转自知乎“智能制造之家“ 工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析 _以太

原文:
一、概述
（ for）是一种基于以太网的开发构架的实时工业现场总线通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司(GmbH) 研发。它于2003年被引入市场，于2007年成为国际标准，并于2014年成为中国国家标准。的出现为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准。
的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3) 。
二、原理
技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。是一种实时以太网技术，由一个主站设备和多个从站设备构成。主站可以使用标准网卡实现，从站选用特定的从站控制器ESC（ Slave ）或者FPGA实现。报文（标准的ISO/IEC 8802-3以太网帧）由主站设备发出，途经各个从站设备，从站设备在报文经过时进行提取或插入数据。当报文到达网段内最后一个从站设备时再反方向传输，最后由第一个从站设备把收集到的信息返回到主站设备。
图2.1 过程数据插入至报文中
三、拓扑
支持总线型、树型或星型等多种拓扑结构。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机，还可以使用基于以太网的星型拓扑结构。系统最多可容纳65535个设备，因此整个网络规模几乎是无限制的。
采用不同的传输电缆可以最大限度地发挥布线的灵活性。灵活而价格低廉的标准以太网插接电缆可通过以太网模式()或通过E总线来传输信号。光纤(PFO)可以用于特殊的应用场合。以太网带宽（如不同的光缆及铜缆）可以结合交换机或媒介转换器使用。快速以太网的物理特性可以使设备之间的距离达到100米，而E-bus只能保障10米的间距。快速以太网或 E-bus可以按照距离要求进行选择。
图3.1 灵活的拓扑结构
四、协议格式介绍 4.1以太网
【转自知乎“智能制造之家“工控协议解读之EtherCAT协议硬核分析】数据可以使用标准的IEEE 802.3以太网数据帧传输，格式如图4.1所示，由以太网头、帧和FCS（帧校验）组成。
图4.1
4.1.1以太网帧头
Dest Mac和Src Mac分别表示接收方MAC地址、发送方MAC地址，VLAN Tag为可选字段，可以省略，值为IEEE 802.1规定的 0x81,0x00和2字节标签控制信息.Ether Type值为，表示协议。
4.1.帧
帧格式如图4.2所示，分为头和数据两个部分。

文章插图
图4.2
头：
字段值为数据的长度，Res为保留位，Type值的不同后续数据格式也不相同，值可以取：
： DLPDU
：变量
：邮箱
数据（主要介绍 DLPDU）：
数据如图4.3所示，由多个子报文组成，每个子报文由子报文头、数据和WKC构成。
图4.3
子报文头：
数据：
数据的类型根据Cmd和这个字段确定。前16bit代表从站地址，后16bit代表寄存器地址，当Cmd为逻辑寻址类型时，整个32bit代表逻辑地址。寄存器地址大于，考虑是否为邮箱数据，邮箱数据在从站中的地址为SM0-SM1，SM0起始位置为，SM2-SM3属于FMMU（总线内存管理单元），只能逻辑地址访问。
WKC：
WKC（工作计数器）初始值由主站设置为0，当子报文经过从站时会对WKC进行增加，增加的数值根据Cmd的不同有所区别。当数据帧返回主站后，主站设备会根据WKC的值来判断报文是否被正确处理。