EtherCAT协议基础

三种工作模式

层级结构

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）协议是一种专门用于工业自动化的实时以太网通信协议，其结构由多个层级构成，每一层负责不同的通信和控制任务。EtherCAT 的协议层级包括物理层、数据链路层、网络层和应用层等，这些层次共同协作，实现高效、实时的数据传输和控制。以下是 EtherCAT 协议的主要层级介绍：

### 1. **物理层（Physical Layer）**
EtherCAT 采用标准的以太网物理层，通常基于 **100BASE-TX** 或 **100BASE-FX** 技术。这意味着 EtherCAT 使用标准的以太网传输介质，如 **双绞线** 或 **光纤**。在物理层方面，EtherCAT 的特点如下：
   - **传输速率**：通常为 **100 Mbps** 的全双工传输，适合大多数工业控制的实时需求。
   - **拓扑结构**：支持链型（Line）、环型（Ring）、星型（Star）和树型（Tree）拓扑，这使得 EtherCAT 网络具有很强的灵活性和容错性。
   - **设备连接**：支持多种连接方式，包括 RJ45 接口、光纤连接等，确保了在不同工业环境中的适用性。

### 2. **数据链路层（Data Link Layer）**
数据链路层是 EtherCAT 协议的重要部分，它定义了以太网数据帧的结构和数据的传输方式。EtherCAT 在此层中使用独特的 **EtherCAT 主/从机制** 和 **处理帧机制**，直接访问从站的数据，提高了传输效率。
   - **帧处理机制**：EtherCAT 使用一种特殊的帧处理方式，数据帧在通过每个从站设备时被实时处理，从站只在需要时修改帧中的特定字节而不停止帧的传输，这称为 **"处理帧"** 的机制。这一机制显著减少了通信延迟。
   - **帧结构**：EtherCAT 帧采用标准的以太网帧格式，但在上层负载（EtherType 为 0x88A4）中封装了 EtherCAT 专用协议。
   - **主从机制**：EtherCAT 使用主从架构。主站负责发送数据帧，并控制从站的状态；从站设备则响应主站的请求，读写数据并执行控制命令。

### 3. **网络层（Network Layer）**
EtherCAT 网络层主要负责节点寻址和数据传输路径的管理，使主站可以高效地与多个从站进行通信。
   - **逻辑地址**：EtherCAT 网络层使用逻辑地址的方式对从站进行访问。每个从站在网络中有一个唯一的逻辑地址，主站根据逻辑地址快速访问过程数据。
   - **分段和广播**：EtherCAT 支持分段访问和广播机制，可以将同一个数据帧发送到多个从站，大幅度提高了网络带宽利用率。
   - **自动地址分配**：主站可以自动分配每个从站的地址，这个过程称为 "自动地址初始化"，有助于简化配置和减少手动设置地址的工作量。

### 4. **传输层（Transport Layer）**
在 EtherCAT 协议中，传输层的作用是管理不同类型的数据传输请求，包括读写数据、访问设备寄存器和状态信息等。传输层支持以下几种传输类型：
   - **过程数据（Process Data）传输**：用于主站与从站之间实时交换控制和状态数据。
   - **MailBox 通信**：通过 FoE（File over EtherCAT）、CoE（CANopen over EtherCAT）等通信协议进行非实时数据传输，比如配置、诊断和文件传输。
   - **同步管理单元（Sync Manager, SM）**：传输层利用同步管理单元确保从站设备的同步操作。Sync Manager 将数据划分到不同的通信通道中，如输入、输出、事件等，实现实时控制。

### 5. **应用层（Application Layer）**
EtherCAT 的应用层定义了上层协议（如 **CoE**、**FoE**、**SoE**、**VoE** 等），这些协议支持 EtherCAT 的配置、参数化和数据通信任务，是 EtherCAT 协议在应用中实现各种功能的关键。
   - **CoE（CANopen over EtherCAT）**：兼容 CANopen 标准，用于参数配置、过程数据通信和诊断。CoE 是 EtherCAT 中最常用的应用协议，使用对象字典（Object Dictionary）定义从站参数，支持PDO和SDO通信。
   - **FoE（File over EtherCAT）**：用于文件传输，通常用于固件更新或数据文件传输。FoE 是一种简单、快速的文件传输协议，不需要复杂的配置。
   - **SoE（Servo over EtherCAT）**：用于伺服驱动器的控制，兼容 IEC 61800-7-304 标准。SoE 协议通过IDNs（数据标识符）传递伺服参数，适用于伺服控制系统。
   - **VoE（Vendor-specific over EtherCAT）**：用于厂商自定义的通信协议，允许设备制造商在 EtherCAT 网络中实现特定功能和专有数据通信。

### 6. **分布式时钟（Distributed Clocks, DC）**
分布式时钟（DC）并非 EtherCAT 协议的一个独立层级，但它在协议栈中发挥着非常重要的作用。DC 是 EtherCAT 实现高精度同步的关键技术。
   - **时间同步**：EtherCAT 使用主站的参考时钟（通常是第一个从站的时钟）作为基准，通过在从站之间分发时间信息，使从站设备保持同步。
   - **同步精度**：分布式时钟系统可以实现亚微秒级的同步精度，适合工业自动化中的高精度要求，例如伺服控制、同步采样和实时反馈等。

### 7. **安全层（Safety Layer）**
EtherCAT 支持通过 **FSoE（Functional Safety over EtherCAT）** 实现安全通信。这一层在 EtherCAT 标准协议之上，实现了安全相关数据的可靠传输，适用于功能安全要求较高的应用场合。
   - **安全标准**：FSoE 符合IEC 61508、IEC 61784-3等安全标准，可以在同一 EtherCAT 网络上同时进行安全数据和非安全数据的传输。
   - **安全通信**：FSoE 定义了安全数据包的格式和传输方法，确保数据传输的完整性和可靠性。

### **总结**
EtherCAT 协议层级涵盖了从物理连接到高层应用的各个方面，以下是各层的概述：

- **物理层**：基于100BASE-TX或100BASE-FX，支持灵活的拓扑结构。
- **数据链路层**：采用特殊帧处理机制，实现高效数据传输。
- **网络层**：负责逻辑地址分配和数据分段，提高通信效率。
- **传输层**：管理过程数据和 MailBox 通信，通过 Sync Manager 实现同步。
- **应用层**：提供 CoE、FoE、SoE 等协议，支持设备参数配置和实时通信。
- **分布式时钟**：实现高精度同步，是 EtherCAT 支持精确时间同步的重要技术。
- **安全层（FSoE）**：用于功能安全通信，确保高安全性数据传输。

EtherCAT 的协议层级设计充分考虑了实时性、同步性和高可靠性等工业应用的需求，使其成为工业自动化中高性能通信系统的优选方案。

数据流

EtherCAT 的数据流设计独特，采用“处理帧”机制，使其能够在主站和多个从站之间实现高效的数据传输。EtherCAT 的数据流围绕数据帧的快速传递和实时处理，确保工业控制系统的高精度和低延迟。以下是 EtherCAT 数据流的关键流程和工作原理：

### 1. **数据帧的创建与发送**
   - **帧创建**：在 EtherCAT 网络中，数据传输由主站（Master）控制。主站生成包含多个从站数据的单一 EtherCAT 数据帧，并在帧中安排从站的输入和输出数据区域。这些区域在帧中占据不同的偏移位置，每个从站都有指定的地址空间。
   - **帧发送**：数据帧一旦生成，主站将其通过网络发送出去。帧以广播形式传递给 EtherCAT 链路上的每个从站。由于 EtherCAT 不依赖交换机或中继器，数据流可以在整个网络中实现高效传输。

### 2. **数据帧的“处理帧”机制**
   - **直接处理**：在传统的以太网中，数据包会被一个从站接收并解析后再转发到下一个从站，这会导致延迟增加。EtherCAT 采用一种“处理帧”机制，即数据帧在从站之间传递时无需停止，而是直接穿过从站，从站只读取或写入自己的数据区域。
   - **即时读写**：每个从站在接收到数据帧时，会识别出自己的数据偏移位置，直接在数据帧的特定位置上读写数据，而帧在通过该从站时不发生中断或停顿。这使得数据帧能够快速流经整个网络，而不受从站数量的影响。
   - **单帧覆盖多个从站**：由于从站只处理与自己相关的数据区域，所以一帧可以包含多个从站的读写数据，这种机制大大提高了数据传输效率。

### 3. **逻辑地址与数据映射**
   - **逻辑地址**：EtherCAT 使用逻辑地址对从站进行数据定位。每个从站的数据在帧中都有固定的逻辑地址偏移，主站可以通过帧中的偏移量直接访问任意从站的过程数据。
   - **数据映射**：通过从站配置文件（如 ESI 文件），可以为每个从站分配指定的数据地址空间。主站通过数据映射知道每个从站的数据位置和数据类型，并可以在数据帧中直接读写这些位置的数据。
   - **分段与组播**：EtherCAT 的数据流支持分段和组播，允许主站对多个从站同时进行读写操作。这样，一个数据帧可以同时访问多个从站的数据，减少了多帧传输的需求。

### 4. **数据流的循环路径与反馈**
   - **环形路径与反馈**：在 EtherCAT 的典型环形拓扑结构中，数据帧会通过所有从站后返回到主站，形成一个闭环路径。主站通过帧返回的数据确认整个数据传输是否成功，并检查从站是否正确写入了反馈数据。
   - **错误检测与重发机制**：如果数据帧在返回主站时出现错误，主站可以重新发送该帧。由于 EtherCAT 数据流的循环特性，主站可以实时监控整个链路上的通信状态，并立即检测到链路中断或数据丢失。
   - **冗余与容错**：EtherCAT 支持冗余通信，即主站可以通过双链路或冗余端口发送数据，以确保即使在网络出现断点时也能够维持数据流畅通。

### 5. **分布式时钟同步的数据流**
   - **分布式时钟（DC）机制**：在高精度同步应用中，EtherCAT 的数据流还支持分布式时钟（DC）同步。DC 机制通过在帧中分发时间戳，确保每个从站根据主站的参考时间精确同步。这样，多个从站能够以微秒级的同步精度完成控制任务。
   - **时间戳嵌入**：主站在数据帧中嵌入参考时间戳，从站接收到帧后将时间信息与内部时钟对齐，实现精确的同步。这一机制确保所有从站在相同的时间点执行操作，从而满足高精度控制系统的要求。

### 6. **过程数据与 Mailbox 数据**
   - **过程数据（Process Data）**：在 EtherCAT 中，过程数据是实时数据的核心，通常用于控制信号、状态反馈等需要高实时性的数据传输。过程数据直接在数据帧中传输，保证最低的延迟。
   - **Mailbox 数据**：Mailbox 数据用于配置和诊断，通常包括非实时的数据，如参数设置、固件更新等。Mailbox 数据以分块的方式封装在数据帧中，并具有更高的优先级，以确保重要的参数配置不会中断。
   - **同步管理器（Sync Manager, SM）**：同步管理器负责管理过程数据和 Mailbox 数据的分配，确保在同一个数据帧中，实时数据和非实时数据能够并行处理而不会互相干扰。

### 7. **数据流的定周期与优先级控制**
   - **定周期发送**：主站在设定的周期内持续发送数据帧，通常为1毫秒或更短的周期时间，以保证数据的实时性。主站可以根据应用需求调整周期时间，以适应不同的控制频率。
   - **优先级控制**：EtherCAT 帧的数据流支持优先级控制。实时性要求高的数据（如过程数据）会优先传输，而 Mailbox 等非实时数据会在带宽允许的情况下传输。通过这种优先级机制，EtherCAT 确保实时数据的及时传递，维持网络的高效性。

### 总结
EtherCAT 数据流的高效性和实时性得益于其“处理帧”机制、逻辑地址访问、分布式时钟同步和循环反馈等特性。其主要流程如下：

1. 主站生成包含所有从站数据的单一帧，并发送到链路上的第一个从站。
2. 每个从站在帧传递过程中直接读取或写入属于自己的数据位置，帧无需中断或转发。
3. 帧完成所有从站的读取和写入后返回主站，主站验证数据并进行周期性监控。
4. 在高精度同步应用中，通过分布式时钟机制确保从站的同步执行。

EtherCAT 数据流机制在工业控制场景中具有显著优势，提供了高带宽利用率和低延迟的实时通信保障。

名词解释

SM模式