EtherCAT协议基础知识(Part 3)

三、EtherCAT应用层

1.特性

EtherCAT应用层支持多种设备行规以实现邮箱通讯，包括CANopen、SERCOS、HTTP等，基于EtherCAT的应用层行规被称为xoE协议（xxx over EtherCAT）。设备开发中，从站设备无需支持所有行规，根据其应用选择最合适的一种即可。下面将以应用最为广泛的CoE协议举例描述。

2.CoE协议

CoE全称CAN application protocol over EtherCAT，是EtherCAT应用层协议实现的一种，其特点是根据CiA402协议编写，使用对象和对象字典的功能实现邮箱通讯。

CANopen协议已经有成熟且大规模的应用，使用CoE协议，相关设备只需要经过少量的更改即可应用于EtherCAT协议上，大部分CANopen的固件也可以得到重复利用。

3.站点状态机

EtherCAT对于站点所处的状态与运行功能进行了规范，如上图所示，各状态功能简介如下：

Init：初始化状态，站点在此状态下将检查数据链路是否正确，与应用层无数据交互。

Pre-Op：预操作状态（POP），站点在此状态下仅进行邮箱通信，不进行过程数据交互。

Safe-Op：安全运行（SOP），站点在此状态下可进行邮箱通信，并允许过程数据输入，不可输出。

OP：操作状态，站点可进行完全的数据通信，处于正常的工作状态。

Bootstrap：引导模式，仅适用于FoE的邮箱通信，用于固件的更新

4.同步模式及工作原理

EtherCAT存在三种同步的模式：Free RUN、SM同步（Sync Manager，同步管理器)、DC同步（Distributed Clock，分布式时钟），下面将简要介绍三种同步模式及其工作的原理。

①Free RUN

Free RUN模式表示网络中各站点运行于异步的状态下，不进行同步。

从站应用程序完全按照从站自身时钟的时间片进行触发与运行，与报文帧的收发无关。Free RUN模式分离了主站与从站的时间关系，当主从站时钟频率差别较大时，可能会出现丢帧等状况。该模式适用于完全没有同步性要求的应用。

②SM同步

SM同步模式依赖于EtherCAT主站发送的同步帧，各从站依据收到的同步帧的数量进行自身应用程序的触发，如某从站收到两次EtherCAT同步帧，就进入一次中断服务函数进行相应的处理。

SM同步模式的同步精度受多种因素的影响，如：主站自身的时间抖动，从而影响同步帧的发送；报文帧的物理传输时延决定了每个从站收到同步帧的时间一定有差异，在整个网络比较大时这个时间差也会放大。因此该模式比较适用于同步性要求一般的应用。

③DC同步

DC同步模式的形式与SM同步类似，都是依据于中断触发信号来进行自身应用程序的触发，不同在于SM同步依据的是同步帧，而DC同步依据的是各站点内ESC进行产生的SYNC信号。

EtherCAT制定了一套完整的机制以保证DC同步能够精确运行，其运行流程总体可分为两个阶段：初始化阶段和动态补偿阶段，如下图所示：

初始化阶段将网络中各设备在上电时紊乱的触发时间修正到可以容忍的水平，其过程是：

1）主站启动后发送广播帧扫描整个网络，各从站计算该报文环回自己一次的时间戳值，并将该值写入本地的寄存器中，差值计算从而得到报文帧的传输延时，如下图所示。后续再将该传输延时补偿到SYNC信号的发送过程中，从而消除物理传输延时的影响。

2）以从站中第一个具有DC单元的从站的时钟作为参考时钟，发送大量的ARMW报文将读取参考值并发送至各个从站当中去，使得每个从站本地的时钟都调整到接近参考时钟的值。如下图所示：

而由于存在时钟源不同，晶振频率抖动等等不可控因素，网络还需要进入动态补偿阶段，使所有站点的同步时间抖动能够长时间的维持在一个较低的水平，其过程如下：

主站的每个发送周期都会发送ARMW报文，将参考时钟值发送至所有站点，各站点对比该参考值与本地时钟值（结合传输延时）后，进行本地时钟值的更新（ESC硬件的加速或减速）。从而实现整个网络长时间低水平的时间抖动。

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作者：虹科工业通讯---梁桦圳

排版：虹科工业通讯---黄怡