EtherCAT 數據幀格式和尋址方式簡介

EtherCAT是一個高實時性，高速和高效率的工業以太網技術，數據根據自身獨有的數據幀格式進行可靠傳輸，本文主要針對EtherCAT的數據幀格式和尋址方式進行簡單描述。

?EtherCAT的數據幀格式

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology)是由德國倍福公司在2003年提出的工業以太網技術，具有很高的實時性。傳統的以太網通信中每一個節點都是按照接收，處理和轉發這個三個流程進行，而EtherCAT則是同時傳輸和處理EtherCAT數據。

由于EtherCAT始終依托以太網進行數據的傳輸，因此和傳統的以太網數據幀格式大致相同。EtherCAT在傳統以太網數據幀格式作出了一些修改，譬如在EtherCAT中，EtherType（幀類型）為0x88A4，EtherType是用于指明應用于幀數據字段的協議，如0x0806為地址解析協議ARP。

傳統的以太網幀格式包含了以太網幀頭，以太網數據和FCS幀校驗，而EtherCAT的數據幀格式跟傳統以太網幀格式一樣，只是對幀數據段進行了細化，將數據字段分為幀頭和EtherCAT數據，其中EtherCAT幀頭包含了數據幀長度，保留字。將EtherCAT數據認為若干個子報文，每一個子報文又包含了子報文頭，子報文的數據，WKC（工作計數器），具體以下圖所示。

圖1 EtherCAT數據幀格式

表1EtherCAT數據幀格式說明

EtherCAT子報文結構定義：

表2 EtherCAT子報文定義

其中子報文頭的作用是確定此子報文由哪一個從站使用，什么操作命令，處理多長的數據等，而工作計數器主要記錄了報文被對應的從站操作的類型以及次數，一般而言，主站在每次發送EtherCAT報文前都要預設一個WKC值，將數據幀發送給從站。

?EtherCAT的尋址方式1. 網段尋址

• 直連模式：主站設備通過于EtherCAT網段直接端口連接來對MAC地址進行廣播；
• 開放模式：主站設備通過交換機與EtherCAT網段進行連接，網段可以使用EtherCAT數據幀中的目的地址來做MAC地址。

2. 設備尋址

EtherCAT數據幀中子報文頭有32位地址，其中高16位是從站的設備地址，低16位是設備內部物理存儲的地址，16位從站設備地址可以尋65535個從站設備，而每一個設備地址最多可以有64KB的本地存儲空間。2.1 順序尋址

從站的地址由物理連接的順序決定，從站地址自動加1，一般在主站啟動階段使用，主站為從站分配地址，無需從站設置。

圖2順序尋址示意圖2.2 配置尋址

該地址與從站物理連接順序無關，通常有兩種配置方式：

數據鏈路層啟動階段由主站配置給從站；

在上電初始化的時候，從站從自身的EEPROM的配置文件中讀取出來。主站利用順序尋址的方式來讀取從站設置的地址，掉電之后會丟失固定的地址。

圖3配置尋址示意圖2.3 邏輯尋址

在邏輯尋址模式下，報文內的32位地址空間用來尋址，整個網段有4GB地址空間可以被尋址。邏輯尋址方式由FMMU來實現，ESC芯片中的FMMU單元將從站本地的物理地址映射到網段內的邏輯地址。當從站收到主站的報文時，會檢查報文中的地址是否和FMMU中的地址是否相符，如果相符，就會根據類型進行讀寫操作。

圖4邏輯尋址示意圖

廣州致遠電子以EtherCAT工業以太網協議為向導，開發了一系列EtherCAT主站控制器和通訊卡，其中包括EtherCAT FOE（File Over EtherCAT）功能。這些EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通訊卡可以快速、有效、便捷地構建數控智能化設備。通過支持固件更新、配置文件下載、數據記錄與監控、遠程控制與診斷、分布式文件系統等功能，更能夠適應工廠智能化、信息化產業的需求。

表3EtherCAT主站控制器

圖5EtherCAT主站控制器系統框圖

表4PCIeEtherCAT主站通訊卡

圖6PCIeEtherCAT通訊卡