工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用

配套资源：电子课件

本书特色：

1.国内EtherCAT系统程序设计图书。

2.书稿质量好，作者编写过多部数控相关的专著。

EtherCAT是一种应用于工厂自动化和流程自动化领域的实时工业以太网现场总线协议，已经成为工业通信网络国际标准IEC61158和IEC61784的组成部分。本书内容包括：实时工业以太网技术进展、EtherCAT系统组成原理、EtherCAT协议、从站专用集成电路芯片ET1100介绍、ET1100从站硬件设计实例、EtherCAT用于伺服驱动器控制应用协议CoE和SoE、Windows XP操作系统下EtherCAT主站驱动程序设计、基于微处理器的EtherCAT从站驱动程序设计和开发实例。
本书可作为工业自动化和计算机控制专业类研究生教材或教学参考书，亦可作为EtherCAT协议开发技术人员的工具书。

1.郇极，男，1953年生，北京航空航天大学教授，博士生导师，1982年在德国斯图加特大学获工学博士学位；主要从事面向机械制造及自动化领域的数字控制和伺服技术研究，以及博士、硕士研究生培养工作。 目前主要研究内容包括：开放式控制系统的软硬件平台技术，以多通道控制技术为核心的数控机床组网技术和柔性生产线控制技术，用于数字伺服传动技术的现场总线（CAN、SERCOS、PROFIBUS)。曾完成国家65、75、85攻关和863计划多项研究项目，多次开发出代表国家数控技术水平的数控系统；在国内外杂志发表论文30篇，由德国Springer出版社出版专著一部。曾获国家科技进步三等奖、机械工业部科技进步一等奖和航空工业部科技进步二等奖各一项。与德国Stuttgart大学和Braunschweig大学保持长期稳定的合作研究关系，联合培养博士研究生。编写过：1. 工业机器人运动仿真编程实践 ——基于Android和OpenGL；2.基于工业控制编程语言IEC 61131-3的数控系统软件设计；3.数字伺服通讯协议SERCOS驱动程序设计及应用等多本专著。
2.刘艳强，男，北京航空航天大学教师，博士后。研究方向为开放式控制系统的软硬件平台技术和用于数字伺服传动技术的现场总线和实时工业以太网技术（EtherCAT）技术研究。与EtherCAT标准委员会紧密合作，并受邀赴德国进行合作研究。任全国工业机械电气系统标准化技术委员会（TC231 ）成员。主持国家科技重大专项课题2项，航空科学基金1项。参加863项目1项、国家十五科技攻关项目1项、国防十五预研项目1项、及其他横向课题3项。

第1章 概述1
1.1实时工业以太网概述1
1.2EtherCAT协议概述3
第2章 EtherCAT协议6
2.1EtherCAT系统组成6
2.1.1EtherCAT主站组成6
2.1.2EtherCAT从站组成7
2.1.3EtherCAT物理拓扑结构9
2.2EtherCAT数据帧结构9
2.3EtherCAT报文寻址和通信服务11
2.3.1EtherCAT网段寻址12
2.3.2设备寻址13
2.3.3逻辑寻址和FMMU15
2.3.4通信服务和WKC17
2.4分布时钟18
2.4.1分布时钟描述18
2.4.2传输延时和时钟初始偏移量测量20
2.4.3时钟同步21
2.5通信模式23
2.5.1周期性过程数据通信23
2.5.1.1从站设备同步运行模式23
2.5.1.2主站设备同步运行模式25
2.5.2非周期性邮箱数据通信26
2.6状态机和通信初始化28
2.7应用层协议30
第3章 EtherCAT从站控制芯片32
3.1ESC概述33
3.1.1ESC芯片种类33
3.1.2ESC存储空间34
3.1.3ESC特征信息40
3.2ESC芯片ET110041
3.2.1ET1100引脚定义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数字量I/O接口52
3.2.3.2SPI从站接口55
3.2.3.3并行微处理器总线接口56
3.2.3.4物理通信端口引脚和PDI引脚的配置59
3.2.4配置引脚59
3.2.5其它引脚61
3.2.5.1复位引脚62
3.2.5.2ET1100供电引脚62
3.3ESC数据链路控制63
3.3.1ESC数据帧处理63
3.3.2ESC通信端口控制65
3.3.3数据链路错误检测68
3.3.4ESC数据链路地址69
3.3.5逻辑寻址控制70
3.4ESC应用层控制71
3.4.1状态机控制和状态71
3.4.2中断控制74
3.4.3看门狗控制76
3.5存储同步管理77
3.5.1存储同步管理器概述77
3.5.2缓存类型数据交换80
3.5.3邮箱数据通信机制81
3.6从站信息接口84
3.6.1EEPROM内容85
3.6.2EEPROM访问控制86
3.6.3EEPROM操作错误处理89
3.7分布时钟操作90
3.7.1分布式时钟信号90
3.7.1.1同步信号90
3.7.1.2同步锁存功能94
3.7.2分布时钟的初始化96
3.7.3同步信号的配置100
第4章 EtherCAT硬件设计 101
4.1EtherCAT从站PHY器件选择101
4.2微处理器操作的EtherCAT从站硬件设计实例102
4.2.1ET1100的接线103
4.2.2ET1100配置电路105
4.2.3MII接线106
4.2.4微处理器接口引脚接线108
4.3直接IO控制EtherCAT从站硬件设计实例110
第5章 EtherCAT伺服驱动器控制应用协议112
5.1CoE（CANopen over EtherCAT）112
5.1.1CoE对象字典113
5.1.2周期性过程数据通信115
5.1.3CoE非周期性数据通信116
5.1.3.1SDO服务117
5.1.3.2紧急事件125
5.1.4应用层行规127
5.1.4.1CiA 402行规通用数据对象字典128
5.1.4.2功率驱动控制状态机129
5.1.4.3运行模式132
5.2SoE（SERCOS over EtherCAT）136
5.2.1SoE状态机136
5.2.2IDN继承137
5.2.3SoE过程数据映射138
5.2.4SoE服务通道143
第6章 EtherCAT主站驱动程序149
6.1数据定义头文件150
6.2网卡操作相关类的定义和实现156
6.2.1基于NDIS的网卡驱动程序157
6.2.2CEcNpfDevice类159
6.2.3CNpfInfo类161
6.2.4获得计算机网卡信息162
6.2.5打开网卡164
6.2.6发送数据帧167
6.2.7接收数据帧168
6.2.8关闭网卡171
6.3从站设备对象定义和实现173
6.3.1CEcSimSlave类的定义173
6.3.2CEcSimSlave类的实现174
6.4主站设备对象定义和实现177
6.4.1CEcSimMaster类的定义177
6.4.2初始化和启动CEcSimMaster数据对象179
6.4.3配置从站设备对象180
6.4.4状态机运行183
6.4.5发送非周期性EtherCAT数据报文186
6.4.6发送周期性EtherCAT数据帧187
6.4.7接收EtherCAT数据帧193
6.5主站实例程序196
6.5.1主站实例程序配置流程197
6.5.2周期性运行控制200
第7章 从站驱动程序202
7.1从站驱动程序头文件ec_def.h202
7.2从站基本操作210
7.3从站驱动程序总体结构212
7.4从站周期性数据处理216
7.4.1同步运行模式216
7.4.2自由运行模式218
7.5从站非周期性事件处理219
7.6从站状态机处理220
7.6.1状态机处理流程221
7.6.2检查SM通道设置225
7.6.3启动邮箱数据通信230
7.6.4启动周期性输入数据通信231
7.6.5启动周期性输出数据通信234
7.6.6停止EtherCAT数据通信234
参考文献 236

现场总线在连接数字伺服、传感器以及PLC-IO等设备的控制系统中已经获得广泛应用，实时工业以太网（RTE，Real Time Ethernet）是当前现场总线技术的一个重要发展方向。目前，国际上有多种实时工业以太网协议，国际电工委员会IEC（International Electro Technical Commission）制定了两个与实时工业以太网相关的标准：
(1)IEC61158[1]-[6]：工业通信网络——现场总线规范（Industrial communication networks – Fieldbus specifications）；
(2)IEC61784[7]：工业通信网络——行规规范（Industrial communication networks – Profiles）。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）[8][9]是一种基于以太网的实时工业现场总线通信协议和国际标准。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种物理拓扑结构。从站使用专用的从站控制芯片，主站使用标准的以太网通信控制器。
EtherCAT由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出，2007年12月成为国际标准，是IEC61158和IEC61784中定义的第十二种通信协议标准。
虽然国际标准的颁布已有一段时间，国外采用EtherCAT技术的自动化设备已经开始进入国内，但国内对EtherCAT产品与技术的开发和应用尚处于起步阶段。为了支持EtherCAT技术在国内的应用与发展，有必要对其系统原理、协议内容、特别是软硬件设计方法，进行系统全面的介绍。
本书的章节安排如下：
第1章为EtherCAT概述，简要介绍实时工业以太网的现状和EtherCAT系统组成原理。
第2章介绍EtherCAT协议，主要内容包括：系统组成、数据帧结构、报文寻址、通信服务、分布式时钟、通信模式、EtherCAT接口初始化、以及应用层协议等。
第3章介绍实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成电路芯片及其基本功能，着重介绍了BECKHOFF公司的ET1100[10][11]芯片。
第4章介绍EtherCAT硬件设计，给出了使用ET1100实现的微处理器操作的EtherCAT从站和直接IO控制EtherCAT从站硬件的设计实例。
第5章介绍了EtherCAT用于伺服驱动器控制应用协议，包括CoE和SoE两种协议形式，着重介绍周期性过程数据通信和非周期性数据通信的报文格式。
第6章介绍Windows XP操作系统下EtherCAT主站驱动程序设计，着重介绍系统初始化和周期性数据传输的C 程序实现，给出了关键的程序流程图和主要程序源代码。
第7章介绍基于微处理器的EtherCAT从站驱动程序设计，除了给出基本的程序框架以外，着重介绍EtherCAT接口初始化和周期性数据处理的程序实现方法。
本书第2章、第3章和第5章的内容是对国际标准IEC61158、IEC61800和德国BECKHOFF自动化有限公司的ET1100芯片手册等众多文献的整理与汇编。根据作者的理解，添加了一些图、表，使说明更清晰准确。此外，作者还对一些参考文献中不完全的性能数据进行分析和测定，对一些说明、术语作了翻译和一致性处理，并设计了本书的章节顺序。本书介绍的硬件设计实例和驱动程序示例以作者的开发经验为基础，并基于作者的理论知识和多年的开发经验，对部分原理图和程序源代码作了必要的组织和整理。本书可作为工业自动化和计算机控制专业类研究生教材或教学参考书，亦可作为EtherCAT协议开发技术人员的工具书。
在本书的撰写过程中，力求体系合理，概念准确，文理清楚，用词规范。但由于作者水平所限，对于书中疏漏及不妥之处，欢迎广大读者予以批评指正。