【技术分享】EtherCAT数据帧格式和寻址方式简介

原创 ZLG致远电子 2024-04-08 11:50

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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 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。

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。

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。

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。

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