EtherCAT协议介绍.pdf

EtherCAT www.PLC www.91HMI.com www.PLC 目录 EtherCAT 简介 从站结构 Device Model Physical Layer Data Link Layer Frame Structure Addressing, Commands Memory, SyncManager, FMMUs Diagnosis Distributed Clocks Application Layer State Machine Mailbox (Mailbox Protocols) Slave Information Interface (EEPROM) Device Profiles Device Description Tools (Configuration Tool, Monitor, ?) EtherCAT Master Standard References www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT原原理理: 以以太太网网 “on the Fly” 类似高速列车: “火车 ”(Ethernet 帧) 行驶不会停止 一直盯着“火车”通过狭窄的窗户，我们可以看到整个火车 “汽车” (次级报文) 有可变的长度 我们可以”提取“或者“插入“单个人（Bits） 或者整个组 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT原原理理: 以以太太网网 “on the Fly” www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT原原理理: 以以太太网网 “on the Fly” 插入和提取过程数据的过程是持续的 桹个从站过程数据的大小几乎梔有限制 (1 Bit到60 Kbyte, 在需要的情况下可以使用很多帧) 可以在桹个周期中改变原来过程数据的编辑 e.g. 对轴控制的极短的周期, 和一些较长点的I/O更新周 期 在一些不同桯的情况，需要事件触发信息 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 帧处理顺序 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 拓扑 灵活多变的拓扑 线型结构 数据处理链型结构 带分支结构的数据处理链结构 树形结构 星型结构 电缆冗余 两个设备之间可达到标准以太网电缆可达到的100M距离 理论上可以连接多达65535个设备 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 线型结构 任意数目的设备成直线型连接 最多65535个设备 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 数据处理链型结构 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 带有分支线的数据处理链型 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 树形结构 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 实时星型结构 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 电缆冗余 主站仅仅需要一个另外的EtherCAT端口，但是可能 连接所有的从站设备 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT从站结构 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT从从站站评评估估板板 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT控制器板 www.PLC www.91HMI.com www.PLC ISO/OSI 模模型型 www.PLC www.91HMI.com www.PLC www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT 物物理理层层 电缆：100BaseTX or 100BaseFx 设备内部：E-Bus (LVDS) www.PLC www.91HMI.com www.PLC 端口管理 一个从站控制器最多可以有4个端口 如果一个端口关闭了，控制器主动连接下一个端口 端口可以随着EtherCAT命令主动的打开或者关闭 逻辑端口设置决定了EtherCAT帧的处理和发送顺序 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 数据链路层的目的： 数据链路层连接物理层和应用层 数据链路层管理底层的通讯基础结构 连接控制 连接收发器 (PHY) 寻址 从站管理器配置 EEPROM 通路 同步管理器的配置和管理 FMMU 配置和管理 过程数据接口配置 分布式时钟 建立 AL 状态机交互 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 数据链路层概述 标准 IEEE 802.3 以太网帧 对主站没有特殊需求 使用标准的以太网基础结构 IEEE 注册 以太网帧类型: 88A4h 最优帧靠前 不需要IP栈 简单的主站执行 附加 UDP传输 (IANA 注册的88A4h端口) EtherCAT 可以通过以太网进行信息传递 使用标准的 sockets 在从站进行帧处理 EtherCAT从站控制器通过硬件处理帧 www.PLC www.91HMI.com www.PLC Ethernet / EtherCAT 帧帧结结构构 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT Frame Header Type Meaning - 0: 保保留留位位 1: EtherCAT Datagram (s) 2,3: 保保留留位位 4: 网网络络变变量量 5: 基基于于 IP的的邮邮箱箱 6-15: 供供扩扩展展用用保保留留 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT 数数据据包包头头寻寻址址 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT寻址 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT命令 不同的命令通过信息传输系统最优化对所 有存取方法的读写 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT命令 广播读 每字节的个别位用引入数据和本地数据 逻辑或的结果添加 读写动作 对引入数据和本地数据进行交换 一对多的读写 (RMW) 被定位的站点读其他所有站点写 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 同步管理器 同步管理器维护一个 DPRAM 区域 邮箱特点 1个缓冲器的同步管理器支持握手 数据溢出保护 在读之前进行写 在再次写之前进行读 缓冲特点 3缓冲器保证数据的传输和最新数据的存写 保留一个缓冲器用来写 保留一个相应的缓冲器用来读 (第一次写之前例外) 一般用于过程数据传输 最多支持16个独立的同步管理器通道 同步管理器配置注册地址从 0x0800开始 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 引入分布式时钟（DC）的目的 通过分布式时钟精确的调整，系统可以达 到精确的同桯( 1 s!) www.PLC www.91HMI.com www.PLC 外部时钟同步：IEEE1588 通过完整的IEEE1588分界时钟选择端口 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 分布式时钟的作用 EtherCAT设备同步 定义系统时间 开始于2000.1.1 00：00 最小计量1ns 64 bit (足够500年) 低32位跨越4.2秒 一般情况下，足够信息交流和时间压力 定义一个参考时钟 一个 EtherCAT 从站 被当作参考时钟使用 参考时钟循环的分布他的时钟 参考时钟根据一个全局参考时钟 IEEE 1588而改变 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 应用层（AL）的目的 EtherCAT 状态机 设备和网络的启动 邮箱接口和协议 设备的存取变量 异步传输 协议 Ethernet over EtherCAT（EoE） CANopen over EtherCAT（CoE） Filetransfer over EtherCAT（FoE） Servo Drive over EtherCAT（SoE） 从站信息接口 (SII) 设备特征和配置信息 www.PLC www.91HMI.com www.PLC www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT状态机的目的 状态机构建于数据链路层 定义EtherCAT从站设备一般信息状态 指定对EtherCAT从站设备启用网络时初始化和错误处理 状态和主从站之间通信关系相一致 从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层控制和应用 层注册中 定义了五种状态: Init, Pre-Operational, Safe-Operational,Operational Bootstrap 选项状态定义了固件更新 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT状态机 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT状态机 Init状态 应用层梔有数据交互 主站对数据传输信息梢册有通路 Pre-Operational状态 应用层上的邮箱通信 梔有过程数据交互 Safe-Operational状态 应用层上的邮箱通信 过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输出置于Safe 状态 Operational状态 输入和输出都是有效的 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT状态机 Bootstrap状态 Bootstrap状态是可选择的，但是在固件必要 的更新时推荐选择 只能和Init进行状态间转换 梔有过程数据通信 通过应用层的邮箱进行通信 根据需要的情况对邮箱进行配置 只能使用FoE协议 www.PLC www.91HMI.com www.PLC EtherCAT状态机/控制和状态 从站设备的请梆状态和当前状态反应于应 用层控制和应用层梢册中 应用层控制 (0x0120) 初始化设备状态机的状态转换 应用层状态 (0x0130) 设备状态机的实际状态 应用层状态代码 (0x0134) 错误原因或者其他状态代码 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 邮箱传输的目的 交换变量数据的标准方式 邮箱接口是可选择的，但是推荐使用 如果过程数据是可设置的，或者有其他的非周期性服务，必须邮箱通 信 全双工能力 (从站可以发起一个数据交互) 预留两个同步管理器通道 Sync Manager 0 : 主站到从站 Sync Manager 1 : 从站到主站 数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的 (State Pre-Operational) 支持多种协议的能力 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 邮箱通信协议的类型 Ethernet over EtherCAT (EoE) 通过EtherCAT传输的标准以太网帧 CANopen over EtherCAT (CoE) 访问CANopen对象字典和他的对象 CANopen紧急事件 和事件驱动的PDO消息 File Access over EtherCAT (FoE) 下载上传固件和其他的一些文件 Servo Drive over EtherCAT (SoE) 存取伺服轮廓桌验 (IDN) www.PLC www.91HMI.com www.PLC 邮箱接口 一个 EtherCAT帧里的数据包 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 从站信息接口 www.PLC www.91HMI.com www.PLC 从站信息接口的目的 强制从站信息接口（SII）由所有能被持久保存的对象组 成 信息被储存于一个 EEPROM，EtherCAT 从站控制器 和 EEPROM之间有一个SPI接口 The SII包括 boot设置数据 设备一致性 (强制的) 卖主 Id, 产品序列号, 修正号, Serial No 和 CoE 对象 0x1018里，相同的信息 应用程序信息数据 额外的一些数据 (可选择的) 种类的再分 www.PLC www.91HMI.com www.PLC Device Profiles Motivation The main issues of this device model are modeling of structures within a device usable for a large number of devices from very simple one to complex sub-structured easy way for master and configuration devices to handle the device use of similar channel profiles in all device types shown below www.PLC www.91HMI.com www.PLC Modular Device Profile EtherCAT supports complex slaves E.g. devices with physical modules to be c