EtherCAT 数据帧格式和寻址方式简介

EtherCAT 数据帧格式和寻址方式简介

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1.

https://m.eefocus.com/article/1682733.html

EtherCAT 是一种高实时性、高速和高效率的工业以太网技术，其数据传输依赖于独特的数据帧格式。本文将详细介绍 EtherCAT 的数据帧格式和寻址方式。

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），具体如下图所示。

表 1 EtherCAT 数据帧格式说明

表 2 EtherCAT 子报文定义

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。

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。

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。

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表 3 EtherCAT 主站控制器

图 5 EtherCAT 主站控制器系统框图

表 4 PCIe EtherCAT 主站通讯卡

图 6 PCIe EtherCAT 通讯卡