EtherCAT 数据帧格式和寻址方式简介

描述

EtherCAT是一个高实时性,高速和高效率的工业以太网技术,数据根据自身独有的数据帧格式进行可靠传输,本文主要针对EtherCAT的数据帧格式和寻址方式进行简单描述。

 

ethercat  EtherCAT 的数据帧格式

 

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) 是由德国倍福公司在2003年提出的工业以太网技术,具有很高的实时性。传统的以太网通信中每一个节点都是按照接收,处理和转发这个三个流程进行,而EtherCAT则是同时传输和处理EtherCAT数据。

由于EtherCAT始终依托以太网进行数据的传输,因此和传统的以太网数据帧格式大致相同。EtherCAT在传统以太网数据帧格式作出了一些修改,譬如在EtherCAT中,EtherType(帧类型)为0x88A4,EtherType是用于指明应用于帧数据字段的协议,如0x0806为地址解析协议ARP。

传统的以太网帧格式包含了以太网帧头,以太网数据和FCS帧校验,而EtherCAT的数据帧格式跟传统以太网帧格式一样,只是对帧数据段进行了细化,将数据字段分为帧头和EtherCAT数据,其中EtherCAT帧头包含了数据帧长度,保留字。将EtherCAT数据认为若干个子报文,每一个子报文又包含了子报文头,子报文的数据,WKC(工作计数器),具体以下图所示。

ethercat

图1 EtherCAT数据帧格式

表1 EtherCAT数据帧格式说明

目的地址

接收方的MAC地址

源地址

发送方的MAC地址

帧类型

0x88A4

FCS

帧校验序列

EtherCAT头

(数据长度)

EtherCAT数据区长度

EtherCAT头

(类型)

1表示从站通信,其余保留

EtherCAT子报文结构定义:

表2 EtherCAT子报文定义

命令

寻址方式

索引

帧编码

地址

从站地址

长度

报文数据区长度

R

保留位

M

后续报文标志

状态位

中断到来的标志

数据位

子报文数据结构,用户定义

WKC

工作计数器

其中子报文头的作用是确定此子报文由哪一个从站使用,什么操作命令,处理多长的数据等,而工作计数器主要记录了报文被对应的从站操作的类型以及次数,一般而言,主站在每次发送EtherCAT报文前都要预设一个WKC值,将数据帧发送给从站。


 

ethercat  EtherCAT的寻址方式1. 网段寻址

  • 直连模式:主站设备通过于EtherCAT网段直接端口连接来对MAC地址进行广播;
  • 开放模式:主站设备通过交换机与EtherCAT网段进行连接,网段可以使用EtherCAT数据帧中的目的地址来做MAC地址。

2. 设备寻址

EtherCAT数据帧中子报文头有32位地址,其中高16位是从站的设备地址,低16位是设备内部物理存储的地址,16位从站设备地址可以寻65535个从站设备,而每一个设备地址最多可以有64KB的本地存储空间。2.1 顺序寻址

从站的地址由物理连接的顺序决定,从站地址自动加1,一般在主站启动阶段使用,主站为从站分配地址,无需从站设置。

ethercat图2 顺序寻址示意图2.2 配置寻址

该地址与从站物理连接顺序无关,通常有两种配置方式:

数据链路层启动阶段由主站配置给从站;

在上电初始化的时候,从站从自身的EEPROM的配置文件中读取出来。主站利用顺序寻址的方式来读取从站设置的地址,掉电之后会丢失固定的地址。

ethercat图3 配置寻址示意图2.3 逻辑寻址

在逻辑寻址模式下,报文内的32位地址空间用来寻址,整个网段有4GB地址空间可以被寻址。逻辑寻址方式由FMMU来实现,ESC芯片中的FMMU单元将从站本地的物理地址映射到网段内的逻辑地址。当从站收到主站的报文时,会检查报文中的地址是否和FMMU中的地址是否相符,如果相符,就会根据类型进行读写操作。

ethercat

图4 逻辑寻址示意图

广州致远电子以EtherCAT工业以太网协议为向导,开发了一系列EtherCAT主站控制器和通讯卡,其中包括EtherCAT FOE(File Over EtherCAT)功能。这些EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通讯卡可以快速、有效、便捷地构建数控智能化设备。通过支持固件更新、配置文件下载、数据记录与监控、远程控制与诊断、分布式文件系统等功能,更能够适应工厂智能化、信息化产业的需求。

表3 EtherCAT主站控制器

ethercat

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图5 EtherCAT主站控制器系统框图

表4 PCIe EtherCAT主站通讯卡

ethercat

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图6 PCIe EtherCAT通讯卡

 

 

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