技術(shù)分享 | EtherCAT 數(shù)據(jù)幀格式和尋址方式簡介

EtherCAT是一個高實(shí)時性，高速和高效率的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)根據(jù)自身獨(dú)有的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行可靠傳輸，本文主要針對EtherCAT的數(shù)據(jù)幀格式和尋址方式進(jìn)行簡單描述。

? EtherCAT?的數(shù)據(jù)幀格式

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology)?是由德國倍福公司在2003年提出的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，具有很高的實(shí)時性。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信中每一個節(jié)點(diǎn)都是按照接收，處理和轉(zhuǎn)發(fā)這個三個流程進(jìn)行，而EtherCAT則是同時傳輸和處理EtherCAT數(shù)據(jù)。

由于EtherCAT始終依托以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式大致相同。EtherCAT在傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式作出了一些修改，譬如在EtherCAT中，EtherType（幀類型）為0x88A4，EtherType是用于指明應(yīng)用于幀數(shù)據(jù)字段的協(xié)議，如0x0806為地址解析協(xié)議ARP。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀格式包含了以太網(wǎng)幀頭，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和FCS幀校驗(yàn)，而EtherCAT的數(shù)據(jù)幀格式跟傳統(tǒng)以太網(wǎng)幀格式一樣，只是對幀數(shù)據(jù)段進(jìn)行了細(xì)化，將數(shù)據(jù)字段分為幀頭和EtherCAT數(shù)據(jù)，其中EtherCAT幀頭包含了數(shù)據(jù)幀長度，保留字。將EtherCAT數(shù)據(jù)認(rèn)為若干個子報(bào)文，每一個子報(bào)文又包含了子報(bào)文頭，子報(bào)文的數(shù)據(jù)，WKC（工作計(jì)數(shù)器），具體以下圖所示。

圖1 EtherCAT數(shù)據(jù)幀格式

表1?EtherCAT數(shù)據(jù)幀格式說明

EtherCAT子報(bào)文結(jié)構(gòu)定義：

表2 EtherCAT子報(bào)文定義

其中子報(bào)文頭的作用是確定此子報(bào)文由哪一個從站使用，什么操作命令，處理多長的數(shù)據(jù)等，而工作計(jì)數(shù)器主要記錄了報(bào)文被對應(yīng)的從站操作的類型以及次數(shù)，一般而言，主站在每次發(fā)送EtherCAT報(bào)文前都要預(yù)設(shè)一個WKC值，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給從站。

? EtherCAT的尋址方式

1. 網(wǎng)段尋址

直連模式：主站設(shè)備通過于EtherCAT網(wǎng)段直接端口連接來對MAC地址進(jìn)行廣播；開放模式：主站設(shè)備通過交換機(jī)與EtherCAT網(wǎng)段進(jìn)行連接，網(wǎng)段可以使用EtherCAT數(shù)據(jù)幀中的目的地址來做MAC地址。

2. 設(shè)備尋址

EtherCAT數(shù)據(jù)幀中子報(bào)文頭有32位地址，其中高16位是從站的設(shè)備地址，低16位是設(shè)備內(nèi)部物理存儲的地址，16位從站設(shè)備地址可以尋65535個從站設(shè)備，而每一個設(shè)備地址最多可以有64KB的本地存儲空間。2.1 順序?qū)ぶ?/p>

從站的地址由物理連接的順序決定，從站地址自動加1，一般在主站啟動階段使用，主站為從站分配地址，無需從站設(shè)置。

圖2?順序?qū)ぶ肥疽鈭D

2.2 配置尋址

該地址與從站物理連接順序無關(guān)，通常有兩種配置方式：

數(shù)據(jù)鏈路層啟動階段由主站配置給從站；

在上電初始化的時候，從站從自身的EEPROM的配置文件中讀取出來。主站利用順序?qū)ぶ返姆绞絹碜x取從站設(shè)置的地址，掉電之后會丟失固定的地址。

圖3?配置尋址示意圖

2.3 邏輯尋址

在邏輯尋址模式下，報(bào)文內(nèi)的32位地址空間用來尋址，整個網(wǎng)段有4GB地址空間可以被尋址。邏輯尋址方式由FMMU來實(shí)現(xiàn)，ESC芯片中的FMMU單元將從站本地的物理地址映射到網(wǎng)段內(nèi)的邏輯地址。當(dāng)從站收到主站的報(bào)文時，會檢查報(bào)文中的地址是否和FMMU中的地址是否相符，如果相符，就會根據(jù)類型進(jìn)行讀寫操作。

圖4?邏輯尋址示意圖

廣州致遠(yuǎn)電子以EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為向?qū)?，開發(fā)了一系列EtherCAT主站控制器和通訊卡，其中包括EtherCAT FOE（File Over EtherCAT）功能。這些EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通訊卡可以快速、有效、便捷地構(gòu)建數(shù)控智能化設(shè)備。通過支持固件更新、配置文件下載、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制與診斷、分布式文件系統(tǒng)等功能，更能夠適應(yīng)工廠智能化、信息化產(chǎn)業(yè)的需求。

表3?EtherCAT主站控制器

圖5?EtherCAT主站控制器系統(tǒng)框圖

表4?PCIe?EtherCAT主站通訊卡

圖6?PCIe?EtherCAT通訊卡