开发。EtherCAT采用了主从结构，通过在数据帧中添加从站数据，实现了高效的数据传输。相比于其他常见的工业以太网协议，EtherCAT具备更低的延迟和更高的实时性能，适用于高速、大规模的工业应用。

　　二、EtherCAT通讯协议的工作原理

　　1. 总线拓扑结构

　　EtherCAT通讯协议采用了总线拓扑结构，其中一个主站控制多个从站。主站负责发送指令和接收数据，而从站则负责执行指令并返回数据。这种结构使得EtherCAT能够实现高效的数据传输和实时性能。

　　2. 分布式时钟同步

　　为了确保从站之间的同步性，EtherCAT引入了分布式时钟同步机制。主站通过发送同步帧来同步所有从站的时钟，从而实现高精度的数据同步。这种机制使得EtherCAT能够在纳秒级别的精度下进行数据通信。

　　3. 以太网数据帧结构

　　EtherCAT通讯协议使用了特殊的以太网数据帧结构，其中包含了从站数据。主站通过在数据帧中添加从站数据，实现了主站与多个从站之间的高效通信。这种数据帧结构的设计使得EtherCAT能够在一个数据帧中传输多个从站的数据，提高了数据传输的效率。

　　三、EtherCAT通讯协议的优势

　　1. 高效性能

　　EtherCAT通讯协议采用了高速的数据传输方式，能够在微秒级别完成数据的传输。这种高效性能使得EtherCAT适用于对实时性要求较高的工业应用，如机器人控制、自动化生产线等。

　　2. 灵活可扩展

　　EtherCAT通讯协议支持灵活的拓扑结构，可以适应不同规模和复杂度的工业网络。同时，EtherCAT还支持热插拔功能，可以方便地添加或删除从站设备，提高了系统的可扩展性。

　　3. 低成本

　　相比于其他工业以太网协议，EtherCAT的硬件成本较低。由于EtherCAT使用标准以太网物理层，不需要专用硬件，因此可以降低系统的成本。

　　四、EtherCAT通讯协议的应用领域

　　1. 工业自动化

　　EtherCAT通讯协议广泛应用于工业自动化领域。它可以实现各种设备之间的高效通信，如PLC、传感器、执行器等，帮助实现自动化生产线的高效控制。

　　2. 机器人控制

　　由于EtherCAT通讯协议具备高实时性和低延迟的特点，因此在机器人控制领域得到了广泛应用。它可以实现对机器人的高精度控制，提高机器人的运动性能和响应速度。

　　3. 智能交通系统

　　EtherCAT通讯协议在智能交通系统中也有广泛的应用。它可以实现对交通信号灯、摄像头、传感器等设备的高效控制和数据传输，提高交通系统的智能化水平。

　　结论：

　　EtherCAT通讯协议以其高效、可靠和实时的特性，成为现代工业自动化领域的重要通讯协议。通过深入了解EtherCAT的工作原理、优势和应用领域，我们可以更好地应用和运用这一协议，实现高效可靠的工业通讯。

如何入门ethetcat？ - 知乎

如何入门ethetcat？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册运动控制CANopen 总线如何入门ethetcat？底板部分，协议部分显示全部关注者5被浏览3,106关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享2 个回答默认排序知乎用户joQN5K 关注EtherCAT是目前工业以太网中一种主流的总线通讯协议，相比传统的工业以太网，有着众多突出的优点，应用简单是EtherCAT总线的一个显著特点。应用特点应用简单，关于EtherCAT总线的应用具有以下几个特点：1）拓扑灵活——几乎支持任何形式网络拓扑结构2）线缆长度最大1000米，节点之间的线缆长度无需规划3）节点地址自动分配4）通讯速率固定100M5）无需配置通讯参数6）无需再次优化通讯参数调试步骤基于以上特点，EtherCAT总线产品的应用可以简单分为以下几个步骤：举个栗子本例程采用本公司EtherCAT步进产品DM3E-556和欧姆龙控制器NJ501-1500为例进行说明。步骤1硬件系统组建硬件系统的搭建主要包含主站、从站和配套通讯线，举例：如下图所示是NJ501-1500与两台DE3E-556的组网连接示意图：说明：● 电脑安装好编程环境Sysmac Studio；● 控制器的Ethernet口与电脑的网口联接；● 控制器的EtherCAT口与驱动器的ECAT IN 联接；● 第一台驱动器的ECAT OUT 联接下一台驱动器的ECATIN口；步骤2安装设备描述文件将设备描述文件DM3E-556.xml复制到编程环境对应的安装目录下OMRONSysmacStudioIODeviceProfilesEsiFilesUserEsiFiles步骤3做最易用的编辑器1）打开Sysmac Studio的编程环境，新建工程，选择对应型号的控制器和软件版本2）在配置和设置——EtherCAT 主站下添加节点3）在运动控制设置——轴设置——（右击）添加轴，设置轴参数，如图所示设置单位换算设置设置速度参数设置回原点方式步骤4编程、联机运行在编程——POUs——程序——Program0——Section0 添加程序在线运行：在程序编译没有错误的条件下，设置通讯连接，联机后下载程序，触发程序的enable可以实现对电机的使能操作，触发hms可以触发驱动器的回原点，触发moveabs可以触发驱动器的绝对位置运动。推荐阅读：发布于 2020-07-16 14:47赞同 5添加评论分享收藏喜欢收起FA农民工自娱自乐关注看手册建议字打打对先是EtherCAT编辑于 2020-07-16 07:47赞同2 条评论分享收藏喜欢收起

【EtherCAT理论篇】二、EtherCAT工作原理-CSDN博客

【EtherCAT理论篇】二、EtherCAT工作原理

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1、EtherCAT系统组成

EtherCAT是一种实时以太网技术，由一个主站设备和多个从站设备组成。主站设备使用标准的以太网控制器，具有良好的兼容性，任何具有网络接口卡的计算机和具有以太网控制的嵌入式设备都可以作为EtherCAT的主站。对于PC计算机而言，主站控制器多采用倍福开发的TwinCAT软件。EtherCAT从站使用专门的从站控制器（ESC），如专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件，如传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆。

EtherCAT运行原理为如上图所示：在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。

2、 EtherCAT数据帧结构

EtherCAT数据直接通过以太网数据帧传输，数据帧类型为0x88A4。EtherCAT数据帧是由14个字节的以太网帧头、2个字节的EtherCAT头、44到1498字节的EtherCAT数据和4字节的帧校验序列构成。EtherCAT的数据帧结构定义如图所示。

在EtherCAT以太网报文中，目的地址为接收方的MAC地址，源地址为发送发的MAC地址，EtherCAT的以太网帧类型为0x88A4。EtherCAT头包括三个部分，分别是EtherCAT数据长度、保留位和类型。其中，EtherCAT数据长度为所有子报文长度的总和，类型固定为1，表示和EtherCAT从站通讯。每个EtherCAT子报文包括3个部分，分别是子报文头、数据和工作计数器（WKC）。其中子报文头如下表所示的7个部分。数据区中最多可以有1486个字节的数据，WKC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。

3、EtherCAT寻址方式

EtherCAT的数据通讯是通过主站发送EtherCAT报文读写从站的内部寄存器实现的。EtherCAT报文首先通过网段寻址找到从站所在的EtherCAT网段，之后通过设备寻址找到报文数据对应的从站设备，从而完成数据交换。

（1）EtherCAT网段寻址：EtherCAT主站和从站网段有两种连接方式，分别是直连模式和开放模式。在直连模式中，从站所在的EtherCAT网段通过网线直接连接到主站的以太网控制器。在这种网络连接模式中，主站使用广播MAC地址，以太网帧头的目的地址设为0xFFFFFFFFFFFF，便可以找到EtherCAT的从站网段。在开放模式中，EtherCAT主站和从站网段都连接到一个标准的以太网交换机上，而且每个EtherCAT从站网段的第一个从站设备都有一个代表整个从站网段的MAC地址，这个从站被称作段地址从站。在这种模式下，主站发送EtherCAT报文时，以太网帧头的目的地址应该设置为目的从站网段的段地址。

（2）设备寻址：EtherCAT数据帧的子报文头里的地址区有32位，其中前16位是EtherCAT从站设备的地址，后16位是从站设备内存偏移地址。EtherCAT报文首先根据前16位找到特定的从站设备，之后根据后16位将数据写入或读出从站设备相应的内存地址。设备寻址有两种方式：顺序寻址和设置寻址。使用顺序寻址时，从站的地址是由从站设备的物理连接顺序决定的。使用设置寻址时，从站的设备地址和物理连接顺序无关，而是系统上电初始化时主站配置给从站，或者从站从自身EEPROM的配置文件中读取的。在一个EtherCAT从站网段内，每个从站设备都拥有唯一的一个设备地址，用于获取EtherCAT数据帧中相应的子报文。

4、EtherCAT分布时钟

EtherCAT提供了分布式时钟（DC）单元，来同步从站设备。相比于完全同步的通讯，分布式同步时钟具有更好的容错性，从而保证各EtherCAT从站设备同步工作的稳定性。由于每个设备的本地时钟是自由运行的，为了使所有设备进行同步，需要利用分布时钟进行同步。

分布时钟同步的原理是将所有的从站设备时钟都同步于参考时钟，EtherCAT将主站连接的第一个且具有分布时钟功能的从站作为参考时钟。为了实现各从站设备之间的准确同步控制，在EtherCAT网络上电初始化时，会对分布时钟进行初始化。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。EtherCAT分布时钟同步方法基于硬件校正，具有很高的准确性，同步信号抖动远小于1us。

5、EtherCAT通信模式

EtherCAT通信是以主从通讯模式进行的，其中主站控制着EtherCAT系统通信。在实际自动化控制应用中，通信数据一般可分为：时间关键的和非时间关键。在EtherCAT中利用周期性过程数据通信来进行时间关键数据通信，而采用非周期性邮箱通信（mailbox）来实现非时间关键数据通信。

（1）周期性过程数据通信

周期性过程数据通信通常使用现场总线内存管理单元（FMMU）进行逻辑寻址，主站可以通过逻辑读写命令来操作从站。周期性过程数据通信使用两个存储同步管理单元（SM）来保证数据交换的一致性和安全性，通讯模式采用缓存模式。在缓存模式下使用三个相同大小的缓冲区，由SM统一管理，缓存模式的运行原理如图所示。

（2）非周期性邮箱通信

邮箱数据通信模式只使用一个缓冲区，为保证数据不丢失，数据交换采用握手机制，即在一端完成对缓冲区数据操作后，另一端才能操作缓冲区数据。通过这种轮流方式进行读写操作，来实现邮箱数据交换。

6、EtherCAT应用层协议

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5. 主站接收：主站接收到从站发送的数据帧后，解析其中的数据，并进行相应的处理。

6. 实时通信：EtherCAT总线上的通信是实时的，通过在数据帧中添加时间戳，可以实现同步和精确的数据传输。

7. 循环过程：上述步骤循环进行，实现了快速、实时的数据交换和控制。

总体来说，EtherCAT利用以太网技术实现了高效的实时通信，可以满足工业自动化领域对实时性和可靠性的要求。它的主从结构和实时特性使其成为工业控制系统中常用的通信协议之一。

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【EtherCAT实践篇】四、TwinCAT 3实验1-基本操作

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【EtherCAT实践篇】一、TwinCAT3安装

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【EtherCAT理论篇】一、EtherCAT现场总线概述

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【EtherCAT分析】一、EtherCAT从站硬件分析

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1. 主站发送：主站通过以太网发送数据帧，其中包含指令和数据。

2. 从站接收：从站设备接收到数据帧后，会解析其中的指令和数据，并根据指令执行相应的操作。

3. 从站处理：从站设备在接收到指令后，会对指令进行处理，并将执行结果存储在输出数据区中。

4. 从站发送：从站将输出数据区的内容封装成数据帧，通过EtherCAT总线发送给主站。

5. 主站接收：主站接收到从站发送的数据帧后，解析其中的数据，并进行相应的处理。

6. 实时通信：EtherCAT总线上的通信是实时的，通过在数据帧中添加时间戳，可以实现同步和精确的数据传输。

7. 循环过程：上述步骤循环进行，实现了快速、实时的数据交换和控制。

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EoE：将以太网帧插入到 EtherCAT 协议中。EtherCAT协议中的以太网帧通过非循环邮箱通信进行传输。

Ethercat解析（十一）之分布时钟

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[工业互联-23]：EtherCat从站 - EtherCAT协议栈与工作原理, 软硬件解决方案

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LAN9252 EtherCAT详细培训资料

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EtherCAT原理详解，EtherCAT详实解决方案。详细解析ethercat的前世、今生、未来发展。

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最近在做基于EtherCAT的项目，看了一些网上的博客，感觉写的都比较松散。虽然，自己也是才开始学习，希望能把这段时间学到的东西总结一下。

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3. 从站处理：从站设备在接收到指令后，会对指令进行处理，并将执行结果存储在输出数据区中。

4. 从站发送：从站将输出数据区的内容封装成数据帧，通过EtherCAT总线发送给主站。

5. 主站接收：主站接收到从站发送的数据帧后，解析其中的数据，并进行相应的处理。

6. 实时通信：EtherCAT总线上的通信是实时的，通过在数据帧中添加时间戳，可以实现同步和精确的数据传输。

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【EtherCAT】一、入门基础_ethercat通讯协议-CSDN博客

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EtherCAT应用层协议

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简介

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EtherCAT系统组成

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从站

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EtherCAT从站常使用ESC+MCU结构，如下图:

EtherCAT主站芯片

EtherCAT从站芯片

以下是几个常见的EtherCAT从站芯片：

EtherCAT应用层协议

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以下内容在公众号：《物联网知识》后台均可获取

TwinCAT：用于充当ECAT主站和从站烧写EEPROMAltova XMLSpy 2013：用于读写XML文件SSC_V5i12：从站协议栈代码工具，是EtherCAT协会为会员免费提供的KEIL 5:STM32 IDE

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固高主站+一个固高GTHD伺服驱动Ethercat通讯建立全过程分析

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EtherNet基础入门思维导图

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1、包含标准以太网OSI模型

2、EtherCat协议

3、EtherNet/IP协议

适合新手扫盲，或对以太网知识学习要求不高的同学使用

ethercat通讯协议的详细说明及编程提示

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详细讲述了ethercat通讯协议及其编程

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王三三

06-22

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不对EtherCAT进行介绍，只谈谈对EtherCAT应用层协议的简单理解1、COE (CANopen over EtherCAT)　　一种基于且完全遵循CANopen协议的通信协议　　用途：

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倍福EtherCAT通信协议详细解析

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EtherCAT简介

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最近我们要基于Ethercat技术进行开发，首先需要了解其基本原理，github上看到了有相关实现，一起来看看吧。

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一个常见的 EtherCAT PDO 指令如下：

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0x1600 01 00 00 00 00 00 00 00

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WiFi---AP+STA共存模式（ESP8266）

KevinLi945:

2个地方错误，有一个是【udp.begin(localPort); 】

在Linux上实现ECAT主站

Taqingjie:

你好博主，你是用什么工控机做这个主站的了，求教

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感觉好复杂看不懂

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