EtherCAT EOE移植及上手说明-优快云博客

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EtherCAT介绍

EtherCAT状态机制

ESM (EtherCAT state machine)是用来在启动或者工作时协调主站和从站关系用的，由应用层控制器将从站应用的状态写入AL状态寄存器，主站通过写AL控制寄存器进行状态请求。因此从逻辑上说，ESM位于EtherCAT从站控制器与应用之间。

如下所示，它包含 EtherCAT状态转换的过程。

运行状态	描述
Initial	初始化状态
Pre-Operational	预运行状态
Safe-Operational	安全运行状态
Operational	运行状态

初始状态（Init）

此时应用层无通信，没有邮箱通信也没有过程数据通信

转换到预工作状态（Init to Pre-Op）

主站配置地址和SM，用于进行邮箱通信；同时主站请求向Pre-Op模式转换；接着从站检查邮箱是否初始化正确

安全工作状态（Safe-Op）

在这一阶段，从站应用程序将传输实际输入数据，此时主站并不对从站输出进行操作，并将输出模式设为安全状态

转换到工作状态（Safe Op to Op）

这一阶段主站开始发送有效的输出数据，同时请求向工作模式转换

工作状态（Op）

此时主站的输入和输出均有效，可以进行过程数据的通信

Bootstrap状态

此外还有个Bootstrap状态，该状态作为可选项，一般是在固件更新时使用，该状态只允许从初始状态切换到该状态，在此状态期间是没有过程数据通信的，一般是用于FOE协议文件传输或固件升级的

下面是具体的一些状态转换，此处不再说明

状态转换	描述
IP	启动邮箱通讯
PI	停止邮箱通讯
PS	启动输入更新
SP	停止输入更新
SO	启动输出更新
OS	停止输出更新
OP	停止输入输出更新
SI	停止输入更新，停止邮箱通讯
OI	停止输入输出更新，停止邮箱通讯
IB	启动bootstrap模式
BI	重启节点

EtherCAT寻址

EtherCAT通信是指主设备从EtherCAT从设备的内部闪存读取和写入数据，通常来说有两种寻址方式来控制内部的ESC寄存器：

1）设备寻址

在设备寻址时，EtherCAT子报文头内的32位地址分为16位从站设备地址和16位从站设备内部物理存储空间地址。设备寻址时，每个报文只寻址唯一的一个从站设备，但对于寻址机制又分为两种：

顺序寻址：使用顺序寻址时，从站的地址由其在网段内的连接位置确定，用一个负数来表示每个从站在网段内由接线顺序决定的位置。顺序寻址子报文在经过每个从站设备时，其顺序地址加1，从站在接收报文时，顺序地址位0的报文就是寻址到自己的报文，因此这种寻址机制也被称为“自动增量寻址”；

例如：主站发起三个子报文分别去寻址三个从站，其中地址分别为0，-1，-2，如上图中的数据帧1，数据帧在到达从站1时，从站1检查到子报文1中的地址为0，从而得知子报文1就是寻址到自己的报文，数据帧经过从站1后，所有的顺序地址都增加1，称为1，0，-1，以此类推...

在设置寻址时，从站的地址与其在网段内的连接顺序无关，地址可以由主站在数据链路层启动阶段配置EtherCAT ID给从站；也可以由从站在上电初始化时从自身的EEPROM内部读取EtherCAT ID进而分配地址。

2）逻辑寻址

前面讲的设备寻址一般来说只针对某一从站进行读写操作，并且是在扫描阶段去使用的，相对与逻辑寻址来说并不常见。逻辑寻址面向过程数据，可以实现多播，同一个子报文可以读取多个从站设备。

在逻辑寻址时，从站地址并不是单独定义的，而是使用了寻址段内4G逻辑地址空间中的一段区域，报文内的32位地址作为整体的数据逻辑地址完成对设备的逻辑寻址。

而谈到逻辑寻址，需要了解FMMU（现场总线内存管理单元），逻辑寻址由FMMU实现，在ESC（从站控制器），主要负责逻辑地址与物理地址的映射，用于将过程数据映射到主站，从而减轻主站的存储器管理负担。

当从站设备收到一个数据逻辑寻址的EtherCAT子报文时，会检查是否由FMMU单元地址匹配，如果有的话，就会将输入类型数据插入至EtherCAT子报文数据区的对应位置。

EtherCAT从站同步模式

EtherCAT从站同步模式主要分为以下几种：

(1)自由运行模式（Free Run Mode）

在此模式下，从站设备独立于主站运行，内部没有同步到任何外部信号。设备的周期性操作由内部时钟或定时器控制，通常用于非实时要求的应用场景。

(2)分布式时钟模式（Distributed Clocks，DC）

分布式时钟是 EtherCAT 的关键同步机制之一，广泛用于需要高精度同步的场景。在 DC 模式下，所有 EtherCAT 从站通过一个参考时钟（通常由主站或某个从站提供）实现时间同步。每个从站都会调整其内部时钟，使所有设备在微秒级别内同步。此模式适用于需要精确协调多个设备动作的应用，例如运动控制。