一.EtherCAT 協(xié)議

EtherCAT 是由德國 BECKHOFF 自動化公司于 2003 年提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用標準以太網(wǎng)器件和串行轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實現(xiàn)，已成為工業(yè)以太網(wǎng)的主流技術(shù)之一，獲得廣泛應(yīng)用． 目前 EtherCAT已經(jīng)成為國際標準 IEC 61158，IEC 61784-2，ISO 15745-4［2］． EtherCAT 采用主從式控制結(jié)構(gòu)，主站配置標準的 100Base-TX 以太網(wǎng)卡，從站采用專用芯片．

圖 1 為 EtherCAT 基本運行原理． 主站發(fā)出下行報文遍歷所有從站設(shè)備，每個從站在報文經(jīng)過時從中讀取主站發(fā)給本站的數(shù)據(jù)，再將本站返回給主站的數(shù)據(jù)寫入指定的報文，然后傳遞報文給下一個從站，最后一個從站把經(jīng)過完全處理的報文做為上行報文返回發(fā)送給主站，主站收到上行報文后，處理返回數(shù)據(jù)，一次通信結(jié)束。

 

圖1EtherCAT 運行原理

EtherCAT 幀結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，EtherCAT 數(shù)據(jù)幀使用以太網(wǎng) V2 格式的 MAC 幀，包含幀檢驗序列( FCS，F(xiàn)rame Check Sequence) 以 太 網(wǎng) 類 型 為0x88A4［4］． EtherCAT 數(shù)據(jù)幀包含 EtherCAT 子報文，各子報文結(jié)構(gòu)相同，因此本文將 EtherCAT 子報文稱為重復(fù)報文，重復(fù)報文中包含一個重復(fù)終止標志，即 EtherCAT 的“M”字段． 表 1 所示為“子報文”字段以下所有各子葉字段的長度和含義．

 

圖2 EtherCAT 幀結(jié)構(gòu)

二.數(shù)據(jù)偵聽器和協(xié)議解析器結(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)偵聽器和協(xié)議解析器用于以太網(wǎng)故障診斷和協(xié)議分析，是工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備開發(fā)和維護的重要工具，它們組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示．

 

圖 3 偵聽器和解析器構(gòu)成

三.EtherCAT的拓撲結(jié)構(gòu)

EtherCAT拓撲結(jié)構(gòu)非常靈活支持多種拓撲類型，比如:線形、樹形、星形以及菊花鏈等各種物理拓撲以及各種拓撲結(jié)構(gòu)的組合,從而提高了不同場合布線的靈活性。其中最有效的布線方式是由分支形、線形或樹形進行組合.如圖

 

圖4 拓撲結(jié)構(gòu)種類科普

選用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線的靈活性。靈活經(jīng)濟的標準以太網(wǎng)可通過快速以太網(wǎng)模式（100BASE-TX）或LVDS傳輸信號。100BASE-TX電纜的物理層允許設(shè)備之間的最大長度為100M而的物理層只能保障10M的傳輸間距適合于近距離站點的連接.

 

圖5 EtherCAT拓撲結(jié)構(gòu)

四.EtherCAT協(xié)議的應(yīng)用

應(yīng)用層是EtherCAT協(xié)議最高的一個功能層，它主要負責完成主站狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換，定義控制程序和網(wǎng)絡(luò)交互的接口，提供了郵箱通信的接口，使符合此應(yīng)用層協(xié)議的應(yīng)用程序可以協(xié)同工作。應(yīng)用層支持的協(xié)議有 CANopen、用于文件的上傳和下載的FOE協(xié)議，以及用于伺服驅(qū)動器控制的實時數(shù)據(jù)通信協(xié)議SOE等。

（1）FOE：文件傳輸協(xié)議，類似于TFTP，實現(xiàn)簡單。

（2）EOE：支持IP標準的協(xié)議，TCP/IP.UDP/IP和其他一些高層協(xié)議（HTTP和FTP等），從而擴大了EtherCAT的應(yīng)用范圍。

（3）SOE

（4）COE