EtherCAT原理介绍及应用实例

 

 

作者简介

 

伟林，中年码农，从事过电信、手机、安全、芯片等行业，目前依旧从事Linux方向开发工作，个人爱好Linux相关知识分享，个人微博CSDN pwl999，欢迎大家关注！

 

文章目录

    

1. 简介

    1.1 运动控制

    1.2 实时以太网

    1.3 EtherCAT

2. 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)

    3.1 EtherCAT Slave Implementation (从站实现)

4. 应用实例

    4.1 主站操作系统(RTAI)

    4.2 主站EtherCAT程序(IGH)

    4.3 主站应用开发(LinuxCNC)

    4.4 ET1200

    4.5 从站程序设计

    4.6 实验测试

5. 工具

    5.1 TwinCAT

    5.2 LinuxCNC

    5.3 开源的EtherCAT Master

 

1. 简介

1.1 运动控制

运动控制系统处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及运动之间的协调，实现精确的位置控制、速度和加速度控制、转矩和力的控制等。

单轴的运动控制系统可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。

多轴运动控制系统可以分成点位控制、连续轨迹控制和同步控制。

典型的运动控制系统，从结构上看，包括上位机控制窗口、运动控制器、驱动器、电机以及测量反馈系统等几个部分组成：

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实现的工业以太网仍使用TCP/IP协议栈，通过上层合理的控制来解决通信过程中的不确定因素。这种方式具有较高的传输速率，适应于大量数据通信，更适合作为网关和交换设备的应用，不能实现很好的实时性。常用的通信控制方法有:合理调度，减少冲突的概率;定义帧数据的优先级，为实时数据分配最高优先级;使用交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有Modbus/TCP和Ethernet/IP等。

(2)基于以太网实现的工业以太网仍然使用标准的、未修改的以太网通信硬件，但是不适用TCP/IP来传输数据。它使用特定的报文进行传输。TCP/IP协议栈能使用时间控制层分发一定的时间片来利用网络资源。该类协议主要有Ethernet Powerlink, EPA C Ethernet for Plant Automation ), PROFINET IRT等。通过这种方式可以实现较好的实时性。

(3)通过修改以太网协议实现的工业以太网，实现应答时间小于lms的硬实时，从站使用特定的硬件实现。由实时MAC控制实时通道内的通信，从根本上避免报文间的冲突。非实时数据依然能在通道中按原协议通信。典型协议有德国倍福的EtherCAT、西门子的PROFINET IRT等。

1.3 EtherCAT

德国BECKHOFF自动化公司于2003年开发出的EtherCAT实时以太网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，无需接受以太网数据包，将之解码，然后再将过程数据复制到各个设备。

2. EtherCAT原理介绍

EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的数据报文，同样输入数据也是在报文经过时插入到报文中。整个过程报文只有几纳秒的时间延迟，实时性获得极大提高

EtherCAT作为一种工业以太网总线，充分利用了以太网的全双工特性。使用主从通信模式，主站发送报文给从站，从站从中读取数据或将数据插入至从站。

• 主站可使用 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

 

主要完成 通信和 控制应用两部分功能，EtherCAT物理层选用标准以太网物理层器件。

从站能将收到的报文直接处理，并读取或插入有关的数据，再将报文发送给下一个EtherCAT从站。最末尾的EtherCAT从站返回处理完全的报文，然后由第一个从站发送给主站。整个通信过程充运行于全双工模式下，TX线发出的报文又通过RX线返回给主站:

2.1 实时性

• 数据包刷新时间的计算

 

数据包中所有从站的 Process Datarocess Datarocess Data rocess Data rocess Data rocess Datarocess Data数据 决定了数据包的长度。

一个Ethernet thernet数据包最小84 字节，不足 84 字节会补齐84 字节。由于EtherCAT Frame中有一些公共开销， 84 字节的数据包最多含18字节的过程数据。考虑到数据包必须经过每个从站两次才能回到主站，所数据包以固定的波特率100 Mbps在网络上传输两次的时间 这就是它的总线刷新时间 。

1.基于这个原则，以包含 1000路开关量信号的数据包为例，计算过程如下：

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过程数据长度：1000/8=125Bytes数据包长度：84-18+125=191Bytes=191*8 Bit= 1528 Bit总线刷新时间：(1528Bit/100,000,000 Bps)*2=15.28us * 2 = 30.56us

注意，通常的数字量模块， 都是单纯的输出或者输入模块，而不是混合模块。所以 1000 个数字 量信号， Frame 中就会分配 125 字节。

2.再以包含100个EtherCAT伺服驱动器过程数据的EtherCAT数据包为例，假如每个伺服的过程数据只包括控制字（2字节）、状态字（2字节）、目标位置（4字节）、实际位置（4字节），其总线刷新时间的计算过程如下：

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过程数据长度：100*（2+4）=600 Byte。数据包长度：84-18+600=1266 Byte =671*8 Bit =5328 Bit 总线刷新时间：(5328 Bit/100,000,000 Bps) *2=100.656µs 

注意，Frame中只为一个伺服分配了6个字节，这是因为根据Beckhoff公司的控制软件TwinCAT中关于EtherCAT的默认设置是从站的Input和Output使用同一数据段，所以数据包进入伺服驱动器时该数据段存放的是控制字和目标位置，而出来时则存放伺服的状态字和实际位置。

以上两个数据30.56µs和101.28 µs就是EtherCAT官方宣传资料中，刷新1000个数字量需要30µs，刷新100个伺服轴只需要100µs的数据由来。实际上，根据从站的类型、是否包含分布时钟、是否启用时钟同步、时钟同步的参数设置不同，在数据包中有可能还会增加8-12字节用于传输同步时钟值，以及相应的为每个从站增加一个Bit的标记等等，会增加几个微秒的刷新时间，暂且忽略不计。

以上计算只是数据包传输需要的理论时间，实际上，数据包经过每个从站会产生短暂的硬件延时。100M超五类网线接口的从站延时约1µs，而EBus的IO模块类从站延时约0.3µs，在毫秒级以下的控制任务中如果从站数量较多，这个时间也相当可观，计算刷新周期时应该考虑进去。

2.2 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。

2.3 EtherCAT网络拓扑

所有数据帧在网络中以一种“逻辑闭环”的方式传播，与网络的硬件拓朴无关，无论它是链式、菊花链、星形还是树形拓朴。 

所有数据帧都由Master发出，以事前严格定义的顺序，依次经过网络上的所有从站，走过一个完整的闭环后回到Master 。所有数据帧通过从站中的 EtherCAT Processing Unit （EtherCAT处理单元）只有 1 次。

线型拓扑：任意数目的设备成线型连接 最多65535个设备 

 

 

数据处理链型拓扑 

 

 

带有分支线的数据处理链型拓扑 

 

 

树型拓扑： 

 

 

实时星型拓扑： 

 

 

 

冗余线缆 

 

 

 

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口（无需专用网卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可（见图7）。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。

EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。

2.4 EtherCAT网络协议栈

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CoE（Can over EtherCAT）PDO（Process Data Object 过程数据对象）SDO（Service Data Object 服务数据对象）PDI（Process Data Interface 过程数据接口）(uC, SSI, I/O)

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ESM(EtherCAT State Machine)ESI(EtherCAT Slave Information) (XML device description)ENI(EtherCAT Network Information)CTT（Conformance Test Tool 一致性测试工具）SM(SyncManagers 同步管理器)MDP(modular device description 模块化设备描述 ) 

2.5 EtherCAT数据帧格式

EtherCAT数据直接嵌入在以太网数据帧中进行传输，只是采用了一种特殊的帧类型，该类型为Ox88A4, EtherCAT数据帧结构如图所示： 

EtherCAT数据包由数据头和数据实体两部分组成，EtherCAT数据头包含2个字节，每个数据包里面可以只包含一个EtherCAT子报文，也可以包含多个子报文;一个EtherCAT子报文对应着一个从站，因此一个EtherCAT数据包可以操作 多个EtherCAT从站，相应的数据长度在44-1498字节之间，EtherCAT数据帧结构定义： 

类型 字段： 

EtherCAT子报文结构定义： 

• 地址区 字段

EtherCAT 寻址: 

 

EtherCAT 通信的实现是通过由主站发送至从站的 EtherCAT 数据帧来完成对 从站设备 内部存储区的读写操作， EtherCAT 报文对 ESC 内部存储区有多种寻址操作方式，从而可以实现多种通信服务。EtherCAT 段内寻址有设备寻址和逻辑寻址两种方式。

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设备寻址是面对一个从站进行读写操作。
逻辑寻址是面向过程的数据操作， 实现同一报文读写多个从站设备的多播功能。

具备全部寻址方式的从站称为 完整性从站，只具备部分寻址方式的从站则称为基本从站。

• 命令 字段

不同命令通过信息传输系统最优化对所有存取方法的读写 

 

 

 

• WKC 字段

Working Counter。如果成功寻址了EtherCAT设备，并且成功执行了读操作，写操作或读/写操作，则工作计数器将递增。

可以为每个数据报分配一个工作计数器值，该值是根据预期报文通过所有设备数来设置的。通过将工作计数器的预期值与所有设备通过后的实际值进行比较，主站可以检查EtherCAT数据报是否已成功处理。 

 

• 同步管理器 

   

  

2.6 EtherCAT设备寻址方式

在EtherCAT的每个子报文中，有32位空间用于对EtherCAT设备进行寻址。寻址方式有四种，分别为： 

• 位置寻址

   

位置寻址方式是根据从站的连接顺序，即物理位置实现的。在报文头的32bit地址中，前16bit的Position用于存放地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。报文每经过一个从站设备，其Position中的地址值加1。当一个从站接收到EtherCAT报文后，如果报文中的地址值为0，则该报文就是这个从站要要接收的报文。

 

在上图中，如果需要总线上第8个设备响应报文，则主站需要将报文的地址设为0xFFF9，当报文经过第1个从站时，地址为0xFFF9，不等于0，第1个从站不会响应报文，报文地址加1，变为0xFFFA。当报文经过第2个从站时，地址为0XFFFA，不等于0，第2个从站不会响应该报文，报文地址加1，变为0xFFFB。以此类推，当报文到达第8个从站时，此时地址值为0x0000，当前从站将接收报文。

位置寻址（Position Address / Auto Increment Address）只应在启动EtherCAT系统时用于扫描现场总线，以后只能偶尔使用以检测新连接的从站。如果由热连接或链接问题导致循环暂时关闭，使用位置寻址可能会出现问题。在这种情况下位置地址被移位，并且，如错误寄存器的值到设备的映射变得不可能，因此不能定位故障链路。

• 节点寻址

   

在启动阶段，主站通常采用位置寻址方式对总线上的从站进行寻址，之后采用节点寻址方式。

在报文中，报文头的32bit地址，前16bit的Address用于存放站点地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。

在每个 从站中站点地址保存在寄存器(0x0010) 中。

顺序寻址时，主站可以对每个从站的站点地址进行设置，也可以直接读取每个从站的的站点地址。

节点寻址方式的优点是，每个从站的地址与其在总线中的位置无关。在添加/删除从站，甚至是改变总线拓扑结构的时候都能对从站进行正确的访问。 

上图是节点寻址方式的示意图。8个从站的地址与其在总线中的位置并没有关系。出于直观的目的，4台伺服驱动器的地址被设置为连续的，4个I/O模块的地址被设置为连续的，在实际中并没有这样的要求。

EtherCAT从设备可以有两个配置的站点地址，一个由主站分配（Configured Station Address），另一个存储在SII EEPROM，并且可以由从站应用程序更改（Configured Station Alias address）。

配置站点地址由主站在启动期间分配，并且不能由EtherCAT从站更改。 配置站别名地址存储在SIIEEPROM中，可由EtherCAT从站更改。 配置的站别名必须由主站启用。如果节点地址（NodeAddress）与 配置的站地址或 配置的站点别名匹配，将执行相应的命令操作。

• 逻辑寻址

 

EtherCAT的第三种寻址方式是逻辑寻址，首先需要了解的是FMMU。

FMMU(Fieldbus Memory Management Units)

FMMU称为总线内存管理单元，它存在与从站芯片ESC中，负责对从站物理地址与主站逻辑地址进行翻译并建立映射关系。主站在总线启动过程中对FMMU进行配置，内容包括：

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• 逻辑地址的起始地址• 数据长度（按跨字节数计算）• 逻辑地址的起始位• 逻辑地址的终止位• 从站物理地址的起始地址• 从站物理地址的起始位• 操作类型（只读、只写、读写）• 使能

在报文中，使用报文头的32bit地址的全部，用来表示大小为4GB的逻辑地址空间。 

以上图为例，FMMU将逻辑地址中0x00012345第2位开始的，到0x00012346以第2位终止的区域，与从站物理地址中0x0010第0位开始的区域进行映射。

当从站收到来自主站的报文时，会检查报文中的地址是否与FMMU中的地址相符，如果有，将根据操作类型进行读写操作。 

这种寻址方式的优点是，在主站想对每个从站进行访问的时候，只需要对逻辑空间中的地址进行操作，而无须关心该地址对应的从站物理地址，减轻了主站的负担。

所有器件读取和写入相同的逻辑4 GB地址空间（EtherCAT数据报中的32位地址字段）。从器件使用映射单元（FMMU，现场总线存储器管理单元）将数据从逻辑过程数据映像映射到其本地地址空间。在启动期间，主器件配置每个从器件的FMMU。从站使用FMMU的配置信息知道逻辑过程数据映像的哪些部分必须映射到哪个本地地址空间。

逻辑寻址支持逐位映射。逻辑寻址是一种强大的机制，可以减少过程数据通信的开销，因此通常用于访问过程数据。

当从站设备收到的EtherCAT报文带有逻辑寻址标志位时，从站设备将检查自身是否有相应的FMMU单位地址与之匹配。

总结：EtherCAT使用三种方式对设备进行寻址，在启动过程中，使用顺序寻址方式为从站分配节点地址，然后通过节点寻址方式配置从站寄存器，将逻辑地址与从站物理地址进行映射，之后就可以使用逻辑寻址方式进行过程数据交换了。

• Broadcast寻址

 

每个EtherCAT从站都被寻址。

使用广播寻址。如果从站的预期是相同的，用于所有从站的初始化和检查所有从站的状态。每个从器件具有一个16位Local地址空间:

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地址范围0x0000：0x0FFF专用于EtherCAT寄存器，地址范围0x1000：0xFFFF用作过程数据RAM

通过EtherCAT数据报的偏移字段寻址，过程数据。

2.7 分布式时钟(Distribute Clock)

通过分布式时钟精确的调整，系统可达到精确的同步。 

外部时钟同步IEEE1588 

 EtherCAT设备同步

定义系统时间

定义一个参考时钟：

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一个EtherCAT从站被当做参考时钟使用参考时钟循环的发布它的时钟参考时钟根据一个全局参考时钟 IEEE1588

2.8 应用层(Application Layer)

应用层AL(Application Layer) 为用户与网络之间提供接口，应用层在EtherCAT 通信协议层次结构中是与用户联系最紧密最直接的一层，它可以直接与用户进行交互，实现面对具体的应用程序和控制任务等功能， EtherCAT 应用层为各种服务协议与应用程序之间定义了接口， 使其能够满足应用层所要求的各种协议共同工作的需求。

EtherCAT 作为网络通信技术，支持CAN open 协议中的CiA402，以及 SERCOS 协议的应用层( 即 CoE 和SoE)等多种符合行规的设备和协议。

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：

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EOE: Ethernet over EtherCATCOE: CANopen over EtherCATFOE: Filetransfer over EtherCATSOE: Servo Drive over EtherCAT

从站信息接口 设备特征和配置信息

• EtherCAT状态机

   

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和应用层注册中

定义了五种状态：

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Init                // 应用层没有数据交互，主站对数据传输信息注册有同路Pre-Operational     // 应用层上的邮箱通信。没有过程数据交互Safe-Operational    // 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         // 输入和输出都是有效的
Bootstrap           // 定义了固件更新。是可选的，但是在固件必须要更新时推荐选择                    // 只能和init进行状态间转换，没有过程数据通信，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。

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：

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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

• 邮箱传输

   

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

邮箱通信协议的类型：

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EOE: Ethernet over EtherCAT     // 通过EtherCAT传输的标准以太网帧COE: CANopen over EtherCAT      // 访问CANopen对象字典和它的对象，CANopen紧急事件和事件驱动的PDO消息FOE: Filetransfer over EtherCAT // 下载上传固件和其他的一些文件SOE: Servo Drive over EtherCAT  // 存取伺服轮廓检验(IDN)

• 从站信息接口

   

强制从站信息接口SII(Slave Information Interface)由所有能被持久保持的对象组成 信息被存储于一个EEPROM，EtherCAT从站控制器和EEPROM之间有一个SPI接口。

SII包括：

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boot设置数据设备一致性    vender 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

• AL Status Code(Application Layer Status Code)

   

Application Layer: Describes the highest layer of the EtherCAT slave stack which includes the EtherCAT State Machine, error handling, Mailbox protocol handling, slave application.

此可选属性由应用程序控制，并报告由AL的状态控制事例检测到的最后错误或ID值。AL（应用层）状态代码给出从机进入错误状态的原因。如果错误标志（寄存器0x0130：04）为TRUE，则应提供AL状态代码.

2.9 设备配置(Device Profile)

设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。

• EtherCAT实现CANopen (CoE)

 

CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。

EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。

因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

• EtherCAT实施伺服驱动 设备行规IEC 61491 (SoE)

 

SERCOS interface 是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。

用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图12）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS协议的通信阶段。

EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合，保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令，速度命令或扭矩命令。取决于实现方式，甚至可能继续使用相同的设备配置工具。 

• EtherCAT实现以太网(EoE)

 

EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变（参见图13）。 

 

 

 EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。

• EtherCAT实现文件读取(FoE)

 

这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。

• ADS over EtherCAT (AoE)

   

ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen 或EtherCAT至IO-Link 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen 或 IOLink从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE报文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT网络诊断信息的标准化方法。

2.10 主站设计

EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。

而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。

例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。

EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。

系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。 

已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9,MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux,PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux. 可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。

另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。 

2.11 从站设计

从站EtherCAT Processing Unit 总是位于 Port 0 之后其它端口之前，并在数据帧传输的过程中提取和插入数据： 

DPRAM： 双端口存储器 Dual-Ported RAM，可以分别从主站及本地微处理器uC访问。访问 ESC 的 Dual-Ported RAM 读出 并/或 写入数据。

从器件具有一个16位Local地址空间:

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地址范围0x0000：0x0FFF专用于EtherCAT寄存器，地址范围0x1000：0xFFFF用作过程数据RAM

SyncManagers 阻止主站和从站微处理器（uC）同时访问 ESC存储区，确保数据的一致性

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→ 含周期性数据 (Process Data) 和非周期性数据 (Mailbox)

FMMUs 为Lxx数据报文完成逻辑地址到物理地址的转换

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→ 仅对于周期性数据 （Process Data）

从站的SyncManagers 和 FMMU 是由主站在初始化阶段自动配置的，该配置基于每个从站的XML文件和整个网络的设置。 

EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。 

更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。 

从站控制器通常都有一个内部的DPRAM(DUAL PORT RAM)，并提供存取这些应用内存的接口范围：

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串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。

PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象）

报文通过从站控制器时，从站读取出相关命令并进行对应处理，数据处理通过硬件完成，延间约为100-_500ns，通信性能独立于MCU的响应时间。每个ESC最大有容量为64KB的可用的内存编址，能进行连续或同步的读写。多个EtherCAT命令数据可以被嵌入到一个以太网报文中，每个数据对应独立的设备或内存区。

EtherCAT极大提高了以太网的性能，比如操作1000个I/O信号的时间约为30微秒。单个报文至多容纳1486字节的过程数据，和12000位I/O信号相当，更新所需时间约为300微秒。控制100个伺服单元的时间约为100微秒。

在基于PC的主站中，一般使用网络接口卡NIC(Network Interface Card)其中的网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理层数据收发器。但是在嵌入式主站中，通信控制器通常集成在微处理器中。

EtherCAT从站设备同时实现应用控制和数据通信两部分功能，其组成如图所示，由四部分组成:从站控制微处理器、EtherCAT从站控制器ESC芯片、物理层器件和其他应用层器件。 

EtherCAT报文由从站控制器来处理，使用双端口存储区完成主从站间的数据交换。每个从站ESC在环路上按各自的顺序移位读写数据。当数据帧经过从站时，ESC从中读取发送给自己的命令数据并放到内部存储区，插入的数据又被从内部 存储区写到子报文中。

从站控制微处理器主要负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从ESC获取控制数据实现设备控制功能，并采样设备的反馈数据写入ESC。从站控制微处理器的选型根据设备控制任务，可以使用ARM或DSP; 8位、16位或32位的处理器。EtherCAT从站采用MII接口模式时，需要使用标准以太网物理层器件:物理层芯片PHY,隔离变压器等。采用EBUS接口时不需要任何其他芯片。 

3. 应用层(Application Layer)

3.1 EtherCAT Slave Implementation (从站实现)

 

• DPRAM (双端口存储器)size and number of SyncManagers(同步管理 )

   

The DPRAM is used for exchange of cyclic and acyclic data（循环和非循环的数据交换） via the EtherCAT network. SyncManagers ensure data consistency（保证数据的一致性） within the DPRAM.

 

Each ESC has 4kByte of registers (addresses 0x0000 to 0x0FFF) which are reserved for (EtherCAT and PDI communication) configuration settings(配置设置 ).

 

Mailbox（邮箱） and process data is exchanged via additional DPRAM (also called user memory用户存储器 ). EtherCAT allows addressing（编址） of user memory of up to 60kBytes. ASICs provide between 1kByte and 8kByte of DPRAM, IP Cores can be configured to provide the full 60kByte of user memory.

 

Application Note: The standard SyncManager configuration is（标准的同步管理配置）

 

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- 1 SyncManager per acyclic data output (mailbox out, master to slave) - 1 SM for acyclic data input (mailbox in, slave to master) - 1 SM for cyclic data output (process data out, master to slave) - 1 SM for cyclic data input (process data in, slave to master) 

For process data, SM running in 3-buffer-mode（3缓存模式） need three times the length （3倍长度） of actual process data for physical memory（物理内存） . The following table shows a schema（体系结构，模式） of how to allocate（分配） the length for the 4 SM.

 

Table 5: DPRAM Size Calculation Example（ DPRAM大小计算示例）

 

	SyncManager	Buffer Count	Length [Byte]	Total length [Byte]
SM0	Output Mailbox	1	L_MbxOut	1*L_MbxOut
SM1	Input Mailbox	1	L_MbxIn	+ 1*L_MbxIn
SM2	Outputs	3	L_Out (TxPDO)	+ 3*L_Out
SM3	Inputs	3	L_In (RxPDO)	+3*L_In
-	-	-	-	∑ DPRAM size

SyncManagers are enabled（开启） by the following settings of the master during network initialization（网络初始化） .

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-Physical address of ESC（ESC物理地址） -Data length （数据长度） -SyncManager control input（同步管理控制输入） :     i. Operation mode【操作模式】 (mailbox-mode/3-buffer-mode)     ii. Access direction【访问方向：读或者写】 (Read direction/Write direction)     iii. Interrupt settings 【中断设置】 (Valid/Invalid 有效/无效 )     iv. SyncManager watchdog setting【同步管理看门狗定时器设置】 (Valid/Invalid)     v. SyncManager setting (Valid/Invalid) 

The default values are set in the ESI (chapter 2.4.1); the master initializes the SyncManager using the values from the ESI.（默认值在 ESI中设置，主站初始化时调用 ESI中的值）

 

Syncmanagers(同步管理器)

 

同步管理器简称SM用来协调应用程序和主机的数据交互，同步管理器同步的是数据而非时间，同步管理器确保了应用程序和主机能够正确的写入或读取数据。同时同步管理器可以以中断的形式通知主机和应用程序发生的数据更新事件。

 

从站的ESC中包含多个同步管理器，每一个同步管理器都可以单独的配置：

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同步管理器的配置中包括告知同步管理器其需要管理的内存地址的范围，管理内存的属性（属于读或写，属于邮箱数据或过程数据）。

所以每一种数据交互方式都会有一个同步管理器来管理，应用程序进行数据交互时，只需要更具不同的同步管理器就可以方便的区分数据的类型（PDO 或SDO、读或写）。从站在初始化时会读取SM管理器中的配置来确定数据的存放地址。

 

数据的交互主要有缓冲模式和邮箱模式。缓冲模式主要应用于周期性过程数据的传送。

 

• Number of Fieldbus Memory Management Units (FMMUs)（现场总线储存管理单元）

 

In an EtherCAT network, the memory of all slaves can be compiled in the master（所有从站的储存都可以在主站中编辑） to a logical memory（逻辑内存） . This logical memory is managed by FMMUs to map（映射） logical addresses to physical addresses in the slavesFMMUs（逻辑内存通过 的管理和从站中的物理内存相对应） .

For the FMMU configuration in a device, each consistent output and each consistent input block needs one FMMU and an additional FMMU for mailbox status response is necessary. 

// 对于设备中的FMMU配置，每个一致的输出和每个一致的输入块都需要一个FMMU，并且还需要一个用于邮箱状态响应的附加FMMU。

Application Note: The standard configuration is one FMMU per each, cyclic output and cyclic input data block , optionally an additional one for mapping the mailbox response availability flag into process data (thus, no polling of mailboxes is necessary). If the outputs and inputs are groupede.g. like in Table 5, 3 FMMUs are configured, see Table 6.

// 应用说明：标准配置是每个循环输出和循环输入数据块一个FMMU，还可以选择另外一个用于将邮箱响应可用性标志映射到过程数据中（因此，不需要轮询邮箱）。如果输出和输入被分组，例如 如表5所示，配置了3个FMMU，请参阅表6。

 

Table 6: FMMU Configuration

 

FMMU	Assigned SyncManager	Name	Length [Byte]
1	SM2	Outputs	L_Out (TxPDO)
2	SM3	Inputs	L_In (RxPDO)
3	SM0 & SM1	Mbx-SM Status Flags	Mbx In/Out Length

• Distributed Clocks (DCs（同步） with other slave devices，分布式时钟 ) for synchronization

   

Evaluate if the device should support high precise（支持高精度） synchronization with other slave devices. If so, DCs should be supported by the selected ESC. Distributed Clocks refer to the DC function for EtherCAT slaves (chapter 1.3.5). The times held by slaves are adjusted with this mechanism（途径） and thus enable precise synchronization of the nodes（节点） in the EtherCAT network.

// 评估设备是否应支持与其他从设备的高精度同步。如果是这样，所选的ESC应该支持DC。分布式时钟指的是EtherCAT从站的DC功能（第1.3.5章）。通过这种机制可以调整从站保持的时间，从而实现EtherCAT网络中节点的精确同步。

 

• EEPROM（电可擦只读存储器）

 

The EEPROM is mounted（安装） outside the ESC and connected via I2C with point-to-point link（点对点连接） . According to the size of the EEPROM the EEPROMSIZE signal should be set. For more details, refer to the Knowledge Base, chapter 11.3 d electrical Interface EEPROM an(I 2C)". For EEPROM (SII) Enhanced Link Detection setting （加强连接检测设置） , refer to documentation of the ESC vendor. // EEPROM安装在ESC外部，并通过I2C与点对点链接连接。根据EEPROM的大小，应设置EEPROMSIZE信号。有关更多详细信息，请参见知识库第11.3章“电气接口EEPROM和（I 2C）”。有关EEPROM（SII）增强链接检测设置，请参阅ESC供应商的文档。

 

• Application Controller【应用控制】 (Host Controller, μ C)

   

If a local software application provides the device functionality, any 8 or 16 bit synchronous or asynchronous microcontroller（任何一个 8位或者 16位同步或者异步微控制器） can be connected to the ESC. The application controller communicates with the ESC via the Process Data Interfaces (PDI).

To adapt the application software on the host(为了和主站的应用程序相适应 ) controller to the ESC, sample software stacks（样本软件栈） are available for communication implementation（通讯的实现）, e.g. the Slave Sample Code（从站样本代码） (SCC). If the device is a 32 bit digital I/O interface, no application controller or additional communication software is necessary. 

// 为了使主机控制器上的应用软件适应ESC，可以使用示例软件堆栈进行通信实现，例如从机样本代码（SCC）。如果设备是32位数字I/O接口，则无需应用程序控制器或其他通讯软件。

In most cases, manufacturers（制造商） can use a familiar microcontroller type as application controller in the EtherCAT device（使用相似型号的微控制器作为应用控制使用在 EtherCAT设备中） . If application software already exists, e.g. for a different fieldbus, it can be used for the EtherCAT device as well. 

// 在大多数情况下，制造商可以在EtherCAT设备中使用熟悉的微控制器类型作为应用程序控制器。如果应用软件已经存在，例如 对于不同的现场总线，它也可以用于EtherCAT设备。

The source code（源代码） for communications software on the host controller allocates（分配） about 70kByte. The following features are a typical configuration (referring to the Slave Sample Code):

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EtherCAT State Machine (ESM), including error handling（错误处理） Device diagnosis（设备诊断） Master-Slave data synchronization （主从站之间的数据同步） with SyncManager event (no DCs) Mailbox CoE Object Dictionary （对象字典） (20 objects) for process data objects （过程数据对象） CoE services, including CoE Info services（信息服务） , no segmented transfer （无分割转换） 

A list of other available sample stacks can be obtained on the product section of the ETG website.

• Application Layer Communication Protocols （应用层通讯协议）

 

In EtherCAT, several protocols are available (see chapter 1.3.6) for the application layer to implement （实施） the required specification of the product development（产品开发时所需的规格） . When to apply them is described here.

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CAN application protocol (总线应用协议 )over EtherCAT(CoE) To provide acyclic data exchange as well as mechanisms to configure PDOs for cyclic data exchange in a structured way, CoE (with SDO-Info support) should be implemented. 
Servo drive profile（伺服驱动配置文件） over EtherCAT(SoE) SoE is an alternative drive profile to the CiA402 drive profile. It is often used by drive manufacturers which are familiar with the SERCOS interface. 
Ethernet（以太网） over EtherCAT(EoE) EoE is usually used to provide webserver interfaces（网络接口） via EtherCAT. It is also used for devices providing decentral standard Ethernet ports（分散生产方式的标准以太网端口） . ? File Access（文件存取组件） over EtherCAT(FoE) If the device should support firmware（固件）download via EtherCAT, FoE should be supported. FoE is based on TFTP. It provides fast file transfer and small protocol implementation. 
ADS over EtherCAT(AoE)小协议实施 When planning to control the device via a .Net interface, AoE is an option to apply. 

Application Note:An exemplary（典范） CoE implementation is shown below. 

The user application runs the device specific software（设备专用软件） on the μ C to implement device features(实现设备功能特性 ). Sample source code(protocol stacks) offered by EtherCAT stack vendors can be used to develop this application or to adapt existing software to EtherCAT.

Application Note:EtherCAT Slave Stack Code (SSC，从站堆栈代码 ).

The SSC is a free sample codefrom Beckhoff（德国倍福自动化有限公司）（免费样本代码） which provides an interface to the ESC. For hardware independent software development（独立于硬件的软件开发） , the SSC runs on several evaluation kits（评估板） and can be customized（自定义） for implementation in accordance with the product specification. Figure 14 shows the SSC structure with the interfaces to the user specific device application（用户特定的设备应用） and the ESC. 

Application Note:EtherCAT Slave Protocol Stack.（从站协议栈）

Hilscher（德国赫优讯公司） offers a Slave Control Stack based on its netX hardware withDual Port Memoryinterface (DPM，双端口记忆器 ) and it is available for the user application with an API. Figure 15 shows the protocol stack architecture（协议栈构架） with interfaces to the ESC and the user application. 

• Device Profiles（设备配置文件）

During network initialization（网络初始化期间） , parameter setup（参数设定） is necessary, where data does not need to be transmitted cyclically（周期性传输） but only during network initialization. Acyclic data exchange is done via mailbox protocols（非循环的数据传输通过邮箱协议） , usually via theCoEprotocol (see chapter 2.3.5). For devices with variable process data structure, the definition of a modular device description(MDP，模块化设备描述 ) is available. The MDP is described in the ETG.5001 Modular Device Profile Specification（说明书） . 

// 在网络初始化期间，必须进行参数设置，这些数据不需要循环传输，而仅在网络初始化期间需要传输。非循环数据交换是通过邮箱协议（通常通过CoE协议）完成的（请参阅第2.3.5章）。对于具有 可变过程数据结构的设备，可以使用模块化设备描述（MDP）的定义。EDP.5001模块化设备配置文件规范中描述了MDP。

 

The MDP is based on the object dictionary defined byCoE(CAN application protocol over EtherCAT). The object dictionary can be described as a two dimensional list（二维表） . Each list entry （每个表的入口） is identified（识别） by an index（指针，索引） (0x0000–0xFFFF) which represents an object. Each object can contain up to 255 subindices（分目录） , also called object entries. The object list is structured in different areas, see Table 7.

// MDP基于CoE（基于EtherCAT的CAN应用协议）定义的 对象字典。对象字典可以描述为二维列表。每个列表条目均由代表对象的索引（0x0000-0xFFFF）标识。每个对象最多可以包含255个子索引，也称为对象条目。对象列表的结构在不同区域中，请参见表7。

 

The idea of the MDP is to provide a basic structure for masters（为主站提供一个基本构架） and configuration tools（配置工具） to handle（处理） slaves with complex (modular) structure easily. The user has the advantage, that if the slave variables’（变量）s are sorted in an MDP style, he can find the different data types by identical patterns（相同的模式） .

// MDP的思想是为主机和配置工具提供基本结构，以轻松处理具有复杂（模块化）结构的从机。用户的优势在于，如果以MDP样式对从属变量进行排序，则他可以通过相同的模式找到不同的数据类型。

 

The MDP can be applied to various types of devices. It is applicable to multiple axis（多轴） servo drive system（伺服驱动系统） of various functionality groups（各种功能组） , such as positioning（位置控制） , torque（扭矩控制） and velocity control（转速控制） . It is further applicable to gateway（网关） between different fieldbuses, i.e., Profibus, DeviceNet. Modular devices are driven by two aspects: 

// MDP可以应用于各种类型的设备。适用于各种功能组的多轴伺服驱动系统，例如定位，转矩和速度控制。它进一步适用于不同现场总线之间的网关，即Profibus，DeviceNet。模块化设备由两个方面驱动：

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Comprise（包含） physically connectable modules and plurality of functionalities（多数功能） . //包括物理上可连接的模块和多种功能。Comprise plurality of channels（多数通道） directly being connected to the EtherCAT network. //包括多个直接连接到EtherCAT网络的通道。

The MDP imagines slaves which consist of one or several modules. A module can be hardware which is connected/disconnected to a slave. Examples are gateways between EtherCAT and e.g. CANopen or a bus coupler（总线耦合器） between EtherCAT and a proprietary backbone bus（专用主干总线） .

// MDP设想从站由一个或几个模块组成。模块可以是已连接/断开连接到从站的硬件。示例是EtherCAT与例如CANopen或EtherCAT与专有骨干总线之间的总线耦合器。

 

A module can also be a logical module which describes data sets, e.g. a drive which supports a velocity controlled mode and a position controlled mode –the MDP would describe the data as two modules, one for each mode.（把数据描述成 2种模式，每个对应相应的模式）

// 模块也可以是描述数据集的逻辑模块，例如。一个支持速度控制模式和位置控制模式的驱动器-MDP将数据描述为两个模块，每个模式一个。

 

No matter what kind of module is described it needs more or less the same information categories（需要相对应的信息分类） , which are organized in the profile specific index range (Table 7). 

// 无论描述哪种模块，它都或多或少需要相同的信息类别，这些信息类别在配置文件特定的索引范围内进行组织（表7）。

 

Application Note:Modular Device Profile Structure（模块化设备配置文件结构） . 

// 应用说明：模块化设备配置文件结构。

 

Consider an MDP for a line of slave device modules which are connected together on a backbone layer（主干网层面） via LVDS and via a coupler（耦合器） with MII. Figure 16 shows a schema how to define device profiles（如何定义设备配置文件） such that a modular profile dictionary is set up for the slave device line.

// 考虑一排从设备模块的MDP，这些设备通过LVDS和带有MII的耦合器在主干层上连接在一起。图16显示了一种模式，该模式如何定义设备配置文件，以便为从属设备线设置模块化配置文件字典。 

For implementation of the profile (CiA402 Drive Profile) for servo drive, build the program with reference to the corresponding specifications（技术规格，说明书） . In this example, this would be the

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ETG.6010 Implementation Directive（指令） for the CiA402 Drive Profile, and IEC 61800-7 Drive Profiles and Mapping to EtherCAT. 

4. 应用实例

由于EtherCAT实时工业以太网技术具有适用范围广、拓扑结构灵活、数据通信效率高、实时性强和同步性能好等多种优点，所以特别适用于实时性要求高、通信数据量大的运动控制系统。

控制系统设计采用“PC+运动控制器”的方案，构建多轴运动控制系统，采用PC机为主站、ARM+MCX314为从站处理器的架构。其核心插补与控制算法都放在工业PC中完成，运动控制器要求大为降低，其主要完成数字给定量到实际脉冲信号的转变。该控制系统方案的优势在于简化硬件设计工作，主要以标准化的硬件为主:上位机可以采用工业PC机、下位机使用开发的通用运动控制器，方便日后升级维护。工业PC机与运动控制器直接采用EtherCAT实时工业以太网进行通信连接。

4.1 主站操作系统(RTAI)

PC机部分软件以LinuxCNC为基础，往下LinuxCNC通过HAL(硬件抽象层)与EtherCAT主站驱动之间进行通信连接，然后EtherCAT主站通过以太网线给从站运动控制器发控制命令;往上利用LinuxCNC提供的Python调用接口和人机界面通信，数控系统人机界面采用PyQt开发;由于LinuxCNC需要运行实时任务，需要将普通操作系统进行改造。因此，目前的主要工作是对Linux系统进行实时性改造、安装EtherCAT主站、编写HAL模块、编写人机界面。

虽然EtherCAT主站程序能够安装在非实时操作系统上，但一般情况下会对主站进行实时性改造，而且LinuxCNC中有运行实时任务的需要，所以对Linux系统进行实时性改造迫在眉睫。众所周知，Linux系统本质上是一个分时操作系统，不是一个实时操作系统。Linux系统实时性不强使其在嵌入式应用中有一定的局限性，受内核可抢占性、进程调度方式、中断处理机制、时钟粒度、虚拟内存管理等几个方面的制约。

根据实时性系统要求以及Linux的特点和性能分析，对标准Linux实时性的改造存在多种方法，较为合理的两大类方法为:直接修改Linux内核源代码和双内核法。

• 1.直接修改Linux内核源代码:对Linux内核代码进行细微修改并不对内核作大规模的变动，在遵循GPL协议的情况下，直接修改内核源代码将Linux改造成一个完全可抢占的实时系统。核心修改面向局部，不会从根本上改变Linux内核，并且一些改动还可以通过Linux的模块加载来完成，即系统需要处理实时任务时加载该功能模块，不需要时动态卸载该模块。这种方法存在的问题是:很难百分之百保证，在任何情况下，GPOS(通用操作系统)程序代码绝不会阻碍RTOS的实时行为。也就是说，通过修改Linux内核，难以保证实时进程的执行不会遭到非实时进程所进行的不可预测活动的干扰。

•  2.双内核法:双内核法是在同一硬件平台上采用两个相互配合，共同工作的系统核心，通过在Linux系统的最底层增加一层实时核心来实现。其中的一个核心提供精确的实时多任务处理，另一个核心提供复杂的非实时通用功能。其优点是可以做到硬实时，并且能很方便地实现一种新的调度策略。目前采用这种方案的主要有RTAT,RT-Linux和Xenomai。本课题采用RTAI实时包的方式完成对Linux系统的实时性改造，如图所示。

RTAI(实时应用接口)是Linux内核的一个实时扩展，RTAI是基于ADEOSC Adaptive Domain Environment for Operating System)实现，ADEOS位于Linux系统和硬件之间管理硬件中断，并控制实时内核和Linux内核的优先级，其中实时内核优先级高于Linux内核优先级。 

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• RTAI安装：

   

1.下载RTAI压缩包并解压到urs/src目录下，输入命令:

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cd /usr/srcsudo tar -bzip2 -xvf rtai一3.8.tar.bz2

2.下载Linux内核压缩包并解压到urs/src目录下，输入命令:

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sudo cp suoxd/linux-2.6.37.1.tar.bz2 /usr/srcsudo tar -bzip2 -xvf linux一2.6.32.2.tar.bz2

3.利用RTAI源码中的文件给内核打补丁，未安装p atch需安装patch后，输入命令:

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sudo patch -pl</usr/src/rtai/base/arch/x86/patches/hal-linux-2.6.32.2-x86-2._5一OO.patch

4.配置内核，Linux2.6.32引入新的方式用于简化kernel的配置，使用命令拷贝当前配置，省去很多繁琐的内核配置选项。

5.安装内核模块，输入命令:

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sudo make cleansudo makesudo make modulessudo make modules installsudo make install

6.配置RTAI，下载安装MESA库文件和EFLTK包，然后进入RTAI文件夹，执行配置，输入命令:

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cd /usr/src/rtaisudo make config

7.编译并安装RTAI，命令行窗口的RTAI安装结果如图4-2所示，输入命令:

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sudo makesudo make install

8.RTAI内核延时测试，利用RTAI源码包中的测试案例进行测试，测试结果如下：

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cd /usr/realtime/testsuite/user/latencysudo ./run

9.RTAI内核抢占实现测试，测试结果如图4-4所示，输入命令行:

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cd /usr/realtime/testsuite/user/preemptsudo ./run

4.2 主站EtherCAT程序(IGH)

本控制系统EtherCAT主站以实时Linux操作系统为基础，在Linux环境下开发主站有两方面优势，一方面Linux为开源系统，方便对底层进行修改;另一方面便于进行嵌入式移植。Linux下的EtherCAT主站架构如图所示: 

Linux操作系统可分为内核态和用户态。内核态是操作系统的核心，负责进程管理、内存管理、进程间通信和设备管理和驱动等，实时性要求高。用户态主要运行人机交互、数据监控等实时性要求不高的程序。

EtherCAT主站模块运行在内核态，可支持一个或多个EtherCAT主站，且同时提供应用接口和设备接口。用户通过应用接口访问主站，通过设备接口连接设备到指定主站。EtherCAT的以太网设备驱动模块通过主站设备接口与主站连接，EtherCAT设备协议可直接由以太网帧传送，因而主站能同时并行处理EtherCAT数据帧和通用以太网通信。

在Linux上安装EtherCAT主站程序，这里选择EtherLab开发的IgH EtherCAT Master，首先下载主站安装文件gHEtherLab.tar.bz2，下载文件后解压缩进入含有Makefile文件的目录安装主站，输入命令:

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make ethercatMastermake ethercatMasterinstallsudo /etc/init.d/ethercat startethercat master

若最后两条指令运行正常则说明主站安装成功。

4.3 主站应用开发(LinuxCNC)

LinuxCNC是一款运行在Linux平台下的实时开源数控软件。起源于美国国家标准与技术研究院的增强型运动控制器EMC (Enhanced Machine Controller)研究项目，用于机床的数控系统。经过十几年的发展，LinuxCNC系统广泛用于冲床、车床、3D打印机、激光切割机、等离子切割机、机器人手臂等领域。其主要优点有:提供多个标准化的用户界面、用户也可以采用自主开发的GUI、自带G代码解析器、支持伺服电机控制步进电机开环控制、运动控制器功能强大、支持非笛卡尔坐标运动系统、采用2.4或2.6的Linux内核支持RT-Linux或RTAI实时补丁。LinuxCNC源代码可以免费下载，安装在Linux系统上。

 

 

LinuxCNC软件架构如图所示。

LinuxCNC是一个模块化设计的软件，大致可以分为以下四个主要模块:运动控制器(EmcMot)、数字I/O控制器(EmcIO )、任务控制器(EmcTask )、图形用户界面(GUI)。

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用户操作界面负责接收用户命令并反馈最新状态;任务控制器是整个系统的决策层，主要负责对各种命令进行决策分类、解析发送给不同的模块;运动控制器是实时刷新的，主要完成路径规划、插值运算等;数字I/O控制器负责处理I/O信号，通过NML消息与运动控制器通信，因为不同设备I/O各不相同，这时需要硬件抽象层HAL文件建立软逻辑电路来控制实际I/O ;  

• HAL HAL硬件抽象层是LinuxCNC系统的关键技术之一，通过引入HAL机制，为用户提供了统一的驱动开发接口，方便编写驱动，还能利用配置文件将相应的HAL模块连成一个复杂系统，方便数据传递。HAL模块结构图如图所示。 

   

  

   

EtherCAT主站驱动与LinuxCNC之间采用HAL机制进行通信，硬件抽象层将各个底层的硬件驱动、实时算法抽象出来，构成一个组件，组件是由函数、参数、输入输出引脚所组成，输入信号包括来自LinuxCNC的控制信号、用户配置信息，输出信号包括提供给LinuxCNC的反馈量等。将编写好的HAL模块命令为ec.comp，编译生成ec.ko，利用insmod命令将其安装后就可以加载到线程中。

当HAL模块启动的时候，需要对变量进行初始化，但完成EtherCAT主站的初始化是更重要的，只有初始化了主站，设置好参数，建立起完整的通信网络，才能进行接下来的周期数据传输，其中PDO为进程数据对象、SDO为服务数据对象。如图为EtherCAT主站的初始化流程图。 

主站初始化完成后，LinuxCNC开始正常运行。LinuxCNC在每个控制周期通过硬件抽象层下发控制命令，并获取从站设备反馈的信息。

• HAL周期任务流程图如图所示。

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对于采用位置控制的伺服单元，HAL模块每次都要计算出本控制周期的位移或目标点，然后通过EtherCAT总线发送到从站运动控制器;然后从站运动控制器在每个控制周期上报编码器位置增量和I/O状态，HAL模块计算出轴的实际位置后发送给LinuxCNC。。

 

 

• UI界面

   

在Linux环境下开发用户界面的语言有Python, C++等，图形库有QT, GTK等。由于控制界面运行于用户态，实时性要求不高，同时兼顾开发难度和周期，本课题采用Python语言，结合PyQT图形库开发冲床控制界面。Python是一种面向对象的脚本语言，与其他语言相比，Python具有如下优点:面向对象、公开免费、跨平台可移植、功能强大、使用简单、模块丰富。QT是一个功能丰富广泛使用的GUI图形库，可用于Windows, Linux等平台，具有很好的可移植性。PyQt是Python语言与Qt图形库相结合的产物，从而可以通过Python来使用Qt图形库，具有模块丰富、跨平台和使用信号与槽机制的优点。数控界面调用LinuxCNC抽象出的Python接口与任务控制器通信，并监视LinuxCNC状态信息和错误信息。

本课题冲床数控系统设计加工状态、参数设置、警告与诊断和软件设置四个状态界面，四个状态界面下一共分设13个子界面，各个界面之间可以通过按钮进行切换，数控系统界面结构图如图所示。 

 系统的主界面由菜单栏、工作窗口、快捷工具栏和消息提示栏这四部分构成。菜单栏可以根据不同的操作需求切换不同的工作窗口，快捷工具栏是一些常用的快捷按钮，消息提示栏是提示快捷按钮内容和显示系统运行状况、错误信息汇报的区域，如图所示。

 

2.参数设置界面:参数设置界面用于设置控制系统及机械的参数，分设了系统参数设置、运动轴参数设置及模具库参数设置这3个子界面。下面主要讲解运动轴参数，运动轴参数设置界面如图所示。 

3.警告与诊断界面:息记录界面这2个子界面。警告与诊断界面下设有警告信息诊断界面、历史警告信，如图所示。 

4.软件设置界面:软件设置界面用于设置软件与外部设备的通讯参数和显示软件的版本等信息，设有软件信息、外部设备通讯设置及高级设置这3个子界面。下面讲解外部设备通讯设置界面，如图所示。 

4.4 ET1200

EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)是由德国BECKHOFF自动化有限公司提供的，包括ASIC芯片和IP-Core，实现EtherCAT数据链路层协议。目前ASIC从站控制专用芯片有ET1100和ET1200，也可以使用IP-Core将EtherCAT通信功能集成到设备控制FPGA当中，并根据需要配置功能和规模。图为ET1200从站控制器结构图: 

ET1200最多支持3个EtherCAT物理通信端口:

• 其中一个可以作为MII接口，用于与物理层PHY芯片交换数据。因为EtherCAT并不定义该接口的物理层，MII接口也是和传输介质无关接口，因此这种接口方式下的数据链路层与物理层彻底隔开，从而以太网能够选用任意的传输介质，包括无线电和光纤。

•  ET1200其余两个接口均为EBUS接口，EBUS是德国倍福公司使用的LVDS(Low Voltage Differental Signaling)标准定义的数据传输标准，通信速率高达100Mbit/s，能与ESC芯片直接相连，减小PCB板体积和降低成本。EBUS的传输距离最大为10m。

•  ET1200提供的物理设备接口有数字I/O和SPI两种，选用ARM作为从站微处理器是一般通过SPI接口访问ET1200。

•  ET1200采用3.3 V供电，最大工作电流约为70mA，芯片发热量很小。ET1200的主要技术指标： 

   

  

   

ET1200从站控制器使用外部EEPROM来存储从站设备信息，下表是EEPROM存储数据分布示意图，其中0~63为基本信息，每次ESC启动时都会从EEPROM中读取其中的配置信息。 

4.5 从站程序设计

运动控制器软件设计包括ARM主控制程序及外围电路驱动程序，外围驱动程序包括ET 1200驱动程序、AD采样芯片驱动程序、RS232驱动程序、SPI串行总线、FSMC并行总线驱动程序以及MCX314加减速控制程序设计等。运动控制器程序在STM32F427这款MCU上使用C语言开发，开发环境为Windows 7下的Keil uVision_5集成开发环境。

ARM主控制程序是运动控制器的核心，需要完成各个函数初始化、参数配置、数据处理、逻辑流程控制及控制算法运算等，图为支持查询模式(自由运行模式)的流程图。

ARM芯片在上电后不久进入main()函数，在main()函数中最先完成一系列系统正常运行相关函数的初始化，如延时初始化函数、LED初始化函数、串口初始化函数、中断向量表配置初始化函数，然后完成SPI初始化函数、定时器初始化函数、EtherCAT初始化函数以及FSMC总线初始化函数等。

接着完成通信初始化工作，查询主站的状态控制寄存器，读取事件请求寄存器0x220、相关配置寄存器，启动或关断相关通讯服务。

在完成以上工作后就进入主循环while(1)，进行应用层任务处理和周期性数据处理，周期性数据处理和应用层任务处理有查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)这两种，本程序采用同步运行模式，所以在主循环中主要处理非周期性的任务。同步运行模式下周期性数据在中断服务程序中处理。 

 

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void main(void){    //--一执行一系列初始化函数--一    Delay_Init(168);            //初始化延时函数    Led_Init();                 //初始化LED端口    Uart_Init(9600);            //初始化串口    AD7606_Init();              //初始化AD采样芯片    NVIC_Config();              //初始化STM32时钟及外设    SPI_Config();               //ET 1200用SPI总线初始化配置    Timer2_Init_ Config();      //Timer2初始化配置    ET 1200_GPIO_Config();      //ET 1200 GPIO初始化配置    ECAT_Init();                //初始化通信变量和ESC寄存器    FSMC_Init();                //FSMC并行总线初始化
    //--一初始化完成，进入主循环--一    while(1)    {        ET1200_AlEvent=pEsc->AlEvent;  //读应用层事件请求寄存器，                                        // ET1200_AlEvent为全局变量，在头文件中定义        if(!ET1200_IntEnabled)          //处于自由运行模式(ET 1200_ IntEnabled -=0                                        //处于同步模式(ET1200 IntEnabled==1)            free_ run();                //处于自由运行模式时，进行周期性数据查询
        el_event();                     //应用层任务处理，包括状态机和非周期性数据等    }}

从站设备可以运行于同步模式或自由运行模式，在自由运行模式中使用查询方式处理周期性过程数据，在同步模式使用中断服务程序处理性数据。

变量ET1200 IntEnabled来控制运行模式。ET1200 IntEnabled为1时，使用同步模式，ET1200 IntEnabled为0时，使用自由运行模式。

根据主站对SM的配置，在函数、参数初始化阶段来初始化变量ET1200_ IntEnabled，确定当前的运行模式。

本程序选择同步模式，以下将按照该模式讲解一个中断服务数据处理的工作流程，如图所示。

 

4.6 实验测试

实验测试平台由一台PC机、一套自主研发的冲床数控系统软件、一台自主研发的五轴高速运动控制器、一套单轴丝杠滑台、一套二维伺服平台、一套四轴同步测试架组成。

实验过程中需要注意，因为目前运动控制器专为数控冲床设计，仅保留1个M II接口连接主站，且设计最多连接轴数为五轴，故连接四轴同步测试架时不能接单轴丝杠滑台和二维伺服平台;测试过程中工业PC机和显示器使用笔记本代替。在平台上测试通过后将控制系统接入到LX230B型数控转塔冲床上进行测试和参数调试，最终成功开发出30T数控转塔冲床用高速运动控制系统。

 

• 基本通信功能测试

   

EtherCAT主从站基本通信功能测试时首先按图所示，使用网线将PC机与从站运动控制器连接起来后，在数控软件通信设置的外部设备通信设置中找到运动控制器连接状态，点击重新连接。使用Wireshark抓包工具抓取连接过程中主站广播的数据包，最终连接成功时运动控制器连接状态指示灯变为ON，从站状态变为操作状态(OP)，从站状态机启动正常，如图所示。

 

由图可知该实验中EtherCAT报文的格式。报文总长度60个字节，前14个字节是以太网数据帧头，包括6字节的目的地址(ffffff:ff ) } 6字节的源地址(7804be:6f)} 2字节的帧类型(Ox88a4);接着是2字节的EtherCAT头，包括11位数据长度(Ox02a)}1位保留位(Ox0)}4位类型位(0x1);然后是EtherCAT数据，数据为2个子报文，每个子报文包含10字节子报文头，16字节数据，2字节WKC(工作计数器)。Wireshark抓取的报文与2.1节中的EtherCAT帧格式一 致，从而主从站之间实现了基本通信。

• 控制系统基本功能测试

   

控制系统基本功能测试是验证系统软硬件功能正常的重要实验，该项测试在 单轴丝杠滑台完成，连接好PC机、运动控制器和单轴丝杠滑台，如图所示。在数控软件的手动加工中对输出I/O如伺服使能、紧急停止，回零点如X轴回零、Y轴回零，单轴位移控制如X+, X-, Y+, Y-进行测试，并观察滑台的运动情况和伺服驱动器面板显示来判断各项功能是否正常。经测试，软件上的相关按钮都工作正常，五个轴的接口、I/O接口工作正常，产生的脉冲精度误差为0。故数控系统软硬件基本功能测试通过。

 

 

• G代码解释、圆弧插补测试

   

通过二维伺服运动平台圆弧插补实验测试运动控制系统G代码解释、圆弧插补等功能。该项测试主要在二维伺服平台上完成，连接PC机、运动控制器和二维伺服平台，如图所示，通过数控系统控制二维伺服运动平台的X轴和Y轴电机做圆弧插补，利用上方横梁固定的笔杆记录二维平台上白纸相对运动下的轨迹。二维平台中的两组伺服机丝杠的参数完全一致，丝杠螺距为20mm，设定伺服驱动器驱动电机旋转一圈为2000个脉冲，可知丝杠走1 mm需要100个脉冲，由此设置数控软件中的X, Y轴脉冲当量都为1000。 

 

 

使用AutoCAD设计一个直径D为80mm的圆周，如图所示，绘制完成后保存为.dxf格式，然后使用一体化饭金CAD/CAM编程软件cncKad将.dxf格式的图纸转化为冲床数控软件所需的.PNC文件，即G代码。然后将G代码文件导入到数控软件中，预加工仿真运行无误后启动伺服，进行实际加工，最终得到实际绘制效果图如图_5 -6所示。绘制出的圆周尺寸精确，控制系统通过圆弧插补测试。 

• 多轴运动的同步性能测试

   

多轴同步测试实验用来测试运动控制系统多轴运动的同步性能。该项测试主要利用四轴同步测试架完成，如图所示，测试架上固定安装有A, B, C, D共4组电机和驱动器。将电机驱动器与运动控制连接，控制器通过EtherCAT总线与PC机连接，打开数控软件，在加工状态中选择手动加工，控制伺服电机A, B,C, D同时做顺时针运动旋转，通过长时间运行测试观察轴上4个光盘指向分析电机运动的同步性。经过长时间测试观察后，电机按钮停止伺服轴转动，可以看到4个电机指向同一方向，驱动器面板显示脉冲数也一致。 

 

 

• 实际产品应用

   

在上一节的一系列实验后，控制系统的各项功能都顺利通过测试，接下来把开发好的控制系统制作成便于使用的操作台和控制柜接入到LX230B型30T的数控转塔冲床上，取代原有的控制系统，操作台和控制柜如图所示。该冲床选用安川 -7系列AC伺服电机、 -V系列AC伺服驱动器。首先调试好伺服电机与伺服驱动器之间构成电流环、速度环的PID参数，让闭环的性能达到较好水平，再接入控制系统，其中编码器分频脉冲输出C相信号在轴回原点时使用。 

 

为观测控制系统在数控转塔冲床上的应用效果，需要采用非接触测量仪测量板材运动过程中的振动曲线。根据实验室现有的条件，采用由日本Keyence公司生产的LK-G400型激光位移传感器和LK-GD500型控制器作为非接触式测量工具。LK-G400的主要技术参数为:使用距离为400mm，测量范围为士100mm，取样率20us,钡量精度为gum o LK-GD500型控制器主要参数为:最小显示单位为O.Olum,显示周期10次/秒。

在冲床大板材(1200mm X 2_SOOmm)上选取测试点W点，如图所示。采用S型曲线加减速规划，加速度g为6，控制板材在X轴上高速移动lOmm,运动控制器输出的PULS(脉冲)信号局部波形如图所示。 

使用软件LK-Navigator读取传感器测量的数据，如图所示。由图分析可知调节时间为130ms(按士0.5%误差带)、稳态误差士0.0Smm，各项指标良好，达到工业应用要求。

 

5. 工具

5.1 TwinCAT

EtherCAT主站方案实现一般都采用倍福公司的TwinCAT, TwinCAT实现了强大的EtherCAT主站功能，从站XML表配置、EEPROM配置文件操作、扫描EtherCAT从站等，下图为使用TwinCAT开发冲床数控系统的过程。因为TwinCAT是基于Windows风格，拥有较好的人机交互界面，功能强大，非常适合上位机控制窗口的开发，但TwinCAT运行于 Windows环境下，实时性很差，而且TwinCAT和Windows系统需要付费才能商业化应用，价格较高。 

在学习EtherCAT的时候，TwinCAT是必须要学习的。TwinCAT软件其功能强大，可以写plc程序，可以写图形化界面，可以观察波形等等。初次学习时我就参考TwinCAT 3运动控制教程和TwinCAT NC PTP实用教程，把TwinCAT 3中界面的一些功能都试了一遍。另外用功能块学着写了凸轮、齿轮的程序，并用Visualization图形化界面来控制。（在学习TwinCAT时，要充分利用好帮助文档）。

因为我的任务是做一致性测试，所以关注点大部分放在了对协议的了解上，涉及到一致性测试的文档有ETF7000.2、ETG7010。具体可以去ETG官网上查找相关资料。做一致性测试时需要用到ET9400，这款软件不是免费的。目前还没开始测这部分。

对于带有EtherCAT伺服驱动器的性能的测试，用TwinCAT带着简单测过csp、csv、cst这三种模式。如果想要系统的测试驱动器所支持的操作模式，必须对驱动器的相关知识有一定的了解。另外就是对对象字典中对象充分了解。TwinCAT中的Process Data和CoE-Online界面是很重要的。这点我也没有完全掌握。没有以太网基础，对协议没有了解，直接接触EtherCAT这条学习之路感觉很艰难！

5.2 LinuxCNC

PC机部分软件以LinuxCNC为基础，往下LinuxCNC通过HAL(硬件抽象层)与EtherCAT主站驱动之间进行通信连接，然后EtherCAT主站通过以太网线给从站运动控制器发控制命令;往上利用LinuxCNC提供的Python调用接口和人机界面通信，数控系统人机界面采用PyQt开发;由于LinuxCNC需要运行实时任务，需要将普通操作系统进行改造。因此，目前的主要工作是对Linux系统进行实时性改造、安装EtherCAT主站、编写HAL模块、编写人机界面。

5.3 开源的EtherCAT Master

EtherCAT的主站开发是基于EtherCAT机器人控制系统的开发中非常重要的环节。目前常见开源的主站代码为的RT-LAB开发的SOEM (Simple OpenSource EtherCAT Master)和EtherLab的the IgH EtherCAT Master。使用起来SOEM的简单一些，而the IgH EtherCAT Master更复杂一些，但对EtherCAT的实现更为完整。

具体比较如下表：

 

 

原文标题：5. 工具

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　　审核编辑：汤梓红