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EtherCAT是一種應(yīng)用于工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和IEC61784的組成部分。本書(shū)內(nèi)容包括：實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展、EtherCAT系統(tǒng)組成原理、EtherCAT協(xié)議、從站專用集成電路芯片ET1100介紹、ET1100從站硬件設(shè)計(jì)實(shí)例、EtherCAT用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制應(yīng)用協(xié)議CoE和SoE、Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、基于微處理器的EtherCAT從站驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)實(shí)例。
本書(shū)可作為工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制專業(yè)類研究生教材或教學(xué)參考書(shū)，亦可作為EtherCAT協(xié)議開(kāi)發(fā)技術(shù)人員的工具書(shū)。

現(xiàn)場(chǎng)總線在連接數(shù)字伺服、傳感器以及PLC-IO等設(shè)備的控制系統(tǒng)中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（RTE，Real Time Ethernet）是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，國(guó)際上有多種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，國(guó)際電工委員會(huì)IEC（International Electro Technical Commission）制定了兩個(gè)與實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：
(1)IEC61158[1]-[6]：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范（Industrial communication networks - Fieldbus specifications）；
(2)IEC61784[7]：工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)行規(guī)規(guī)范（Industrial communication networks Profiles）。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）[8][9]是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點(diǎn)，支持多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從站使用專用的從站控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信控制器。
EtherCAT由德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化公司于2003年提出，2007年12月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是IEC61158和IEC61784中定義的第十二種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
雖然國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的頒布已有一段時(shí)間，國(guó)外采用EtherCAT技術(shù)的自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入國(guó)內(nèi)，但國(guó)內(nèi)對(duì)EtherCAT產(chǎn)品與技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用尚處于起步階段。為了支持EtherCAT技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，有必要對(duì)其系統(tǒng)原理、協(xié)議內(nèi)容、特別是軟硬件設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行系統(tǒng)全面的介紹。
本書(shū)的章節(jié)安排如下：
第1章為EtherCAT概述，簡(jiǎn)要介紹實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)狀和EtherCAT系統(tǒng)組成原理。
第2章介紹EtherCAT協(xié)議，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、報(bào)文尋址、通信服務(wù)、分布式時(shí)鐘、通信模式、EtherCAT接口初始化、以及應(yīng)用層協(xié)議等。
第3章介紹實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用集成電路芯片及其基本功能，著重介紹了BECKHOFF公司的ET1100[10][11]芯片。
第4章介紹EtherCAT硬件設(shè)計(jì)，給出了使用ET1100實(shí)現(xiàn)的微處理器操作的EtherCAT從站和直接IO控制EtherCAT從站硬件的設(shè)計(jì)實(shí)例。
第5章介紹了EtherCAT用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制應(yīng)用協(xié)議，包括CoE和SoE兩種協(xié)議形式，著重介紹周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信和非周期性數(shù)據(jù)通信的報(bào)文格式。
第6章介紹Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，著重介紹系統(tǒng)初始化和周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃程序?qū)崿F(xiàn)，給出了關(guān)鍵的程序流程圖和主要程序源代碼。
第7章介紹基于微處理器的EtherCAT從站驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，除了給出基本的程序框架以外，著重介紹EtherCAT接口初始化和周期性數(shù)據(jù)處理的程序?qū)崿F(xiàn)方法。
本書(shū)第2章、第3章和第5章的內(nèi)容是對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158、IEC61800和德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化有限公司的ET1100芯片手冊(cè)等眾多文獻(xiàn)的整理與匯編。根據(jù)作者的理解，添加了一些圖、表，使說(shuō)明更清晰準(zhǔn)確。此外，作者還對(duì)一些參考文獻(xiàn)中不完全的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和測(cè)定，對(duì)一些說(shuō)明、術(shù)語(yǔ)作了翻譯和一致性處理，并設(shè)計(jì)了本書(shū)的章節(jié)順序。本書(shū)介紹的硬件設(shè)計(jì)實(shí)例和驅(qū)動(dòng)程序示例以作者的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并基于作者的理論知識(shí)和多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)部分原理圖和程序源代碼作了必要的組織和整理。本書(shū)可作為工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制專業(yè)類研究生教材或教學(xué)參考書(shū)，亦可作為EtherCAT協(xié)議開(kāi)發(fā)技術(shù)人員的工具書(shū)。
在本書(shū)的撰寫過(guò)程中，力求體系合理，概念準(zhǔn)確，文理清楚，用詞規(guī)范。但由于作者水平所限，對(duì)于書(shū)中疏漏及不妥之處，歡迎廣大讀者予以批評(píng)指正。

1.郇極，男，1953年生，北京航空航天大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，1982年在德國(guó)斯圖加特大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位；主要從事面向機(jī)械制造及自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字控制和伺服技術(shù)研究，以及博士、碩士研究生培養(yǎng)工作。目前主要研究?jī)?nèi)容包括：開(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)技術(shù)，以多通道控制技術(shù)為核心的數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)技術(shù)和柔性生產(chǎn)線控制技術(shù)，用于數(shù)字伺服傳動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN、SERCOS、PROFIBUS)。曾完成國(guó)家65、75、85攻關(guān)和863計(jì)劃多項(xiàng)研究項(xiàng)目，多次開(kāi)發(fā)出代表國(guó)家數(shù)控技術(shù)水平的數(shù)控系統(tǒng)；在國(guó)內(nèi)外雜志發(fā)表論文30篇，由德國(guó)Springer出版社出版專著一部。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、機(jī)械工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和航空工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。與德國(guó)Stuttgart大學(xué)和Braunschweig大學(xué)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作研究關(guān)系，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生。編寫過(guò)：1. 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真編程實(shí)踐基于Android和OpenGL；2.基于工業(yè)控制編程語(yǔ)言IEC 61131-3的數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；3.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用等多本專著。
2.劉艷強(qiáng)，男，北京航空航天大學(xué)教師，博士后。研究方向?yàn)殚_(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)技術(shù)和用于數(shù)字伺服傳動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（EtherCAT）技術(shù)研究。與EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)緊密合作，并受邀赴德國(guó)進(jìn)行合作研究。任全國(guó)工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC231 ）成員。主持國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題2項(xiàng)，航空科學(xué)基金1項(xiàng)。參加863項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家十五科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)防十五預(yù)研項(xiàng)目1項(xiàng)、及其他橫向課題3項(xiàng)。

第1章概述1
1.1實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)概述1
1.2EtherCAT協(xié)議概述3
第2章 EtherCAT協(xié)議6
2.1EtherCAT系統(tǒng)組成6
2.1.1EtherCAT主站組成6
2.1.2EtherCAT從站組成7
2.1.3EtherCAT物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)9
2.2EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)9
2.3EtherCAT報(bào)文尋址和通信服務(wù)11
2.3.1EtherCAT網(wǎng)段尋址12
2.3.2設(shè)備尋址13
2.3.3邏輯尋址和FMMU15
2.3.4通信服務(wù)和WKC17
2.4分布時(shí)鐘18
2.4.1分布時(shí)鐘描述18
2.4.2傳輸延時(shí)和時(shí)鐘初始偏移量測(cè)量20
2.4.3時(shí)鐘同步21
2.5通信模式23
2.5.1周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信23
2.5.1.1從站設(shè)備同步運(yùn)行模式23
2.5.1.2主站設(shè)備同步運(yùn)行模式25
2.5.2非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信26
2.6狀態(tài)機(jī)和通信初始化28
2.7應(yīng)用層協(xié)議30
第3章 EtherCAT從站控制芯片32
3.1ESC概述33
3.1.1ESC芯片種類33
3.1.2ESC存儲(chǔ)空間34
3.1.3ESC特征信息40
3.2ESC芯片ET110041
3.2.1ET1100引腳定義41
3.2.2物理通信端口47
3.2.2.1MII接口47
3.2.2.2EBUS/LVDS接口50
3.2.3PDI接口51
3.2.3.1數(shù)字量I/O接口52
3.2.3.2SPI從站接口55
3.2.3.3并行微處理器總線接口56
3.2.3.4物理通信端口引腳和PDI引腳的配置59
3.2.4配置引腳59
3.2.5其它引腳61
3.2.5.1復(fù)位引腳62
3.2.5.2ET1100供電引腳62
3.3ESC數(shù)據(jù)鏈路控制63
3.3.1ESC數(shù)據(jù)幀處理63
3.3.2ESC通信端口控制65
3.3.3數(shù)據(jù)鏈路錯(cuò)誤檢測(cè)68
3.3.4ESC數(shù)據(jù)鏈路地址69
3.3.5邏輯尋址控制70
3.4ESC應(yīng)用層控制71
3.4.1狀態(tài)機(jī)控制和狀態(tài)71
3.4.2中斷控制74
3.4.3看門狗控制76
3.5存儲(chǔ)同步管理77
3.5.1存儲(chǔ)同步管理器概述77
3.5.2緩存類型數(shù)據(jù)交換80
3.5.3郵箱數(shù)據(jù)通信機(jī)制81
3.6從站信息接口84
3.6.1EEPROM內(nèi)容85
3.6.2EEPROM訪問(wèn)控制86
3.6.3EEPROM操作錯(cuò)誤處理89
3.7分布時(shí)鐘操作90
3.7.1分布式時(shí)鐘信號(hào)90
3.7.1.1同步信號(hào)90
3.7.1.2同步鎖存功能94
3.7.2分布時(shí)鐘的初始化96
3.7.3同步信號(hào)的配置100
第4章 EtherCAT硬件設(shè)計(jì) 101
4.1EtherCAT從站PHY器件選擇101
4.2微處理器操作的EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)實(shí)例102
4.2.1ET1100的接線103
4.2.2ET1100配置電路105
4.2.3MII接線106
4.2.4微處理器接口引腳接線108
4.3直接IO控制EtherCAT從站硬件設(shè)計(jì)實(shí)例110
第5章 EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器控制應(yīng)用協(xié)議112
5.1CoE（CANopen over EtherCAT）112
5.1.1CoE對(duì)象字典113
5.1.2周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信115
5.1.3CoE非周期性數(shù)據(jù)通信116
5.1.3.1SDO服務(wù)117
5.1.3.2緊急事件125
5.1.4應(yīng)用層行規(guī)127
5.1.4.1CiA 402行規(guī)通用數(shù)據(jù)對(duì)象字典128
5.1.4.2功率驅(qū)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)129
5.1.4.3運(yùn)行模式132
5.2SoE（SERCOS over EtherCAT）136
5.2.1SoE狀態(tài)機(jī)136
5.2.2IDN繼承137
5.2.3SoE過(guò)程數(shù)據(jù)映射138
5.2.4SoE服務(wù)通道143
第6章 EtherCAT主站驅(qū)動(dòng)程序149
6.1數(shù)據(jù)定義頭文件150
6.2網(wǎng)卡操作相關(guān)類的定義和實(shí)現(xiàn)156
6.2.1基于NDIS的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序157
6.2.2CEcNpfDevice類159
6.2.3CNpfInfo類161
6.2.4獲得計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡信息162
6.2.5打開(kāi)網(wǎng)卡164
6.2.6發(fā)送數(shù)據(jù)幀167
6.2.7接收數(shù)據(jù)幀168
6.2.8關(guān)閉網(wǎng)卡171
6.3從站設(shè)備對(duì)象定義和實(shí)現(xiàn)173
6.3.1CEcSimSlave類的定義173
6.3.2CEcSimSlave類的實(shí)現(xiàn)174
6.4主站設(shè)備對(duì)象定義和實(shí)現(xiàn)177
6.4.1CEcSimMaster類的定義177
6.4.2初始化和啟動(dòng)CEcSimMaster數(shù)據(jù)對(duì)象179
6.4.3配置從站設(shè)備對(duì)象180
6.4.4狀態(tài)機(jī)運(yùn)行183
6.4.5發(fā)送非周期性EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)文186
6.4.6發(fā)送周期性EtherCAT數(shù)據(jù)幀187
6.4.7接收EtherCAT數(shù)據(jù)幀193
6.5主站實(shí)例程序196
6.5.1主站實(shí)例程序配置流程197
6.5.2周期性運(yùn)行控制200
第7章從站驅(qū)動(dòng)程序202
7.1從站驅(qū)動(dòng)程序頭文件ec_def.h202
7.2從站基本操作210
7.3從站驅(qū)動(dòng)程序總體結(jié)構(gòu)212
7.4從站周期性數(shù)據(jù)處理216
7.4.1同步運(yùn)行模式216
7.4.2自由運(yùn)行模式218
7.5從站非周期性事件處理219
7.6從站狀態(tài)機(jī)處理220
7.6.1狀態(tài)機(jī)處理流程221
7.6.2檢查SM通道設(shè)置225
7.6.3啟動(dòng)郵箱數(shù)據(jù)通信230
7.6.4啟動(dòng)周期性輸入數(shù)據(jù)通信231
7.6.5啟動(dòng)周期性輸出數(shù)據(jù)通信234
7.6.6停止EtherCAT數(shù)據(jù)通信234
參考文獻(xiàn) 236

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