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EtherCAT是一種應用于工廠自動化和流程自動化領域的實時工業(yè)以太網現(xiàn)場總線協(xié)議，已經成為工業(yè)通信網絡國際標準IEC61158和IEC61784的組成部分。本書內容包括：實時工業(yè)以太網技術進展、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從站硬件設計實例、EtherCAT用于伺服驅動器控制應用協(xié)議CoE和SoE、Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅動程序設計、基于微處理器的EtherCAT從站驅動程序設計和開發(fā)實例。
本書可作為工業(yè)自動化和計算機控制專業(yè)類研究生教材或教學參考書，亦可作為EtherCAT協(xié)議開發(fā)技術人員的工具書。

現(xiàn)場總線在連接數(shù)字伺服、傳感器以及PLC-IO等設備的控制系統(tǒng)中已經獲得廣泛應用，實時工業(yè)以太網（RTE，Real Time Ethernet）是當前現(xiàn)場總線技術的一個重要發(fā)展方向。目前，國際上有多種實時工業(yè)以太網協(xié)議，國際電工委員會IEC（International Electro Technical Commission）制定了兩個與實時工業(yè)以太網相關的標準：
(1)IEC61158[1]-[6]：工業(yè)通信網絡現(xiàn)場總線規(guī)范（Industrial communication networks - Fieldbus specifications）；
(2)IEC61784[7]：工業(yè)通信網絡行規(guī)規(guī)范（Industrial communication networks Profiles）。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）[8][9]是一種基于以太網的實時工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議和國際標準。它具有高速和高數(shù)據有效率的特點，支持多種物理拓撲結構。從站使用專用的從站控制芯片，主站使用標準的以太網通信控制器。
EtherCAT由德國BECKHOFF自動化公司于2003年提出，2007年12月成為國際標準，是IEC61158和IEC61784中定義的第十二種通信協(xié)議標準。
雖然國際標準的頒布已有一段時間，國外采用EtherCAT技術的自動化設備已經開始進入國內，但國內對EtherCAT產品與技術的開發(fā)和應用尚處于起步階段。為了支持EtherCAT技術在國內的應用與發(fā)展，有必要對其系統(tǒng)原理、協(xié)議內容、特別是軟硬件設計方法，進行系統(tǒng)全面的介紹。
本書的章節(jié)安排如下：
第1章為EtherCAT概述，簡要介紹實時工業(yè)以太網的現(xiàn)狀和EtherCAT系統(tǒng)組成原理。
第2章介紹EtherCAT協(xié)議，主要內容包括：系統(tǒng)組成、數(shù)據幀結構、報文尋址、通信服務、分布式時鐘、通信模式、EtherCAT接口初始化、以及應用層協(xié)議等。
第3章介紹實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據鏈路層協(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硬件設計，給出了使用ET1100實現(xiàn)的微處理器操作的EtherCAT從站和直接IO控制EtherCAT從站硬件的設計實例。
第5章介紹了EtherCAT用于伺服驅動器控制應用協(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)據通信和非周期性數(shù)據通信的報文格式。
第6章介紹Windows XP操作系統(tǒng)下EtherCAT主站驅動程序設計，著重介紹系統(tǒng)初始化和周期性數(shù)據傳輸?shù)腃程序實現(xiàn)，給出了關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從站驅動程序設計，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)據處理的程序實現(xiàn)方法。
本書第2章、第3章和第5章的內容是對國際標準IEC61158、IEC61800和德國BECKHOFF自動化有限公司的ET1100芯片手冊等眾多文獻的整理與匯編。根據作者的理解，添加了一些圖、表，使說明更清晰準確。此外，作者還對一些參考文獻中不完全的性能數(shù)據進行分析和測定，對一些說明、術語作了翻譯和一致性處理，并設計了本書的章節(jié)順序。本書介紹的硬件設計實例和驅動程序示例以作者的開發(fā)經驗為基礎，并基于作者的理論知識和多年的開發(fā)經驗，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)自動化和計算機控制專業(yè)類研究生教材或教學參考書，亦可作為EtherCAT協(xié)議開發(fā)技術人員的工具書。
在本書的撰寫過程中，力求體系合理，概念準確，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，北京航空航天大學教授，博士生導師，1982年在德國斯圖加特大學獲工學博士學位；主要從事面向機械制造及自動化領域的數(shù)字控制和伺服技術研究，以及博士、碩士研究生培養(yǎng)工作。目前主要研究內容包括：開放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺技術，以多通道控制技術為核心的數(shù)控機床組網技術和柔性生產線控制技術，用于數(shù)字伺服傳動技術的現(xiàn)場總線（CAN、SERCOS、PROFIBUS)。曾完成國家65、75、85攻關和863計劃多項研究項目，多次開發(fā)出代表國家數(shù)控技術水平的數(shù)控系統(tǒng)；在國內外雜志發(fā)表論文30篇，由德國Springer出版社出版專著一部。曾獲國家科技進步三等獎、機械工業(yè)部科技進步一等獎和航空工業(yè)部科技進步二等獎各一項。與德國Stuttgart大學和Braunschweig大學保持長期穩(wěn)定的合作研究關系，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生。編寫過：1. 工業(yè)機器人運動仿真編程實踐基于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)軟件設計；3.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅動程序設計及應用等多本專著。
2.劉艷強，男，北京航空航天大學教師，博士后。研究方向為開放式控制系統(tǒng)的軟硬件平臺技術和用于數(shù)字伺服傳動技術的現(xiàn)場總線和實時工業(yè)以太網技術（EtherCAT）技術研究。與EtherCAT標準委員會緊密合作，并受邀赴德國進行合作研究。任全國工業(yè)機械電氣系統(tǒng)標準化技術委員會（TC231 ）成員。主持國家科技重大專項課題2項，航空科學基金1項。參加863項目1項、國家十五科技攻關項目1項、國防十五預研項目1項、及其他橫向課題3項。

第1章概述1
1.1實時工業(yè)以太網概述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物理拓撲結構9
2.2EtherCAT數(shù)據幀結構9
2.3EtherCAT報文尋址和通信服務11
2.3.1EtherCAT網段尋址12
2.3.2設備尋址13
2.3.3邏輯尋址和FMMU15
2.3.4通信服務和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)據通信23
2.5.1.1從站設備同步運行模式23
2.5.1.2主站設備同步運行模式25
2.5.2非周期性郵箱數(shù)據通信26
2.6狀態(tài)機和通信初始化28
2.7應用層協(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復位引腳62
3.2.5.2ET1100供電引腳62
3.3ESC數(shù)據鏈路控制63
3.3.1ESC數(shù)據幀處理63
3.3.2ESC通信端口控制65
3.3.3數(shù)據鏈路錯誤檢測68
3.3.4ESC數(shù)據鏈路地址69
3.3.5邏輯尋址控制70
3.4ESC應用層控制71
3.4.1狀態(tài)機控制和狀態(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)據交換80
3.5.3郵箱數(shù)據通信機制81
3.6從站信息接口84
3.6.1EEPROM內容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從站硬件設計實例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從站硬件設計實例110
第5章 EtherCAT伺服驅動器控制應用協(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)據通信115
5.1.3CoE非周期性數(shù)據通信116
5.1.3.1SDO服務117
5.1.3.2緊急事件125
5.1.4應用層行規(guī)127
5.1.4.1CiA 402行規(guī)通用數(shù)據對象字典128
5.1.4.2功率驅動控制狀態(tài)機129
5.1.4.3運行模式132
5.2SoE（SERCOS over EtherCAT）136
5.2.1SoE狀態(tài)機136
5.2.2IDN繼承137
5.2.3SoE過程數(shù)據映射138
5.2.4SoE服務通道143
第6章 EtherCAT主站驅動程序149
6.1數(shù)據定義頭文件150
6.2網卡操作相關類的定義和實現(xiàn)156
6.2.1基于NDIS的網卡驅動程序157
6.2.2CEcNpfDevice類159
6.2.3CNpfInfo類161
6.2.4獲得計算機網卡信息162
6.2.5打開網卡164
6.2.6發(fā)送數(shù)據幀167
6.2.7接收數(shù)據幀168
6.2.8關閉網卡171
6.3從站設備對象定義和實現(xiàn)173
6.3.1CEcSimSlave類的定義173
6.3.2CEcSimSlave類的實現(xiàn)174
6.4主站設備對象定義和實現(xiàn)177
6.4.1CEcSimMaster類的定義177
6.4.2初始化和啟動CEcSimMaster數(shù)據對象179
6.4.3配置從站設備對象180
6.4.4狀態(tài)機運行183
6.4.5發(fā)送非周期性EtherCAT數(shù)據報文186
6.4.6發(fā)送周期性EtherCAT數(shù)據幀187
6.4.7接收EtherCAT數(shù)據幀193
6.5主站實例程序196
6.5.1主站實例程序配置流程197
6.5.2周期性運行控制200
第7章從站驅動程序202
7.1從站驅動程序頭文件ec_def.h202
7.2從站基本操作210
7.3從站驅動程序總體結構212
7.4從站周期性數(shù)據處理216
7.4.1同步運行模式216
7.4.2自由運行模式218
7.5從站非周期性事件處理219
7.6從站狀態(tài)機處理220
7.6.1狀態(tài)機處理流程221
7.6.2檢查SM通道設置225
7.6.3啟動郵箱數(shù)據通信230
7.6.4啟動周期性輸入數(shù)據通信231
7.6.5啟動周期性輸出數(shù)據通信234
7.6.6停止EtherCAT數(shù)據通信234
參考文獻 236

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