EtherCAT总线入门到精通教程

介绍

EtherCAT（以太网控制自动化技术，Ethernet for Control Automation Technology的缩写）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国倍福Beckhoff公司于2003研发推出，于2007年成为国际标准，并于2014年成为中国国家标准。

传统以太网设备收到一个数据帧后，需完整接收并解析，然后再转发。而 EtherCAT 从站则无需完整接收，而是在帧通过本设备时，直接读取或修改与自己相关的数据部分，然后立即转发出去。

这种"边读边写边转发"的模式，使得：

延迟极低（每个从站延迟约为 1μs 以下）。
延迟极低（每个从站延迟约为 1μs 以下）。
数据一致性高（循环周期可达 100μs 以下）。

EtherCAT 网络可连接多达65535个设备。单个EtherCAT帧最多可包含1498个字节。如果需要超过1498个字节，则主设备将发送多个数据帧，并且每个帧将包含标识符。

EtherCAT利用"On-the-fly"处理机制，只允许向所有节点发送一帧。EtherCAT主控制器组装帧并将其发送出去。在每个周期中，帧在网络中传播，在返回到主节点之前经过每个节点。帧包含从属节点的信息，包括寻址、EtherCAT命令类型（读、写或读写）和实际过程数据。当每个帧在网络中传输时，每个设备都会查找并提取寻址到它的数据，并在帧下行时将新数据插入帧中。当帧到达网络中的最后一个节点时，使用以太网的全双工功能将帧发送回主设备。

与其他通信总线性能对比

EtherCAT数据帧格式

EtherCAT帧消除了更大的协议栈，如UDP/IP或TCP/IP，这意味着EtherCAT不是一个基于IP的协议，更类似于第2层或数据链路层协议。

EtherCAT帧或电报由以太网标头组成，后跟EtherCAT数据，并以帧检查序列（FCS）结束。EtherCAT协议通过使用以太网头中EtherType字段中的0x88A4标识符进行识别。

数据帧组成

EtherCAT数据包含一个EtherCAT特定的头，后面跟着EtherCAT Datagram。EtherCAT标头指定后续EtherCAT数据报文的总长度和类型。EtherCAT头之后是EtherCAT数据报文，它包含将在网络中读取或写入的实际数据。这些数据包括地址规范、主机想要执行的命令类型（即读取、写入或读写）以及循环过程数据（PDO）。

EtherCAT数据直接嵌入在以太网数据帧中进行传输，只是采用了一种特殊的帧类型，该类型为0x88A4, EtherCAT数据帧结构如图所示：

EtherCAT数据包由EtherCAT头和EtherCAT数据两部分组成，EtherCAT头包含2个字节，EtherCAT数据里面可以只包含一个EtherCAT子报文，也可以包含多个子报文。一个EtherCAT子报文对应着一个从站，因此一个EtherCAT数据包可以操作多个EtherCAT从站，相应的数据长度在44-1498字节之间。

EtherCAT头

子报文结构定义

命令字段

子报文的寻址方式和读写方式由命令字段决定

命令码有如下类型：

Cmd（命令码）	Abbreviation（缩写）	Name（名称）	Description（描述）
0	NOP	空操作	从站忽略该命令。
1	APRD	自增读	从站递增地址。若接收到的地址为0，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报。
2	APWR	自增写	从站递增地址。若接收到的地址为0，从站向存储区域写入数据。
3	APRW	自增读写	从站递增地址。若接收到的地址为0，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报，并将新获取的数据写入同一存储区域。
4	FPRD	配置地址读	若从站地址与数据报中配置的地址匹配，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报。
5	FPWR	配置地址写	若从站地址与数据报中配置的地址匹配，从站向存储区域写入数据。
6	FPRW	配置地址读写	若从站地址与数据报中配置的地址匹配，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报，并将新获取的数据写入同一存储区域。
7	BRD	广播读	所有从站将存储区域的数据与EtherCAT数据报中的数据进行逻辑或运算，结果写入数据报。所有从站递增位置字段。
8	BWR	广播写	所有从站向存储区域写入数据。所有从站递增位置字段。
9	BRW	广播读写	所有从站将存储区域的数据与EtherCAT数据报中的数据进行逻辑或运算，结果写入数据报；所有从站向存储区域写入数据。BRW通常不使用。所有从站递增位置字段。
10	LRD	逻辑内存读	若接收到的地址匹配FMMU配置的读区域之一，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报。
11	LWR	逻辑内存写	若接收到的地址匹配FMMU配置的写区域之一，从站向自身存储区域写入数据。
12	LRW	逻辑内存读写	若接收到的地址匹配FMMU配置的读区域之一，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报；若接收到的地址匹配FMMU配置的写区域之一，从站向自身存储区域写入数据。
13	ARMW	自增读多写	从站递增地址字段。若接收到的地址为0，从站将读取的数据写入EtherCAT数据报；否则，向存储区域写入数据。

WKC 字段

Working Counter。如果成功寻址了EtherCAT设备，并且成功执行了读操作、写操作或读/写操作，则工作计数器将递增。

可以为每个数据报分配一个工作计数器值，该值是根据预期报文通过所有设备数来设置的。

通过将工作计数器的预期值与所有设备通过后的实际值进行比较，主站可以检查EtherCAT数据报是否已成功处理。

EtherCAT设备寻址方式

前面说了子报文的寻址方式和读写方式由命令字段决定的，命令字段值从0到13，寻址方式总结有4种：

自动递增寻址/位置寻址

位置寻址方式是根据从站的连接顺序，即物理位置实现的。

在报文头的32bit地址中，前16bit的Position用于存放地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。

报文每经过一个从站设备，其Position中的地址值加1。当一个从站接收到EtherCAT报文后，如果报文中的地址值为0，则该报文就是这个从站要要接收的报文。

在上图中，如果需要总线上第8个设备响应报文，则主站需要将报文的地址设为0xFFF9，当报文经过第1个从站时，地址为0xFFF9，不等于0，第1个从站不会响应报文，报文地址加1，变为0xFFFA。当报文经过第2个从站时，地址为0XFFFA，不等于0，第2个从站不会响应该报文，报文地址加1，变为0xFFFB。以此类推，当报文到达第8个从站时，此时地址值为0x0000，当前从站将接收报文。

位置寻址（Position Address / Auto Increment Address）只应在启动EtherCAT系统时用于扫描现场总线，以后只能偶尔使用以检测新连接的从站。如果由热连接或链接问题导致循环暂时关闭，使用位置寻址可能会出现问题。在这种情况下位置地址被移位，并且，如错误寄存器的值到设备的映射变得不可能，因此不能定位故障链路。

固定物理寻址/节点寻址

在启动阶段，主站通常采用自动递增寻址方式对总线上的从站进行寻址，之后采用固定物理寻址方式。

在报文中，报文头的32bit地址，前16bit的Address用于存放站点地址值，Offset用于存放ESC逻辑寄存器或者内存地址。

每个从站中站点地址保存在寄存器(0x0010) 中。

位置寻址时，主站可以对每个从站的站点地址进行设置，也可以直接读取每个从站的的站点地址。

节点寻址方式的优点是，每个从站的地址与其在总线中的位置无关。在添加/删除从站，甚至是改变总线拓扑结构的时候都能对从站进行正确的访问。

上图是节点寻址方式的示意图。8个从站的地址与其在总线中的位置并没有关系。出于直观的目的，4台伺服驱动器的地址被设置为连续的，4个I/O模块的地址被设置为连续的，在实际中并没有这样的要求。

EtherCAT从设备可以有两个配置的站点地址，一个由主站分配（Configured Station Address），另一个存储在SII EEPROM，并且可以由从站应用程序更改（Configured Station Alias address）。

配置站点地址由主站在启动期间分配，并且不能由EtherCAT从站更改。配置站别名地址存储在SIIEEPROM中，可由EtherCAT从站更改。配置的站别名必须由主站启用。如果节点地址（NodeAddress）与配置的站地址或配置的站点别名匹配，将执行相应的命令操作。

逻辑寻址

EtherCAT的第三种寻址方式是逻辑寻址，首先需要了解的是FMMU。

FMMU(Fieldbus Memory Management Units)称为总线内存管理单元，它存在与从站芯片ESC中，负责对从站物理地址与主站逻辑地址进行翻译并建立映射关系。主站在总线启动过程中对FMMU进行配置，内容包括：

复制代码

• 逻辑地址的起始地址
• 数据长度（按跨字节数计算）
• 逻辑地址的起始位
• 逻辑地址的终止位
• 从站物理地址的起始地址
• 从站物理地址的起始位
• 操作类型（只读、只写、读写）
• 使能

在报文中，使用报文头的32bit地址的全部，用来表示大小为4GB的逻辑地址空间。

以上图为例，FMMU将逻辑地址中0x00012345的bit2开始到0x00012346的bit2终止的区域，与从站物理地址中0x0010的bit0开始的区域进行映射。

当从站收到来自主站的报文时，会检查报文中的地址是否与FMMU中的地址相符，如果有，将根据操作类型进行读写操作。

这种寻址方式的优点是，在主站想对每个从站进行访问的时候，只需要对逻辑空间中的地址进行操作，而无须关心该地址对应的从站物理地址，减轻了主站的负担。

所有器件读取和写入相同的逻辑4 GB地址空间（EtherCAT数据报中的32位地址字段）。从器件使用映射单元（FMMU，现场总线存储器管理单元）将数据从逻辑过程数据映像映射到其本地地址空间。在启动期间，主器件配置每个从器件的FMMU。从站使用FMMU的配置信息知道逻辑过程数据映像的哪些部分必须映射到哪个本地地址空间。

逻辑寻址支持逐位映射。逻辑寻址是一种强大的机制，可以减少过程数据通信的开销，因此通常用于访问过程数据。

当从站设备收到的EtherCAT报文带有逻辑寻址标志位时，从站设备将检查自身是否有相应的FMMU单位地址与之匹配。

广播寻址

每个EtherCAT从站都被寻址。

使用广播寻址。如果从站的预期是相同的，用于所有从站的初始化和检查所有从站的状态。每个从器件具有一个16位Local地址空间：

复制代码

地址范围0x0000：0x0FFF专用于EtherCAT寄存器，
地址范围0x1000：0xFFFF用作过程数据RAM

通过EtherCAT数据报的偏移字段寻址，过程数据。

总结

EtherCAT使用三种方式对设备进行寻址，在启动过程中，使用顺序寻址方式为从站分配节点地址，然后通过节点寻址方式配置从站寄存器，将逻辑地址与从站物理地址进行映射，之后就可以使用逻辑寻址方式进行过程数据交换了。

EtherCAT 主站

EtherCAT Master，并不需要特殊的硬件，唯一要求简单的难以置信：一个以太网端口。实现 EtherCAT主站接口既可以使用板载以太网控制器，也可以使用成本低廉的标准网卡，无需专用的接口卡。这意味着，EtherCAT 主站设备仅使用标准的网卡就可以实现硬实时网络解决方案。

EtherCAT主站作为整个网络的控制中枢，其实现方案主要有三种：商业主站（如TwinCAT）、开源主站（如SOEM、IGH）以及自主开发。

运行于PC

etherCAT 主站软件PC端开发工具

方案	授权类型	支持系统	开发难度	实时性	典型应用场景
SOEM	开源免费	Windows/Linux	一般（用户态）	低	快速原型、轻量控制
IgH	开源免费	Linux	高（内核态）	中	工业 PC、实时 Linux
TwinCAT	商业	Windows	高（RT 扩展）	低	自动化产线、运动控制
EC-Master	商业	Windows/Linux	极高	中	中高端设备、机器人

嵌入式SOEM

SOEM（Simple Open EtherCAT Master）因其轻量级（核心代码仅约1.5万行）、模块化设计（清晰的OSAL/OSHW抽象层）和BSD许可证优势，成为嵌入式开发者的首选。当STM32H7 系列（480MHz主频，带硬件FPU）与SOEM结合时，可在200μs周期内稳定控制16个从站，满足大多数工业场景需求。

SOEM 是 Simple Open EtherCAT Master Library 的缩写，是瑞典 rt-lab 提供的一个开源 EtherCAT 主站协议库。 SOEM 库使用 C 语言编写，可以在 windows 以及 Linux 平台上运行，并也可以方便地移植到嵌入式平台上。

SOEM 支持 CoE ， SoE ， FoE 以及分布式时钟。 SOEM 直接将 EtherCAT 帧通过 MAC 发送和接收，因此它不支持 EoE 。 SOEM 库由若干模块组成，最底层提供硬件和操作系统抽象层，从而可以方便地将 SOEM 库移植到不同的系统平台上。

SOEM库采用分层设计，并且提供了一个抽象层，将SOEM协议栈与具体操作系统和硬件分开。抽象层由OSAL和OSHW两个模块组成，OSAL是操作系统抽象层，OSHW 是硬件抽象层，移植的主要内容就是对OSAL和OSHW具体API实现，在新的操作系统和硬件平台上的重写。

SOEM的层级架构如下图所示：

EtherCAT从站

EtherCAT从站设备使用成本低廉的EtherCAT从站控制器（ESC），ESC 可以是ASIC、FPGA或集成到有该协议标准的微控制器。

对于简单的EtherCAT从站设备甚至无需额外的微控制器，其输入/输出可直接与ESC连接。对于比较复杂的从站设备，微控制器性能会略微影响其通信性能，多数情况下，一个8位的微控制器就足够了。

EtherCAT从站控制器

倍福 ET1100

AX58100

集成PHY的EtherCAT从站控制器，内部包含9KB的双端内存。

EtherCAT Master 对ESC更新数据的时候，是硬件自动完成对9KB DPRAM的操作，无需MCU参与。MCU自己决定什么时候处理数据。

LAN9252

用STM32+LAN9252做etherCAT 运动控制从机方案

硬件选型

STM32选用带FPU/足够GPIO/定时器的型号（如STM32F407/STM32H743），LAN9252作为EtherCAT物理层/链路层芯片，负责EtherCAT帧的物理收发和链路层处理；

软件核心

基于开源EtherCAT从站协议栈（如SOEM、SimpleCAT），在STM32上实现EtherCAT从站状态机、PDO映射、同步管理（SM）、运动控制算法（如位置环/速度环PID）；

通信交互

LAN9252通过SPI与STM32通信，STM32解析EtherCAT帧中的运动指令（目标位置/速度），执行控制算法后反馈实际位置/速度给主站。

【STM32+LAN9252+HAL库】EtherCAT从站搭建保姆级教程

也可以使用 SSC_V5.11 来自动生成协议栈与XML文件,期间使用到了LAN9252的官方SDK文件 lan9252-pic32-sdk_v1.1 版本,网站有许多资源可以自行下载。流程可参考官方的 AN1916 文件。

创耀TR8253LC

EtherCAT芯片TR8253L替代LAN9252的可行性分析

Pin to Pin LAN9252、LAN9253、ET1100

先楫

HPM6E 高性能 HPM5E 性价比高都带ESC控制器

DPRAM/FMMU/SM

1. DPRAM - 双端口 RAM

官方解释：一块物理内存区域，同时被 EtherCAT 从站控制器（ESC）的内部逻辑和外部微处理器（MCU）访问。

通俗比喻： "共享工作白板"或"中转货架"。

这是整个数据交换的核心区域。它有两扇门：一扇门对着内部的"分拣流水线"（EtherCAT 网络），另一扇门对着外部的"办公室"（你的主控MCU）。

"双端口" 的精髓在于，物流车（数据帧）和办公室人员（MCU）可以同时、独立地访问这个白板上的不同区域，互不等待，速度极快。这是实现 EtherCAT 极高实时性的硬件基础。

核心作用：所有要和主站交换的实时数据（输入、输出）、以及非实时的配置邮箱数据，都放在这个共享区域里。

2. FMMU - 现场总线内存管理单元

官方解释：一种可配置的逻辑单元，用于将 EtherCAT 数据帧中的一段连续数据（"过程数据"）映射到 DPRAM 中的指定地址。

通俗比喻： "智能地址贴标员"或"数据导游"。

物流列车（数据帧）很长，里面装着给很多不同分拣中心（从站）的包裹。到了你这个分拣中心，FMMU 的作用就是：

看一眼运单（配置信息）：告诉它"从列车第X字节开始，取Y个字节"。

贴上内部地址标签：告诉分拣系统"把这Y个字节的包裹，给我放到咱们内部'共享白板'（DPRAM）的A号货架上"。

反之亦然：同样，它也知道如何把"共享白板"上B号货架的货物，精准地放到即将离开的列车（返回的数据帧）的Z位置。

核心作用：实现逻辑寻址。主站不需要知道每个从站内部DPRAM的具体物理地址，它只定义一段连续的逻辑地址空间。FMMU 负责完成"逻辑地址"到"本地物理地址"的转换，使得配置和通信变得非常灵活。

3. SM - 同步管理器

官方解释：用于管理 DPRAM 中特定数据区域的访问（读/写），控制主机（MCU）和从站控制器（ESC）之间的数据交换同步，并提供中断机制。

通俗比喻： "仓库管理员"+"信号灯"。

SM 守护着 DPRAM 中的一块特定区域（比如一个货架）。它有严格的规则：

防止冲突：当物流车（ESC）正在往这个货架放货时，它会亮起红灯，暂时阻止办公室人员（MCU）来取货，防止看到不完整的数据。反之亦然。

发出通知：当物流车完成放货（新数据就绪），SM 会立即敲一下铃或闪一下灯（产生中断），通知办公室人员："新货到了，快来处理！"。

区分货物类型：通常有多个SM（SM0, SM1, SM2, SM3），各自管理不同类型的"货架"：

邮箱通道（通常 SM0 写， SM1 读）：管理"非紧急信件"，如配置参数、诊断信息。通信有问有答，需要确认。

过程数据通道（通常 SM2 输出， SM3 输入）：管理"紧急生产物料"，即实时I/O数据。主站每个周期都定时发送和收取，不问不答，只管刷新。

核心作用：保证数据交换的完整性和同步性，并通过中断高效通知MCU，是稳定可靠通信的关键保障。

总结与联动关系

让我们把整个流程串起来，看一个输出信号（例如，主站控制从站上的一个LED亮灭）是如何完成的：

主站发出一个 EtherCAT 数据帧（物流列车），里面包含给无数从站的指令数据。

列车到达你的从站芯片。

FMMU 被提前配置好，它像导游一样，立刻从列车中指定的位置，把属于你的那几个字节（指令数据）取出来。

FMMU 把取出的数据，精准地放到 DPRAM（共享白板）中 SM2 所管理的那个区域（"输出货架"）。

SM2 发现"输出货架"有了新货物，立即亮起绿灯允许访问，并敲铃中断通知你的MCU。

MCU 被中断唤醒，通过另一扇门访问 DPRAM，从 SM2 管理的区域里读取到"LED亮"的指令。

MCU 执行指令，控制物理 LED 点亮。

（对于输入信号，如读取一个开关状态，流程则相反，数据通过 SM3 管理，由 FMMU 负责装车，发回给主站。）

简单记忆：

DPRAM：共享数据池，所有交换发生的地方。

FMMU：地址映射器，决定"网络数据"放在"数据池"的哪个位置。

SM：同步警卫+通知员，保证数据读写的安全，并及时通知MCU。

分布式时钟（DC）原理

EtherCAT主设备选择第一个具有分布式时钟功能的EtherCAT从站作为参考时钟，其他设备和控制器的从机时钟与之同步（一般不是与主设备同步，因为主设备可能就是普通的电脑，没有高精度的时间。但是从机都是专用芯片的）。通过使用分布式时钟，EtherCAT实时以太网协议能够在非常窄的容差范围内同步所有本地总线设备中的时间。

实现原理

主站会定期发送一个特殊的广播帧，该帧在经过每个从站时，都会被打上时间戳（记录过来和离开的本地时间）。

主站通过收集这些时间戳，可以精确计算出每个从站与参考时钟之间的传输延迟和时钟偏移。

每个从站根据主站下发的补偿值，动态调整自己的本地时钟，使其与参考时钟在数值上和相位上都保持一致。

如上图，主机发送一帧时间同步广播帧，此时从站1时间为1分1秒，从站2时间为2分2秒，从站3为3分3秒。

当广播帧到达从站1时记录时间为1分2秒，到达从站2时记录时间2分5秒（从站2的时间），到达从站3时记录时间3分9秒。接着数据帧往回传，回到从站2时记录时间2分11秒，回到从站1时时间1分12秒。

从站1回去的时间1分12秒减来时的时间1分2秒，等于10秒。也就是下面的传播路径耗时10秒。

从站2回去的时间2分11秒减来时的时间2分5秒，等于6秒。也就是下面的传播路径耗时6秒。

6秒除2就是从站2到从站3的时间。

10秒减6秒再除2就是从站1到从站2的时间。

主站获取到了每段的传输延时和参考时钟从站1的时间，就可以把补偿时间发给每个从站。把从站2的时间设置为1分3秒。把从站3的时间设置为1分6秒。所有从站达到时间同步。

采用Scope View长时间监视两个独立的设备，两设备间距300 个节点，线缆长度120米，时间抖动20ns内。

EtherCAT状态机

定义了五种状态：

Init // 应用层没有数据交互，主站对数据传输信息注册有同路
Pre-Operational // 应用层上的邮箱通信。没有过程数据交互
Safe-Operational // 应用层上的邮箱通信。过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输出置于Safe状态
Operational // 输入和输出都是有效的
Bootstrap // 定义了固件更新。是可选的，但是在固件必须要更新时推荐选择
// 只能和init进行状态间转换，没有过程数据通信，通过应用层的邮箱进行通信，根据需要的情况对邮箱进行配置，只能使用FoE协议。

CoE

CANopen over EtherCAT (CoE) 使用 CoE 协议，EtherCAT 可提供与 CANopen标准 EN 50325-4 相同的通信机制：包括对象字典、过程数据对象映像（PDO）以及服务数据对象（SDO），甚至相似的网络管理。因此，在已经实施了 CANopen 的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，而且绝大部分的 CANopen 固件甚至都能得以重复利用。可以突破 8 字节的 PDO 限制，并可使用 EtherCAT 增强的带宽资源实现整个对象字典的上传。

端口管理

一个从站控制器最多可以有4个端口，如果一个端口关闭了，控制器主动连接下一个端口。端口可以随着EtherCAT命令主动的打开或者关闭。逻辑端口设置决定了EtherCAT帧的处理和发送顺序。

EtherCAT网络拓扑

所有数据帧在网络中以一种"逻辑闭环"的方式传播，与网络的硬件拓朴无关，无论它是链式、菊花链、星形还是树形拓朴。

所有数据帧都由Master发出，以事前严格定义的顺序，依次经过网络上的所有从站，走过一个完整的闭环后回到Master 。

所有数据帧通过从站中的 EtherCAT Processing Unit （EtherCAT处理单元）只有 1 次。

线型拓扑：任意数目的设备成线型连接，最多65535个设备

数据处理链型拓扑

带有分支线的数据处理链型拓扑

树型拓扑

实时星型拓扑

冗余线缆

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口（无需专用网卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可（见图7）。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。

EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。

其他

EtherCAT 寻址

EtherCAT 通信的实现是通过由主站发送至从站的 EtherCAT 数据帧来完成对从站设备内部存储区的读写操作， EtherCAT 报文对 ESC 内部存储区有多种寻址操作方式，从而可以实现多种通信服务。EtherCAT 段内寻址有设备寻址和逻辑寻址两种方式。

设备寻址是面对一个从站进行读写操作。

逻辑寻址是面向过程的数据操作，实现同一报文读写多个从站设备的多播功能。

具备全部寻址方式的从站称为完整性从站，只具备部分寻址方式的从站则称为基本从站。