EtherCAT工业以太网应用技术

工业以太网是目前主流的现场总线标准，在机器人、人工智能、自动化、汽车等行业均得到广泛应用。本书是行业专家李正军教授在多年科研实践和教学经验的基础上，整理大量技术资料，将繁杂的知识进行系统化梳理，书中包含作者多年来的工业以太网科研攻关的经验和成果总结，对于从事EtherCAT工业以太网控制系统设计的工程技术人员来说，是一本不可多得的的宝贵参考书。EtherCAT技术开发难度较大，市面上的学习资料较少，本书的出版能给工业以太网领域做出很大的贡献。

《EtherCAT工业以太网应用技术》从科研、教学和工程应用出发，理论联系实际，全面系统地介绍了EtherCAT工业以太网的通信协议、EtherCAT从站控制器（ESC）与硬件系统设计、从站信息规范与XML文件的编写、伺服驱动器控制应用协议、常用的EtherCAT主站、EtherCAT从站驱动与应用程序设计及其移植方法和调试，力求所讲内容具有较强的可移植性、先进性、系统性、应用性及资料开放性，起到举一反三的作用。
《EtherCAT工业以太网应用技术》共分11章，主要内容包括：工业以太网概述、EtherCAT通信协议、EtherCAT从站控制器、EtherCAT从站硬件系统设计、EtherCAT从站评估板与从站栈代码、EtherCAT从站信息规范与XML文件、CANopen与伺服驱动器控制应用协议、EtherCAT主站、EtherCAT从站驱动和应用程序设计、从站增加数字量和模拟量通信数据的方法和主站软件安装与从站开发调试。全书内容丰富，体系先进，结构合理，理论与实践相结合，尤其注重工程应用技术的讲解。
《EtherCAT工业以太网应用技术》是在作者教学与科研实践经验的基础上，结合多年工业以太网技术的发展编写而成的，书中详细地介绍了作者在工业以太网应用领域的*新科研成果，给出了大量的应用设计实例。
《EtherCAT工业以太网应用技术》可作为高等院校各类自动化、机器人、自动检测、机电一体化、人工智能、电子与电气工程、计算机应用及信息工程等专业的本科教材，同时可以作为相关专业的研究生教材，也适合从事EtherCAT工业以太网控制系统设计的工程技术人员参考。

前言
第1章工业以太网概述1
11现场总线简介1
12以太网与工业以太网概述3
13几种流行的工业以太网9
第2章EtherCAT通信协议26
21EtherCAT概述26
22EtherCAT 规范概述39
23EtherCAT 物理层服务和协议规范41
24EtherCAT 数据链路层43
25EtherCAT数据链路层协议规范60
26EtherCAT应用层服务72
27EtherCAT应用层协议规范79
第3章EtherCAT从站控制器85
31EtherCAT从站控制器概述85
32EtherCAT从站控制器的倍福解决方案97
33EtherCAT从站控制器ET1100102
34EtherCAT从站控制器的数据链路控制133
35EtherCAT从站控制器的应用层控制140
36EtherCAT从站控制器的存储同步管理146
37EtherCAT从站信息接口（SII）151
38EtherCAT分布时钟156
39EtherCAT从站控制器LAN9252163
310EtherCAT从站控制器AX58100190
311基于Sitara处理器的EtherCAT工业以太网205
312集成EtherCAT的AM353x处理器210
313netX网络控制器217
314Anybus CompactCom嵌入式工业网络通信技术219
第4章EtherCAT从站硬件系统设计225
41基于ET1100的EtherCAT从站硬件电路系统设计225
42基于LAN9252的EtherCAT从站硬件电路系统设计244
43 8通道模拟量输入智能测控模块（8AI）的设计247
44 8通道热电偶输入智能测控模块（8TC）的设计252
45 8通道热电阻输入智能测控模块（8RTD）的设计256
46 4通道模拟量输出智能测控模块（4AO）的设计259
47 16通道数字量输入智能测控模块（16DI）的设计263
48 16通道数字量输出智能测控模块（16DO）的设计266
49 8通道脉冲量输入智能测控模块（8PI）的设计270
第5章EtherCAT从站评估板与从站栈代码272
51 EL9800 EtherCAT从站评估板272
52EtherCAT从站栈代码275
第6章EtherCAT从站信息规范与XML文件292
61EtherCAT从站信息规范292
62 XML文件及示例315
第7章CANopen与伺服驱动器控制应用协议331
71CAN总线简介331
73IEC 618007通信接口标准345
74CoE347
75CANopen驱动和运动控制设备行规357
76CiA402伺服驱动器子协议应用359
77CiA402伺服驱动器子协议运行模式368
第8章EtherCAT主站386
81EtherCAT主站分类386
82TwinCAT 3 EtherCAT主站396
83Acontis EtherCAT主站407
84IgH EtherCAT主站422
85SOEM EtherCAT主站433
86KPA EtherCAT主站438
87RSWECAT Master EtherCAT主站450
第9章EtherCAT从站驱动和应用程序设计454
91EtherCAT从站驱动和应用程序代码包架构454
92EtherCAT从站驱动和应用程序的设计实例458
93EtherCAT通信中的数据传输过程524
第10章从站增加数字量和模拟量通信数据的方法528
101EtherCAT程序和XML文件修改概述528
102EtherCAT从站XML文件的修改实例530
103在EtherCAT从站开发板上增加一个自定义的变量561
104EtherCAT从站增加数字量输入/输出DI/DO数据通信的方法567
105EtherCAT从站增加模拟量输入/输出AI/AO数据通信的方法572
第11章主站软件安装与从站开发调试592
111EtherCAT开发前的准备——软件的安装592
112EtherCAT从站的开发调试595
习题610
参考文献616

现场总线技术经过二十多年的发展，现在已进入稳定发展期。近几年，工业以太网技术的研究与应用得到了迅速的发展，工业以太网已经成为重要的工业控制网络。
EtherCAT是由德国倍福（BECKHOFF）公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备以拓扑结构形式连接。其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。EtherCAT是一项高性能、低成本、应用简易、拓扑灵活的工业以太网技术，并于2007年成为国际标准。EtherCAT技术协会（EtherCAT Technology Group，ETG）负责推广EtherCAT技术和对该技术的持续研发。
EtherCAT扩展了IEEE8023以太网标准，满足了运动控制对数据传输的同步实时要求。它充分利用了以太网的全双工特性，并通过“On Fly”模式提高了数据传送的效率。
EtherCAT工业以太网技术在全球多个领域得到广泛应用。如机器控制、测量设备、医疗设备、汽车和移动设备以及无数的嵌入式系统中。
EtherCAT由主站和从站组成工业控制网络，主站一般采用倍福公司的TwinCAT 3等产品或者采用开源主站（如IgH、SOEM等），从站可以选用市场上已有的产品。但对于一些有特定要求的设备，则需要开发EtherCAT从站。由于EtherCAT技术开发难度较大，且获取详细的技术开发资料需要先加入ETG成为会员，再加上EtherCAT有很多应用行规，给开发者带来了很大的困难。本书的目的就是让开发者对EtherCAT工业以太网有一个全面的理解，通过本书的学习，能够对开发和应用EtherCAT工业以太网有所帮助。
本书共分11章。第1章介绍了工业以太网技术及其通信模型和优势、实时以太网和实时工业以太网模型分析及国内外流行的工业以太网；第2章首先对EtherCAT工业以太网进行了整体架构介绍，然后讲述了EtherCAT通信协议，包括EtherCAT规范概述、EtherCAT物理层服务和协议规范、EtherCAT数据链路层、EtherCAT数据链路层协议规范、EtherCAT应用层服务、EtherCAT应用层协议规范；第3章详述了EtherCAT从站控制器，包括EtherCAT从站控制器概述、EtherCAT从站控制器的倍福解决方案、EtherCAT从站控制器ET1100、EtherCAT从站控制器的数据链路控制、EtherCAT从站控制器的应用层控制、EtherCAT从站控制器的存储同步管理、从站信息接口（SII）、分布时钟操作、EtherCAT从站控制器LAN9252、EtherCAT从站控制器AX58100、基于Sitara处理器的EtherCAT工业以太网、集成EtherCAT的AM353x处理器、netX网络控制器、Anybus CompactCom嵌入式工业网络通信技术；第4章详述了EtherCAT从站硬件系统设计，包括基于ET1100的EtherCAT从站硬件电路系统设计、基于LAN9252的EtherCAT从站硬件电路系统设计、8通道模拟量输入智能测控模块（8AI）的设计、8通道热电偶智能测控模块（8TC）的设计、8通道热电阻智能测控模块（8RTD）的设计、4通道模拟量输出智能测控模块（4AO）的设计、16通道数字量输入智能测控模块（16DI）的设计、16通道数字量输出智能测控模块（16DO）的设计、8通道脉冲量输入智能测控模块（8PI）的设计；第5章详述了EtherCAT从站评估板与从站栈代码，包括EL9800 EtherCAT从站评估板、EtherCAT从站栈代码；第6章详述了EtherCAT从站信息规范与XML文件，包括EtherCAT从站信息规范、XML文件及示例；第7章详述了CANopen与伺服驱动器控制应用协议，包括CAN总线简介、CANopen协议、IEC 618007通信接口标准、CoE、CANopen驱动和运动控制设备行规、CiA402伺服驱动器子协议应用、CiA402伺服驱动器子协议运行模式；第8章讲述了EtherCAT主站，包括EtherCAT主站分类、TwinCAT 3 EtherCAT主站、Acontis EtherCAT主站、IgH EtherCAT主站、SOEM EtherCAT主站、KPA EtherCAT主站、RSWECAT Master EtherCAT主站；第9章详述了EtherCAT从站驱动和应用程序设计，包括EtherCAT从站驱动和应用程序代码包架构、EtherCAT从站驱动和应用程序设计、EtherCAT通信中的数据传输过程；第10章详述了从站增加数字量和模拟量通信数据的方法，包括EtherCAT程序和XML文件修改概述、EtherCAT从站XML文件的修改实例、在EtherCAT从站开发板上增加一个自定义的变量、EtherCAT从站增加数字量输入/输出（DI/DO）数据通信的方法、EtherCAT从站增加模拟量输入/输出（AI/AO）数据通信的方法；第11章讲述了主站软件安装与从站开发调试，包括EtherCAT开发前的准备——软件的安装；EtherCAT从站的开发调试。
本书是作者科研实践和教学的总结，一些实例取自作者多年来的工业以太网科研攻关课题。对本书中所引用的参考文献的作者，在此一并向他们表示真诚的感谢。由于编者水平有限，并且EtherCAT工业以太网涉及的技术资料繁多，书中错误和不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。

编者