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EtherCAT是一種應(yīng)用于工廠自動化和流程自動化領(lǐng)域的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和IEC61784的組成部分。本書內(nèi)容包括：實(shí)時工業(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)計實(shí)例、EtherCAT用于伺服驅(qū)動器控制應(yīng)用協(xié)議CoE和SoE、Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅(qū)動程序設(shè)計、基于微處理器的EtherCAT從站驅(qū)動程序設(shè)計和開發(fā)實(shí)例。
本書可作為工業(yè)自動化和計算機(jī)控制專業(yè)類研究生教材或教學(xué)參考書，亦可作為EtherCAT協(xié)議開發(fā)技術(shù)人員的工具書。

現(xiàn)場總線在連接數(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)時工業(yè)以太網(wǎng)（RTE，Real Time Ethernet）是當(dāng)前現(xiàn)場總線技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。目前，國際上有多種實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，國際電工委員會IEC（International Electro Technical Commission）制定了兩個與實(shí)時工業(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)時工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議和國際標(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BECKHOFF自動化公司于2003年提出，2007年12月成為國際標(biāo)準(zhǔn)，是IEC61158和IEC61784中定義的第十二種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
雖然國際標(biāo)準(zhǔn)的頒布已有一段時間，國外采用EtherCAT技術(shù)的自動化設(shè)備已經(jīng)開始進(jìn)入國內(nèi)，但國內(nèi)對EtherCAT產(chǎn)品與技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用尚處于起步階段。為了支持EtherCAT技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，有必要對其系統(tǒng)原理、協(xié)議內(nèi)容、特別是軟硬件設(shè)計方法，進(jìn)行系統(tǒng)全面的介紹。
本書的章節(jié)安排如下：
第1章為EtherCAT概述，簡要介紹實(shí)時工業(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)、報文尋址、通信服務(wù)、分布式時鐘、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，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)計實(shí)例。
第5章介紹了EtherCAT用于伺服驅(qū)動器控制應(yīng)用協(xié)議，包括CoE和SoE兩種協(xié)議形式，著重介紹周期性過程數(shù)據(jù)通信和非周期性數(shù)據(jù)通信的報文格式。
第6章介紹Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅(qū)動程序設(shè)計，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)動程序設(shè)計，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。
本書第2章、第3章和第5章的內(nèi)容是對國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158、IEC61800和德國BECKHOFF自動化有限公司的ET1100芯片手冊等眾多文獻(xiàn)的整理與匯編。根據(jù)作者的理解，添加了一些圖、表，使說明更清晰準(zhǔn)確。此外，作者還對一些參考文獻(xiàn)中不完全的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和測定，對一些說明、術(shù)語作了翻譯和一致性處理，并設(shè)計了本書的章節(jié)順序。本書介紹的硬件設(shè)計實(shí)例和驅(qū)動程序示例以作者的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并基于作者的理論知識和多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對部分原理圖和程序源代碼作了必要的組織和整理。本書可作為工業(yè)自動化和計算機(jī)控制專業(yè)類研究生教材或教學(xué)參考書，亦可作為EtherCAT協(xié)議開發(fā)技術(shù)人員的工具書。
在本書的撰寫過程中，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，對于書中疏漏及不妥之處，歡迎廣大讀者予以批評指正。

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。目前主要研究內(nèi)容包括：開放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺技術(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)字伺服傳動技術(shù)的現(xiàn)場總線（CAN、SERCOS、PROFIBUS)。曾完成國家65、75、85攻關(guān)和863計劃多項(xiàng)研究項(xiàng)目，多次開發(fā)出代表國家數(shù)控技術(shù)水平的數(shù)控系統(tǒng)；在國內(nèi)外雜志發(fā)表論文30篇，由德國Springer出版社出版專著一部。曾獲國家科技進(jìn)步三等獎、機(jī)械工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎和航空工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎各一項(xiàng)。與德國Stuttgart大學(xué)和Braunschweig大學(xué)保持長期穩(wěn)定的合作研究關(guān)系，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生。編寫過：1. 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動仿真編程實(shí)踐基于Android和OpenGL；2.基于工業(yè)控制編程語言IEC 61131-3的數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計；3.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅(qū)動程序設(shè)計及應(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_放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺技術(shù)和用于數(shù)字伺服傳動技術(shù)的現(xiàn)場總線和實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（EtherCAT）技術(shù)研究。與EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)委員會緊密合作，并受邀赴德國進(jìn)行合作研究。任全國工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC231 ）成員。主持國家科技重大專項(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)、國家十五科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)、國防十五預(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分布時鐘18
2.4.1分布時鐘描述18
2.4.2傳輸延時和時鐘初始偏移量測量20
2.4.3時鐘同步21
2.5通信模式23
2.5.1周期性過程數(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)鏈路錯誤檢測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存儲同步管理77
3.5.1存儲同步管理器概述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訪問控制86
3.6.3EEPROM操作錯誤處理89
3.7分布時鐘操作90
3.7.1分布式時鐘信號90
3.7.1.1同步信號90
3.7.1.2同步鎖存功能94
3.7.2分布時鐘的初始化96
3.7.3同步信號的配置100
第4章 EtherCAT硬件設(shè)計 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)計實(shí)例110
第5章 EtherCAT伺服驅(qū)動器控制應(yīng)用協(xié)議112
5.1CoE（CANopen over EtherCAT）112
5.1.1CoE對象字典113
5.1.2周期性過程數(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)對象字典128
5.1.4.2功率驅(qū)動控制狀態(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)動程序157
6.2.2CEcNpfDevice類159
6.2.3CNpfInfo類161
6.2.4獲得計算機(jī)網(wǎng)卡信息162
6.2.5打開網(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CEcSimMaster數(shù)據(jù)對象179
6.4.3配置從站設(shè)備對象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)動程序202
7.1從站驅(qū)動程序頭文件ec_def.h202
7.2從站基本操作210
7.3從站驅(qū)動程序總體結(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啟動郵箱數(shù)據(jù)通信230
7.6.4啟動周期性輸入數(shù)據(jù)通信231
7.6.5啟動周期性輸出數(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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