EtherCAT 技术要点总结

♢技术背景

EtherCAT 是一种基于以太网的实时工业现场总线协议，属于实时工业以太网技术。它结合了传统以太网的灵活性与工业控制的实时性要求，广泛用于运动控制、伺服驱动、I/O采集等场景。

1底层基础：以太网

什么是以太网

以太网是目前使用最普遍的一种计算机局域网技术。EtherCAT 的底层协议就是以太网，其数据帧封装在以太网的 data 字段中。

以太网帧格式

目的地址	源地址	类型	数据	FCS

MAC: 6B MAC: 6B 2B 46~1500B 4B

· 目的/源地址为网络中的 MAC 地址
· 常用类型：0x0800（IPv4）、0x8814（EtherCAT）

                    为什么最小46字节？

                    为保证冲突检测，以太网规定一帧最小64字节。去掉帧头14字节和帧尾FCS 4字节后，数据区最小为46字节；不足时自动补0。

实测抓包观察：
抓包可见广播帧长度60字节（含4字节FCS），帧字段依次为：目的（广播）→ 源（MAC地址）→ 类型 8814 → 长度字段 01 → EtherCAT 数据区。

2EtherCAT 的核心定位

实时工业以太网：满足工业实时控制通信的要求，是实时工业以太网的一种

基于以太网的现场总线：实现现场设备（执行机构、传感器等）互联互通

现场总线延伸：让现场层设备通过以太网实现数字化、多点通信

3EtherCAT 系统组成

主站 (Master)控制中心，配置网络并管理通信

从站 (Slave)执行器、传感器、采集模块等

核心组件：ESC 从站控制器

ESC 是 EtherCAT 从站控制器的核心芯片，几乎所有协议栈技术实现都集中在 ESC 中。从站比主站更复杂，涉及寄存器配置、FMMU、SM 等多个模块。

典型案例：使用 ET100 芯片时，需重点配置其内部寄存器。

4关键技术模块

FMMU（现场总线内存管理单元）

实现逻辑地址 ➔ ESC 物理地址的转换。主站为每条 PDO 分配逻辑地址，FMMU 负责将逻辑地址映射到 ESC 内存中的实际地址。

SM（同步管理器）

SM 管理 ESC 内部用于数据交互的内存区域。主站通过 SM 与从站进行 PDO（过程数据）或 SDO（服务数据）交互，管理邮箱和过程数据的起始地址及默认大小。

SM 管理的内存类型：
邮箱（输出/输入）：用于非周期数据
过程数据（PDO）：用于周期实时数据交换

PDI（过程数据接口）

ESC 与从站 MCU 或 FPGA 之间的通信接口。实际场景中，控制命令通过 PDO 传入 ESC，再由 PDI 传输到 MCU，MCU 最终控制电机等执行机构动作。

5控制数据流转示意

主站 ➔ PDO ➔ ESC ➔ PDI ➔ MCU/FPGA ➔ 电机执行

以伺服电机为例：主站将控制指令通过过程数据传给 ESC，ESC 通过 PDI 接口将指令数据送至 MCU，MCU 根据指令实际驱动电机运动，实现真实的物理控制。

6地址空间与寄存器

                        理解要点： FMMU 负责逻辑地址 → 物理地址转换；SM 负责内存单元管理；两者协同完成主从站之间的高效数据交互。
                    

核心链路：一切数据流动，最终都是为了从主站真实驱动一个物理设备。

⇧速览卡片

0x8814EtherCAT类型

46B最小帧数据

ESC从站核心

EtherCAT 技术原理核心要点梳理