原创 EtherCAT从站设计中的重要事项和关键观念（一）

    各位，好久不见，说来惭愧，小编已经有好几个月没分享过文章了，最近小编了解了一些关于EtherCAT协议的知识和市场，发现EtherCAT这一工业以太网技术在国内也已经开始应用起来了，尤其在速度和精度有高要求的场合，EtherCAT技术更有着它独一无二的特点和优势。国内的几大运动控制厂商也正为他们的运动控制产品升级EtherCAT技术，可以说，EtherCAT绝对是运动控制的未来，更是工业4.0概念下的完美体现。

    小编今天分享的这篇文章，是关于EtherCAT从站开发与设计的，对于那些刚接触EtherCAT，或打算开发EtherCAT设备的工程师来说，可以帮你快速地扫盲和上手。而对于那些非常熟悉EtherCAT的高级开发工程师来说，本文提到的方案也可以给您做一个参考，提高开发效率，缩短开发周期。

EtherCAT从站设计中的重要事项和关键观念（一）

一般从站包括以下三个核心部分：

物理层：网口

数据链路层：有EtherCAT 从站控制器ESC（这是通讯模块）和EEPROM。

应用层：有主控制器或者说应用控制器或微控制器uC（即比如DSP28346或者F407之类的）。

ESC即EtherCAT从站控制器可以通过FPGA(Field Programmable Gate Array)或者ASIC (Application Specific Integrated Circuit)来完成。

EtherCAT通讯的速度和性能与主控制器（比如DSP28346）软件程序的性能 互不影响。

关于PDI：ESC上的PDI- Process Data Interface过程数据接口有这几种情况：

i. Up to 32 Bit digital I/O ：32位的数字量IO

ii. Serial Peripheral Interface (SPI) ：SPI总线

iii. 8/16-bit synchronous/asynchronous Microcontroller Interface (MCI) ：8/16位的同步/异步微控制器接口MCI

iv. With FPGA: specific on-board-bus (Avalon on Altera devices resp. OPB on Xilinx devices) ：带FPGA的：特定的on-board-bus

过程数据和参数是通过ESC上的DPRAM来交互的。为了保证数据的一致性，ESC硬件上会有一些机制：比如同步管理器等。chapter 1.3.4

关于FPGA:为了实现FPGA，ESC会用IP Core的方式实现EtherCAT功能和通讯。 FMMUs(Fieldbus Memory Management Units 现场总线内存管理单元)，SyncManagers, DC support, PDI这几个功能是可以配置的。

FPGA实现方式有两种：一个是在FPGA上集成ESC和一个软核uC，然后用FPGA的板上总线与主控制器交互。另外一个方式是：FPGA只用于EtherCAT功能部分，然后通过SPI总线连接到外部的主控制器。

关于EEPROM也叫SII： (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, also called Slave Information Interface, SII)，它包含在上电后会自动加载到ESC寄存器的配置信息。EEPROM可以通过ESI文件的配置工具修改。EEPROM的内容必须在从站设备厂家再研发时就设置好。下图时EEPROM的寄存器的值. 

关于应用层的主控制器uC：

主控制器主要实现：

i. EtherCAT State Machine (ESM) in the slave device (chapter 1.3.7) ：从站设备的EtherCAT状态机ESM

ii. Process data exchange with the slave application (e.g. application and configuration parameters, object dictionary, chapter 2.3.6) ：过程数据交互（配置参数，对象字典等）

iii. Mailbox-based protocols for acyclic data exchange (CoE, EoE, FoE, chapter 1.3.6)：非周期数据交互的邮箱协议：CoE, EoE, FoE

iv. Optional TCP/IP stack if the device supports EoE ：可选的TCP/IP堆栈（前提是设备支持EoE）

uC的性能只取决于设备功能应用部分而非EtherCAT通讯部分，大部分情况下，8bit的uC或者PIC就够了。（想表达的是：EtherCAT通讯是不会影响性能的，EtherCAT协议的一个好处）

关于ESI（EtherCAT Slave Information）: 每个EtherCAT设备都必须随货给用户一个ESI文件，一般是.xml格式。ESI文件是配置工具在离线模式下用来编译网络信息ENI的（比如过程数据结构，同步命令等）See also related description in chapter 2.4.1.

关于ESC的EtherCAT接口：ESC最多只能提供4个EtherCAT接口，端口0必须定义为输入口。从站必须提供至少2个EtehrCAT接口。为了避免有些从站只有2个接口的，所以配合使用的ESC上的端口0和1必须使用，端口3和4可以保留。ESC总是通过端口0与主站相连的，与其他从站设备则通过端口1-3来连接。

EtherCAT的报文帧结构：

关于FMMU：现场总线内存管理单元：用于映射主站的逻辑过程数据映像和从站设备的物理层（本地）内存。从下图看来：这个FMMU就是为了从主站发出去的一条报文中找到属于自己从站需要的那条。

关于同步管理器：SyncManager 不管是EtherCAT主站还是从站主控制器PDI去读取ESC的DPRAM，这个DPRAM的访问都需要确认数据一致性。同步管理器就是一个用来确保DPRAM中过程数据能被访问的机制：不同时间访问，但是访问到的是一致的。如果从站使用FMMU，对应数据块的同步管理器位于DPRAM与FMMU之间。EtherCAT的同步管理器可以在两种模式下操作：

邮箱模式：

数据交互采用的是握手机制。EtherCAT主站和uC的控制程序只有在对方已经访问完缓冲区的时候才能继续访问。发送方在写入缓冲区的时候，缓冲区被锁定for writing 直到接收方已经全部读完。邮箱模块一般用于应用程协议和非周期数据的交互（比如参数设置）

缓冲模式：

缓冲模式一般用于周期性数据交互，比如过程数据，因为缓冲模式允许任何时候EtherCAT主站和从站主控制器uC都可以访问通讯缓冲区。发送方总是可以更新缓冲区的内容。如果缓冲区被写入的数据快于接收方去读取的速度，则旧的数据就会被丢掉。因此，接收方永远都是收到最新的而且与缓冲区内容一致的数据。

注意：同步管理器如果工作在缓冲模式下，则需要比分配在DPRAM中的过程数据大小大三倍。

应用程序的设计可以参考免费的ET9300或者商业版KPA的代码，**式，可选常见平台的demo。具体对比如下：

由于篇幅字数限制，下次再给大家分享余下内容。