STM32与Ethercat开发资料搜集<2>

1万 · 2019-8-21 16:13

与传统现场总线相比，工业以太网实在传统现场总线发展受到制约后，产生
的新兴事物。其从根本上解决了传统现场总线的功能单一，兼容性差，难以标准
化的缺点，工业以太网最大的特点就是具备开放性。不仅如此，相比传统现场总
线，工业以太网传输速率大幅度增加，也因为其具备开放性则可以利用更多的软
硬件资源。如今，实时工业以太网技术日趋成熟，己经逐步被应用在工业控制领
域中，而这也必然是未来工业控制领域的发展方向。
Ether CAT, EtherNet/IP, PowerlinkETHERNET, PROFINET等几种工业以太
网协议，是如今广泛被使用的工业以太网协议。其中，Ether CAT是由德国倍福自
动化有限公司(BeckhoffAutomationGmbh)研发的.

1万 · 2019-8-21 16:15

(1)Ether CAT
Ether CAT的开发者是Beckhoff公司开发，开发时间是2003年。一个Ether CAT
网段可以被看作一个独立的以太网设备，一个网段即相当于一个Ether CAT从站，
一个从站可以连接多个Ether CAT从站设备，因此Ether CAT报文中还嵌有子报文，
通过寻址方式控制具体的从站。Ether CAT协议通过修改标准以太网协议而来，具
有广泛的适应性。其100个伺服电机的数据通信周期约为100}so
(2)EtherNet/IP
EtherNet/IP的开发者是艾伦一布拉德利(罗克韦尔自动化)和ODVA(开放
DeviceNet供应商协会)o EtherNet/IP也是建立在标准的以太网协议之上协议之上，
是基于固定的以太网软硬件开发的应用层协议，支持访问、配置及控制设备。与
Ether CAT不同的是，该协议使用的就是是传统以太网协议，因此他比Ether CAT
更在以太网设备中更通用可无缝衔接，而且其发展是与以太网技术平同步的。其
100个伺服电机的数据通信周期约为100.

1万 · 2019-8-21 16:15

(3)PowerlinkETHERNET
Powerlink的开发者是奥地利B&R公司，发布时间于2001年11月。Ether CAT
成立的国际组织为ETG } Powerlink国际组织为EPSG
C ETHERNETPowerlinkStandardizationGroup，成立时间为并在2004年。
ETHERNETPowerlink基于高速以太网的开放、实时通信协议实现的，实时以太网
协议中仅有它经过现场验证，发展相对更成熟。这是一个完整的从管理层一直到
现场1/0层的确定性传送实时数据透明解决方案，并己成为工业标准[[4]。其100个
伺服电机的数据通信周期约为lms。

1万 · 2019-8-21 16:15

(4)PROFINET
PROFINET的开发者是国际组织(PROFIBUSInternational, PI)。其特点是功
能完善，是更新一代的工业以太网总线标准，是基于以后工业以太网技术新尝试。
其100个伺服电机的数据通信周期约为lmso

1万 · 2019-8-21 16:15

1万 · 2019-8-21 16:16

1万 · 2019-8-21 16:17

比较几种工业以太网协议可知:Ether CAT适应性较强，对从站主站要求都较
低。普通PC即可做Ether CAT主站，协议在由标准以太网修改而来，兼容性强。
Ether CAT刷新周期短，同步性能好，高效率，可最大化利用以太网宽带进行用户
数据传输，且其系统配置简单，实现成本较低。

1万 · 2019-8-21 16:17

Ether CAT是主从模式的系统，一台个人电脑就可以当做主站。工作时，主站
会发出一个控制周期，成为下行电报，控制周期中的数据最多包含1498个byte,
数据会一一经过每个从站，从站会根据自身情况去匹配主站发送的数据，从中找
到与本从站匹配的地址和相应数据，然后根据主站发送的报文头中的命令判断是
从主站发送的报文中读出数据还是写入数据[}s}。每个从站完成处理后，都会对主站
发送报文中的计数器进行一次叠加，表示该报文己经被从站处理过了。通信过程
延迟小于lOns，当主站发送的报文通过网络中的最后一个从站后，这个从站会把
处理完成的数据发送给主站，这样就完成过来一次主站和从站之间的通信。

1万 · 2019-8-21 16:17

1万 · 2019-8-21 16:18

Ether CAT系统的通信需要主站与从站密切配合，主站既可以发送数据包给从
站，也可以接收从站返回的数据包;从站需要接收主站发送的数据包，并根据数
据包中的指令实现应用层的控制，完成这一操作之后，从站会在数据包中写入相
应的信息，并且最终反馈给主站。主从站之间通信的数据包是标准的以太网数据
帧结构。主站发送数据包后，从站接收数据包完成相应的应用层操作之后，改写
数据包并把数据包反馈给主站，这就是一个完整Ether CAT的通信过程[6]。在主站
和从站通信时，在一个通信周期内，主站会会先发送Ether CAT数据给从站，Ether
CAT数据包会经过通信链路上的所有从站，而每个从站都会处理这个数据包，经
过匹配后从站只会处理Ether CAT数据包中与自己有关的部分，然后或者把ESC
数据放入Ether CAT数据包中，并把数据包发送给主站;或者把数据输送到ESC
内存，在应用层执行操作。当主站发送的Ether CAT数据包被所有的从站都处理后，
最后完成数据处理的从站会把Ether CAT数据包发回给主站。如图2-1所示，通信
链路上的所有从站都处理了Ether CAT数据包之后，最后一个从站会把数据包反发
给主站，可以实现Ether CAT以太网帧的双向传输。然而，Ether CAT从站只能在
数据包下行传输的时候对报文进行相应的处理，上行传输时不能对报文数据进行
处理。

1万 · 2019-8-21 16:18

当Ether CAT数据包传输到从站的时候，从站需要对报文的一部分数据进行处
理[f}l。从站控制器会调用相应的硬件对Ether CAT报文进行处理，跟一般的以太网
处理报文的方式不同，Ether CAT从站设备在对报文进行读取和插入的操作只由从
站处理器来完成，而且速率快，延迟小，通常只需要几纳秒的延迟。因为Ether CAT
从站处理数据包的时候，可以使用ESC操作，只是读取数据包中与本从站相关的
信息到微处理器，而且整个过程都有硬件来完成，明显减少了交互时间。普通的
以太网设备处理数据时会先对数据进行解压，从站再读取解压后的数据到微处理
器，与Ether CAT相比，这种处理方式会增加系统时间。由于Ether CAT系统使用
以太网进行数据传输，所以传输报文不仅延迟小，而且数据量大，传输数据中的
有效数据就更多，充分利用了整个系统的带宽，大大提高了数据传输和处理的速
率[sl。
主站发送下行数据，从站依次取出自己对应的报文放入缓存区中，并将发送
缓存区的子报文插入，在遍历从站且在从站控制器处理后，由最后的从站将处理
之后的数据包反发给主站。按照这个方式不断的重复，主站和从站之间可以实现
高效率的通信。

1万 · 2019-8-21 16:19

本项目采用开源软件SOMECAT总线协议实现对从站的控制作为EtherCAT系统的Master(主站)，通过Ether。无论是简易的从站设备还是复杂的从站设备都需要一块专用的EtherCAT从站控制器。通过专用的从站控制器与从站微处理器，即MCU相连[[13]。主站的控制数据输出，经过从站控制对EtherCAT协议的针对性处理，给到从站微处理器即从站处理的CPU，系统中MCU。有从站微处理器处理数据并根据数据控制从站设备，简易从站输出设备如如LED。从站微处理器不仅负责接收主站数据输出给从站设备，也负责采集从站设备数据，并处理后，经过从站控制器处理为EtherCAT协议帧，上报给主站，简易从站采集设备如传感器、开关。整个收发数据流程构成了EtherCAT网络系统

1万 · 2019-8-21 16:21

EtherCAT通信帧结构采用标准以外网帧结构，是通过对传统协议进行修改形成，在标准协议里插入专用帧类型的EtherCAT数据帧，也就是说，标准协议的数据内容就是EtherCAT的数据帧。专用帧类型用Ox88A4进行标记。也因为如此，EtherCAT通信可被标准的以太网通信完全兼容。EtherCAT数据帧的报文结构如图2-3所示。

1万 · 2019-8-21 16:21

以太网帧头中包含了目的地址和原地址信息，两个地址分别是接收方MAC地
址和发送方MAC地址。Ether CAT有特殊的帧类型Ox88A4 o Ether CAT数据包含
Ether CAT头和Ether CAT数据两个部分。Ether CAT帧结构定义见表2-l o

1万 · 2019-8-21 16:24

Ether CAT子报文的结构定义见表2-2。子报文包含命令、索引、地址区长度、
标志位、状态位、数据区和工作计数器等7个部分。报文中的命令一般是8位，
用来表示报文寻址方式和读写操作;索引就是帧编码;从站通信地址是地址去中
的32位二进制码;标志位M是后续报文的表示，如果Ether CAT数据帧有多个子
报文，除最后一个子报文的标志位外，其他子报文的标志位都需要被职位;子报
文数据属于用户自定义部分，长度一般是1486个byte

1万 · 2019-8-21 16:26

若要判断子报文被从站读取或插入的次数，需要用到工作计数器W KC，进而
可以判断子报文是否被正确的处理。W KC计数原理见表，操作模式分为仅读操作，
仅写操作及读写操作。仅读或者仅写操作，成功W KC计数加1，失败计数不变;
读写操作，失败计数不变，读成功加1，写成功加2，都成功则累加得3 o Ether CAT
从站通常有多个，每个从站根据自身读写情况及处理情况对W KC计数进行处理，
多个从站之间为累加关系。W KC计数计算原理见表2-3 0

1万 · 2019-8-21 16:27

Ether CAT主站与从站之间的通信依靠Ether CAT数据帧来实现。主站发送
Ether CAT数据帧，根据数据帧的不同寻址方式，从站会有不同的响应，就能实现
不同的通信服务，通过寻址方法，从站会改变内部存储。Ether CAT网络寻址方式
见图2-4 0

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