[EtherCAT]对象字典从0x1000到0xFFFF功能分区详解——2026.02.09

文章目录

前言：对象字典在EtherCAT协议栈中的定位
一、对象字典整体架构与寻址模型
- [1.1 分层架构图](#1.1 分层架构图)
- [1.2 寻址空间详细划分](#1.2 寻址空间详细划分)
- - [EtherCAT 对象字典索引分配表](#EtherCAT 对象字典索引分配表)
二、通信区域深度解析 (0x1000 - 0x1FFF)
- [2.1 核心通信对象详解](#2.1 核心通信对象详解)
- [2.2 PDO映射与分配机制](#2.2 PDO映射与分配机制)
三、模块化设备配置文件(MDP)区域 (0x6000 - 0xAFFF)
- [3.1 MDP核心概念](#3.1 MDP核心概念)
- [3.3 各功能区域详细定义](#3.3 各功能区域详细定义)
[四、设备区域 (0xF000 - 0xFFFF) ------ 模块元数据](#四、设备区域 (0xF000 - 0xFFFF) —— 模块元数据)
- [4.1 关键对象详解](#4.1 关键对象详解)
五、PDO数据流与SyncManager映射
- [5.1 完整数据流向图](#5.1 完整数据流向图)
- [5.2 SyncManager物理寄存器映射](#5.2 SyncManager物理寄存器映射)
- [5.3 PDO配置流程详解](#5.3 PDO配置流程详解)
六、数据类型定义与编码
- [6.1 基础数据类型表](#6.1 基础数据类型表)
- [6.2 复合数据类型构造](#6.2 复合数据类型构造)
七、EtherCAT状态机(ESM)与OD访问权限
- [7.1 ESM状态与OD访问关系](#7.1 ESM状态与OD访问关系)
- [7.2 状态转换时的OD行为](#7.2 状态转换时的OD行为)
参考文档：

前言：对象字典在EtherCAT协议栈中的定位

EtherCAT协议采用OSI分层模型 的精简实现，对象字典(Object Dictionary, OD)位于应用层(Application Layer)，直接构建在**数据链路层(DLL)**之上。理解OD必须先理解其与底层硬件的关系：

ESC (EtherCAT Slave Controller)：处理数据链路层，管理SyncManager (SM)、FMMU、DC时钟
OD (Object Dictionary)：存在于从站微控制器(μC)中，通过邮箱通信(MB)与主站交互
CoE (CANopen over EtherCAT)：基于OD的通信协议，支持SDO(服务数据对象)和PDO(过程数据对象)

对象字典不仅是数据存储表 ，更是设备能力的元数据描述。主站在启动阶段通过SDO读取OD(特别是0x1000-0x1FFF区域)来识别设备能力，在运行阶段通过PDO(映射到0x6000-0x7FFF)进行实时数据交换。

一、对象字典整体架构与寻址模型

EtherCAT 对象字典采用**16位索引(Index) + 8位子索引(Sub-index)**的寻址方案，理论最大寻址空间为 65536 × 256 = 16777216 个条目。

1.1 分层架构图

EtherCAT Object Dictionary
0x0000 - 0xFFFF
通信层

Communication Area
0x1000 - 0x1FFF
制造商特定层

Manufacturer Specific
0x2000 - 0x5FFF
模块化设备层

Modular Device Profile
0x6000 - 0xAFFF
设备特定层

Device Area
0xF000 - 0xFFFF
设备身份
0x1000-0x1018
PDO映射定义
0x1600-0x1BFF
PDO分配
0x1C12-0x1C13
诊断历史
0x10F3
输入区 Tx
0x6000-0x6FFF
输出区 Rx
0x7000-0x7FFF
配置区 R/W
0x8000-0x8FFF
信息区 RO
0x9000-0x9FFF
诊断区 RO
0xA000-0xAFFF
模块索引增量
0xF000
模块数量
0xF010
模块配置文件
0xF030

1.2 寻址空间详细划分

EtherCAT 对象字典索引分配表

索引范围 (十进制)	十六进制范围	功能类别	访问特性	协议规范
0x0000-0x0FFF	0x0000-0x0FFF	保留/数据类型定义	只读	CoE 基础
0x1000-0x1FFF	0x1000-0x1FFF	通信对象区域	混合	ETG.1000.6
0x2000-0x5FFF	0x2000-0x5FFF	制造商特定参数	厂商定义	厂商规范
0x6000-0x6FFF	0x6000-0x6FFF	输入区 (Input Area)	只读，可映射	ETG.5001
0x7000-0x7FFF	0x7000-0x7FFF	输出区 (Output Area)	读写，可映射	ETG.5001
0x8000-0x8FFF	0x8000-0x8FFF	配置区 (Configuration)	读写，不可映射	ETG.5001
0x9000-0x9FFF	0x9000-0x9FFF	信息区 (Information)	只读，不可映射	ETG.5001
0xA000-0xAFFF	0xA000-0xAFFF	诊断区 (Diagnosis)	只读，不可映射	ETG.5001
0xB000-0xEFFF	0xB000-0xEFFF	保留区域	-	未来扩展
0xF000-0xFFFF	0xF000-0xFFFF	设备区域 (Device Area)	只读	ETG.5001

二、通信区域深度解析 (0x1000 - 0x1FFF)

通信区域是设备的"数字身份证"和"通信能力表"。主站在Pre-Operational状态通过SDO读取此区域来完成设备枚举和配置。

2.1 核心通信对象详解

0x1000 - 设备类型 (Device Type)
数据结构：

Sub-index 0: UINT32，设备类型编码
- 低16位：设备配置文件号(如0x0192=402表示伺服驱动)
- 高16位：附加功能标志
  示例： 0x00020192 表示基于CiA402的伺服驱动器，带MDP支持。
  0x1018 - 身份对象 (Identity Object)

强制子索引结构：

子索引	名称	数据类型	说明
0x00	条目数	USINT	通常为4
0x01	Vendor ID	UDINT	厂商唯一标识(如0x00000002为Beckhoff)
0x02	Product Code	UDINT	产品型号编码
0x03	Revision Number	UDINT	高16位主版本，低16位次版本
0x04	Serial Number	UDINT	设备序列号

0x10F3 - 诊断历史 (Diagnostic History)

用于记录设备运行中的故障和事件，支持环形缓冲区管理。

最大条目数由Sub-index 0x00定义
每条诊断记录包含：错误代码、时间戳、错误描述

2.2 PDO映射与分配机制

EtherCAT支持动态PDO映射，这是与标准CANopen的重要区别。映射分为两个层级：

第一层：PDO映射对象 (0x1600-0x1BFF)

定义PDO数据包中包含哪些OD条目。

0x1600-0x17FF (RxPDO映射 - 主站到从站)：

每个索引代表一个RxPDO映射配置
子索引0：映射条目数(0-64)
子索引1-n：映射条目，格式为0xIISSLLMM
- II: 索引高字节
- SS: 子索引
- LL: 对象长度(位)
- MM: 索引低字节

示例：条目值 0x70001020 表示映射对象0x7010的子索引0，长度32位。

第二层：PDO分配对象 (0x1C12/0x1C13)

定义哪些PDO映射实际激活并分配到SyncManager。

0x1C12 - RxPDO分配 (分配到SM2)：

c 复制代码

Sub-index 0: 分配的PDO数量(n)
Sub-index 1: 第一个RxPDO映射索引(如0x1600)
Sub-index 2: 第二个RxPDO映射索引(如0x1601)
...
Sub-index n: 第n个RxPDO映射索引

0x1C13 - TxPDO分配 (分配到SM3)：

结构同0x1C12，指向0x1A00-0x1BFF范围的TxPDO映射。

关键规则：

简单设备(Simple Device)：PDO映射固定，可不支持0x1C12/0x1C13

复杂设备(Complex Device)：必须支持通过SDO写入0x1C12/0x1C13进行动态PDO配置

三、模块化设备配置文件(MDP)区域 (0x6000 - 0xAFFF)

MDP是EtherCAT设备建模的核心创新，允许将物理上或逻辑上独立的模块(Module)组织到统一的OD结构中。

3.1 MDP核心概念

模块(Module)：具有独立功能的最小单元，如：

一个8通道数字输入模块
一个4通道模拟输出模块
一个温度控制回路

索引增量规则：

IndexIncrement = 16：每个模块在各区占用16个连续索引
PdoIncrement = 1：每个模块分配1个RxPDO和1个TxPDO
最大模块数：理论最大256个(0x6000-0x6FFF范围/16)，实际受设备限制

3.2 MDP模块化结构图
模块化设备对象字典结构
Module n (索引基址: n*16)
0x6nn0-0x6nnF

输入区
0x7nn0-0x7nnF

输出区
0x8nn0-0x8nnF

配置区
0x9nn0-0x9nnF

信息区
0xAnn0-0xAnnF

诊断区
0x16nn

RxPDO映射
0x1Ann

TxPDO映射
Module 1 (索引基址: 16)
0x6010-0x601F

输入区
0x7010-0x701F

输出区
0x8010-0x801F

配置区
0x9010-0x901F

信息区
0xA010-0xA01F

诊断区
0x1601

RxPDO映射
0x1A01

TxPDO映射
Module 0 (索引基址: 0)
0x6000-0x600F

输入区
0x7000-0x700F

输出区
0x8000-0x800F

配置区
0x9000-0x900F

信息区
0xA000-0xA00F

诊断区
0x1600

RxPDO映射
0x1A00

TxPDO映射

3.3 各功能区域详细定义

输入区 (0x6000 - 0x6FFF) ------ 过程数据上传

访问属性：只读(Read-only)，可映射到TxPDO
功能：存储从站采集的输入数据(传感器值、状态字等)
映射方向：从站 → 主站(TxPDO)
典型对象 ：
- 0x6000: 数字输入通道1-8状态
- 0x6001: 模拟输入通道1原始值
- 0x6002: 模拟输入通道1滤波后值

输出区 (0x7000 - 0x7FFF) ------ 过程数据下载

访问属性：读写(Read-writeable)，可映射到RxPDO
功能：存储主站下发的控制指令(设定值、控制字等)
映射方向：主站 → 从站(RxPDO)
典型对象 ：
- 0x7000: 控制字(启动/停止/复位)
- 0x7001: 速度设定值
- 0x7002: 位置设定值高位

配置区 (0x8000 - 0x8FFF) ------ 参数设置

访问属性：读写，通常不可映射
功能：设备工作参数，仅在非运行状态下修改
访问方式：通过SDO在Pre-Operational状态配置
典型对象 ：
- 0x8000: 传感器量程上限
- 0x8001: 传感器量程下限
- 0x8002: PID控制器增益系数

信息区 (0x9000 - 0x9FFF) ------ 静态信息

访问属性：只读，通常不可映射
功能：设备描述信息(型号、版本、校准日期)
典型对象 ：
- 0x9000: 传感器型号字符串
- 0x9001: 固件版本号
- 0x9002: 上次校准时间戳

诊断区 (0xA000 - 0xAFFF) ------ 故障与告警

访问属性：只读，通常不可映射
功能：实时诊断数据(错误码、警告标志、运行时间)
典型对象 ：
- 0xA000: 当前错误寄存器
- 0xA001: 警告状态字
- 0xA002: 设备运行小时数

四、设备区域 (0xF000 - 0xFFFF) ------ 模块元数据

设备区域存储描述MDP结构本身的元数据，告诉主站"这个设备有多少模块、每个模块是什么类型"。

4.1 关键对象详解

0xF000 - 模块索引增量 (Module Index Increment)

数据类型 ： UINT16
默认值 ： 16
功能：定义每个模块占用的索引数量。虽然标准推荐16，但某些高密度模块可能使用不同值。

计算示例：

c 复制代码

模块n的输入区起始索引 = 0x6000 + (n × 0xF000值)
模块n的输出区起始索引 = 0x7000 + (n × 0xF000值)

0xF010 - 模块数量 (Number of Modules)

数据类型 ： UINT16
功能：指示当前设备包含的模块总数(1-256)。

0xF030 - 模块配置文件列表 (Module Profile List)
结构：数组，每个条目对应一个模块的配置文件号
数据格式： 32位无符号整数(UINT32) \

Bit 0-15: 设备配置文件号(Device Profile Number)
- 5001: 通用MDP设备
- 5003: 半导体设备
- 6010: 伺服驱动

Bit 16-31: 模块配置文件号(Module Profile Number)

2020: 质量流量控制器(Mass Flow Controller)
2030: 温度控制器

示例： 0x20205003 表示基于ETG.5003的半导体设备，具体为质量流量控制器模块。

0xF050 - PDO增量 (PDO Increment)
数据类型 ： UINT16
默认值 ： 1
功能：定义每个模块分配的PDO数量。标准MDP为每模块1个RxPDO和1个TxPDO。

五、PDO数据流与SyncManager映射

理解OD必须结合ESC硬件的SyncManager机制。OD中的PDO配置最终要落实到ESC的物理寄存器。

5.1 完整数据流向图

从站侧 EtherCAT SubDevice
主站侧 EtherCAT MainDevice
微控制器

μC / Application Layer
ESC芯片 ET1100/AX58100
SyncManager管理

写入速度设定值 2. 封装EtherCAT帧 3. 物理信号 4. on-the-fly处理 5. 写入物理内存 6. 数据拷贝 7. 读取0x7000-0x7FFF 8. 写入传感器数据 9. 数据拷贝 10. 读取请求 11. 插入数据到返回帧 12. 返回帧 13. 解析数据 14. 更新输入映像配置阶段: SDO写
邮箱中断
更新PDO映射
主站应用层

PLC程序
EtherCAT主站驱动

SOEM/TwinCAT
以太网接口

Port 0
Port 0

IN
EtherCAT处理单元

EPU
SM2

0x0810-0x0817

RxPDO缓冲

3-buffer模式
SM3

0x0818-0x081F

TxPDO缓冲

3-buffer模式
SM0

邮箱输出
SM1

邮箱输入
FMMU0

逻辑-物理映射
FMMU1

逻辑-物理映射
Port 1

OUT
Port 2
Port 3
OD通信区

0x1000-0x1FFF
OD过程数据区

0x6000-0x7FFF
EtherCAT状态机

ESM
应用逻辑

控制算法

5.2 SyncManager物理寄存器映射

PDO分配对象(0x1C12/0x1C13)最终配置到ESC的以下寄存器：

SyncManager	物理起始地址	长度寄存器	控制寄存器	方向	PDO分配对象
SM2	0x0810-0x0813	0x0812-0x0813	0x0804-0x0807	输出	0x1C12
SM3	0x0818-0x081B	0x081A-0x081B	0x080C-0x080F	输入	0x1C13

寄存器位定义(以SM2控制寄存器0x0804为例)：

Bit 0-1: 操作模式(00=1-buffer, 01=3-buffer, 10=邮箱)
Bit 2: 方向(0=输出/写, 1=输入/读)
Bit 3: 中断使能
Bit 4-5: 看门狗控制
Bit 6: 重复请求禁止

5.3 PDO配置流程详解

步骤1：主站读取设备能力(Pre-Op状态)

主站读取0x1000确认设备类型
读取0x1600-0x17FF和0x1A00-0x1BFF获取可用PDO映射列表
读取0xF010获取模块数量(如为MDP设备)

步骤2：配置PDO映射

主站通过SDO写入0x1C12子索引0，设置为0(禁用RxPDO)
写入0x1600等映射对象，定义具体映射条目
写入0x1C12子索引1-n，激活所需PDO映射
写入0x1C12子索引0，设置为n(激活数量)

步骤3：验证与启动

主站读取0x1C12/0x1C13验证配置
主站发送OP命令(0x0120寄存器写入8)，设备进入Operational状态
过程数据开始通过PDO交换，不再占用邮箱带宽

六、数据类型定义与编码

OD中的每个对象都有明确的数据类型定义，存储在0x0000-0x0FFF区域(数据类型区)。

6.1 基础数据类型表

索引	类型名称	大小	说明	应用示例
0x0001	BOOL/BIT	1 bit	布尔值	数字输入状态
0x0002	SINT	8 bit	有符号整数	温度偏移量
0x0003	INT	16 bit	有符号整数	速度设定值
0x0004	DINT	32 bit	有符号双整数	位置设定值
0x0005	USINT	8 bit	无符号整数	设备地址
0x0006	UINT	16 bit	无符号整数	状态字
0x0007	UDINT	32 bit	无符号双整数	序列号
0x0008	REAL	32 bit	单精度浮点	模拟量值
0x0009	STRING(n)	n×8 bit	字符串	设备名称
0x000A	ARRAY of BYTE	n×8 bit	字节数组	原始数据块
0x000B	ARRAY of UINT	n×16 bit	字数组	多通道模拟量
0x0011	LREAL	64 bit	双精度浮点	高精度位置
0x0015	LINT	64 bit	64位有符号整数	大计数器值
0x001B	ULINT	64 bit	64位无符号整数	运行时间
0x001E	BYTE	8 bit	字节	位掩码
0x001F	WORD	16 bit	字	状态寄存器
0x0020	DWORD	32 bit	双字	错误码
0x0260	ARRAY of INT	n×16 bit	整型数组	多轴设定值
0x0261	ARRAY of SINT	n×8 bit	短整型数组	多通道配置
0x0262	ARRAY of DINT	n×32 bit	双整型数组	多轴位置

6.2 复合数据类型构造

复杂设备可定义自定义数据结构：

复制代码

示例：伺服驱动器控制字结构(0x6040)
- Bit 0: 启动(Switch on)
- Bit 1: 使能电压(Enable voltage)  
- Bit 2: 快速停止(Quick stop)
- Bit 3: 使能运行(Enable operation)
- Bit 4-6: 操作模式特定
- Bit 7: 故障复位(Fault reset)
- Bit 8: 暂停(Halt)

七、EtherCAT状态机(ESM)与OD访问权限

对象字典的访问权限随EtherCAT状态机(EtherCAT State Machine, ESM) 的状态变化而变化。

7.1 ESM状态与OD访问关系

上电
0x0120=2

主站请求
0x0120=4

配置完成
0x0120=8

主站允许运行
0x0120=4

停止运行
0x0120=2

重新配置
0x0120=1

复位
Init
PreOp
SafeOp
Op
无通信

仅可访问0x1000-0x1FFF

进行硬件初始化
邮箱通信可用(SDO)

可配置0x1C12/0x1C13

可读写0x8000-0x8FFF配置区

PDO映射配置阶段
过程数据通信可用

输入数据有效(0x6000-0x6FFF)

输出数据为安全状态(0x7000-0x7FFF不生效)

验证阶段
完全运行

输入输出数据均有效

实时控制阶段

禁止修改0x1C12/0x1C13

7.2 状态转换时的OD行为

Init → Pre-Operational：

从站初始化ESC寄存器
主站通过SDO读取0x1000-0x1FFF识别设备
可读写配置区(0x8000-0x8FFF)设置工作参数

Pre-Operational → Safe-Operational：

主站配置0x1C12/0x1C13分配PDO
主站配置FMMU映射逻辑地址
从站应用层开始更新输入数据(0x6000-0x6FFF)
输出数据(0x7000-0x7FFF)仍由从站本地控制

Safe-Operational → Operational：

输出数据(0x7000-0x7FFF)开始接收主站PDO数据
设备进入实时控制循环
限制：此时禁止通过SDO修改PDO映射(0x1C12/0x1C13只读)

错误处理：

任何状态检测到错误，从站写入0x0134(AL Status Code)错误码
设置0x0130(AL Status)错误标志
主站可通过SDO读取0x10F3诊断历史

参考文档：

ETG.1000.4 - EtherCAT技术规范：数据链路层服务定义
ETG.1000.6 - EtherCAT技术规范：应用层服务定义
ETG.5001.1 - 模块化设备配置文件(MDP)通用设备模型
ETG.5003 - 半导体设备配置文件
ETG.6010 - CiA402驱动器实施指南