EtherCAT協議分析

楊曉鴻

EtherCAT協議是德國倍福自動化有限公司（Beckhoff Automation GmbH）于2003年提出，并于2005年被定為IEC標準62407；2007年，IEC把EtherCAT協議加到工業現場總線標準61158。

一、協議概述

為提高通信效率以及實時性，EtherCAT協議的主要思想有兩方面。簡化協議，協議兼容以太網的MAC層協議，并由純硬件完成解析，提高處理速度；而其他協議由軟件解析上層協議，由于CPU的負載在不同時段的不確定性導致相應的處理時間偏差加大，而純硬件的方式能在確定的時間內完成處理，使時間更加精確。EtherCAT協議考慮到工業應用中每次通信的數據量小和對實時性要求高的特點，在以太網數據包的基礎上加入自己的協議，把一個以太網數據包分成若干個EtherCAT數據包加以充分利用，并給主站控制各從站提供了更大的靈活性。

EtherCAT網絡由一個主站（Master）和最大可能為216次個從站（Slave）組成，支持以太網的所有拓撲結構（星型/總線型/環型等），其工作原理如下：EtherCAT網絡就像是一列運行的火車，主站是火車的起點和終點，火車把車上的乘客（數據包）送（寫操作）到任何指定的站點（從站），也能在所有它經過的站點上接收新的乘客（讀操作），它是工業領域中飛速傳輸的以太網。

二、EtherCAT關鍵技術

1.幀結構

EtherCAT在以太網幀結構的基礎上加入了新的協議，數據的最外層是以太網數據幀。在以太網數據幀的數據部分中實現EtherCAT協議，由EtherCAT協議頭開始，后跟若干個數據包。數據包由包頭和數據組成，最后跟WKC以判斷每次操作是否正確。

2.尋址方式

EtherCAT主站通過特定的尋址方式選擇從站，當整個EtherCAT網絡中有路由器時，主站先通過網段間尋址（segment addressing）找到子網，網段尋址通過以太網數據幀中的目標地址（Destination Address）找到目標網段，而這個DA是目標網段內第一個EtherCAT從站的MAC地址。當EtherCAT數據包經過第一個子網絡后，從站把DA和SA（Source Address）互換，因為數據經過全部從站后，要返回到主站。

EtherCAT網段內尋址包括設備尋址（Device addressing）和邏輯尋址（Logical addressing），設備尋址分兩種尋址方式，位置尋址（position addressing）和節點尋址（Node addressing）。位置尋址的地址由從站在網段中的位置決定，一般上電后主站通過位置尋址統計網段內的從站總數；節點尋址通過給每個從站配一個各不相同的節點地址，主站通過節點地址選擇從站。邏輯尋址由主站發一個32位的邏輯地址，從站通過現場總線內存管理單元（FMMU）的配置確定是否被選中以及要訪問的從站內的寄存器地址，這種尋址方式最靈活，在一個數據包管理多個從站的應用中作用明顯。

3.FMMU

FMMU（FieldBus Memory Management Unit）類似CPU中的MMU，系統上電后通過EEPROM或主站對每個從站的FMMU（每個從站最多16個FMMU條目）配置邏輯地址和物理地址的映射關系，每個條目包含一對映射關系。主站發出32位邏輯地址，從站查找FMMU的條目，如果某一個條目中的邏輯地址與接收到的邏輯地址相等，且當前條目的配置有效，則當前從站被選中。

4.SyncManager

EtherCAT從站的同步管理單元（SyncManager）用于同步主站和從站間的數據操作，它可以把從站中的操作對象（寄存器和存儲單元）配置成實時操作的buffer模式和握手方式的Mailbox模式。當從站接收到數據或請求后，同步管理單元也會向從站外接的設備發出中斷或請求信號，以快速完成主站的請求。

5.操作命令

每個數據包由一個命令（Command）確定功能，用于告訴從站主站的尋址方式和操作請求。主站對從站主要有讀/寫/讀寫三種操作方式，所以相應的命令有位置尋址讀/寫/讀寫命令、節點尋址讀/寫/讀寫、邏輯尋址讀/寫/讀寫命令，除此之外還有廣播模式下的讀/寫/讀寫命令。

三、應用實現

EtherCAT網絡由主站和從站組成，目前從站主要由Beckhoff公司提供芯片。EtherCAT主站在硬件上只要求以太網接口，市場上常見的應用處理器（Application Processor）都可以作為EtherCAT的主站。

由于通用的Linux是非實時的，作用主站的Linux必須加實時補丁，工業上常用Adeos+Xenomai作為Linux上的實時補丁。Adeos在中斷控制器硬件和Linux中斷處理程序中間提供了中斷處理的中間層，在系統運行過程中做到不關閉硬件中斷，所以可以快速響應一些實時要求高的應用，如EtherCAT驅動；Xenomai是在adeos上的Linux實時補丁，是一個獨立的實時內核。通過Adeos和Xenomai可以滿足EtherCAT實時應用的要求。

（作者單位：浙江寧波市鄞州職業教育中心學校）endprint