EtherCAT总线之IO模块读写

上一篇文章 《【睿擎派】CANOpen总线之IO模块读写(DS401协议)》 ，我在瑞清上写过关于CANOpen的IO模块通信的文章。为什么我首先写CANOpen？说起来挺有意思的，在瑞清皮上连接EtherCAT IO模块花了很长时间，没有太大进展，于是我转头研究了一下基于CANOpen的IO模块的连接，因为两者关系非常密切。

一、EtherCAT和CANOpen的异同CAN总线诞生于1980年代，CANOpen协议于1996年发布，EtherCAT技术于2003年发布。EtherCAT与CANopen的核心关系是：CANopen是一种协议规范（侧重于应用层），EtherCAT是一种总线技术（侧重于物理层/传输层）。 —— 两者均源自CAN 总线生态系统。 EtherCAT复用了CANopen的核心应用层规范，同时在底层传输上实现了质的突破，最终形成“上层兼容、下层独立”的技术互补格局。

EtherCAT完全复用了CANopen的对象字典结构（索引范围、寻址方式），仅在0x1C00~0x1C3F范围内扩展了Sync Manager、DC同步等独占索引。 PDO/SDO的功能定义完全保留，仅改变底层传输方式。

CANopen的PDO通过COB-ID映射到CAN帧，EtherCAT的PDO通过Sync Manager（同步管理器）绑定到以太网帧； CANopen的SDO通过CAN帧分片传输，EtherCAT的SDO通过邮箱通道（SM0/SM1）实现低延迟传输；

CANopen通过EDS（Electronic Data Sheet）文件描述设备的对象字典、PDO映射等配置，主站通过EDS识别设备；

EtherCAT通过ESI（EtherCAT Slave Information）文件扩展了EDS规范，添加了Sync Manager、DC同步、FMMU等EtherCAT特有的配置，同时兼容EDS的核心内容；

另外，关键的区别在于CAN总线的最大速率为1Mbps和ms级的抖动，而EtherCAT则可以有最大1Gbps的速率和us级的抖动。其原因不仅在于速度的差异，还在于传动机构的巨大差异。 CANOpen逐个节点转发帧，需要等待节点处理完毕后才进行传输，而帧是“并行处理”的，所有节点同时读取帧中自己的数据（如下面的动画更形象地展示了EtherCAT的传输原理）。

CANOpen主要应用于低速设备（传感器、执行器）和低成本场景，而EtherCAT则多应用于高速IO、多轴伺服、实时控制场景，如机械臂、体现智能等设备。

二、睿擎派对接雷赛EM32DX-E4-V30模块我从RC-Pi-3506的SDK1.5.0版本开始连接IO模块，经过SDK1.7.0版本，最后在RTT郭老师的帮助下成功调试了SDK1.7.2版本。 SDK1.7.2与SDK1.7.0在EtherCAT接口调用方面存在较大差异，因此本文内容以SDK1.7.2版本为准。

实际对接之前，除了硬件模块外，还需要硬件手册和ESI文件（文末附有相关文件下载链接）。

我们基于BSP版本1.7.2的示例项目06_bus_ethercat_master_2motor_1io进行开发和调试。

本代码的官方说明的链接如下：https://www.rt-thread.com/ruiching/document/site/rc3506/q7dq3ksb/#%E7%A4%BA%E4%BE%8B%E8%BF%90%E8%A1%8C

原始示例支持2台服务器+1个IO模块。为了简单起见，我们的瑞清牌只连接一个IO模块（如下图）。

因此，在ethercat_2motor_1io.c 文件的第16 行，我们将电机数量调整为0。

定义MOTOR_NUM 0 //2

（1）配置PDO最关键的部分是修改IO模块的PDO定义。由于官方示例中使用的IO模块（SG-ELC）与我们的型号规格不同，因此这部分配置需要修改。

检查《EM32DX-E4 模块用户手册 V3.1》 第20页5.2.1 小结（如下图）

对应IO模块的16路开关量输入，因此对应的pdo定义代码如下：

静态ec_pdo_entry_info_t eio_input_pdo_entries[]=

{

{0x6000,0x01, 16 },

};

0x6000是索引地址

0x01是子索引地址

16表示16位

同样，我们参考22页5.2.3的总结（如下图）

对应IO模块的16路开关量输出，因此对应的pdo定义代码如下：

staticec_pdo_entry_info_teio_output_pdo_entries[]={{0x7000,0x01,16},};

0x7000是索引地址

0x01是子索引地址

16表示16位

ec_pdo_entry_info_t 是定义单个PDO 条目的核心属性类型。其结构定义如下：

typedefstruct {uint16_tindex; /PDO 条目索引。 */uint8_tsubindex; /PDO 条目子索引。 /uint8_tbit_length;/** PDO 条目的大小（以位为单位）。 /} ec_pdo_entry_info_t;

index DO主索引（对象字典中对应条目的主索引地址）

子索引- DO 子索引

bit_length 相应的位数

我们再看一下5.2.1和5.2.3中的说明。 TxPDO0的索引地址为0x1A00，RxPDO0的索引地址为0x1600。

我们需要配置eio_pdos对象数组，其结构体定义为ec_pdo_info_t，原型如下：

typedefstruct{uint16_tindex;uint32_tn_entries;ec_pdo_entry_info_tcontentries;}ec_pdo_info_t;

index PDO 索引，也是对象字典的一部分。 TxPDO是从站主站（数据上传），RxPDO是主站从站（指令下发）。

n_entries 对应条目的数量

条目条目数组指针。

所以eio_pdos对象数组的定义代码如下：

ec_pdo_info_teio_pdos[]={{0x1600,1, eio_output_pdo_entries },{0x1a00,1, eio_input_pdo_entries },};

接下来我们定义同步管理器相关的内容。我们先看一下ec_sync_info_t 结构体定义。

typedefstruct{uint8_tindex;/** 同步管理器索引。 /ec_direction_t dir/同步管理器方向。 */uint32_tn_pdos;/pdo 中的PDO 数量。 /ec_pdo_info_tconstpdos；看门狗模式。 */}ec_sync_info_t；

index 同步管理器的硬件索引0 15，常见为SM0-SM3

对应SDO非实时操作

SM0（索引0）——主站IO模块（系统配置），发送SDO消息，配置对象字典，接受CoE管理指令，

SM1（索引1）——IO模块主站（系统响应），SDO响应报文，返回诊断信息，发送从站状态切换码。

对应PDO实时操作：

SM2（索引2）- 主站 IO 模块（输出）

SM3（索引3）- IO 模块 主站（输入）

dir SM 传输方向EC_DIR_OUTPUT：主站输出从站输入（RxPDO，如DO 控制），EC_DIR_INPUT：从站输出主站输入（TxPDO，如DI 采集）。

n_pdos SM要绑定的PDO数量（pdos数组中的PDO数量）

watchdog_mode — 看门狗模式（枚举类型）：

EC_WD_DISABLE：禁用看门狗

EC_WD_ON：使能看门狗（主机心跳超时后，从机进入安全状态，如DO归零）

综上所述，eio_syncs的数组定义如下：

ec_sync_info_teio_syncs[]={{2, EC_DIR_OUTPUT,1, eio_pdos[0], EC_WD_DISABLE },{3, EC_DIR_INPUT,1, eio_pdos[1], EC_WD_DISABLE },};

即用左侧的代码替换官方代码（右侧）。

（2）配置DC这部分相关内容需要查询ESI文件，这是由于DC配置不正确导致设备无法进入OP模式的主要原因。

EM32DX-E4.xml文件中支持两种产品型号，一种是EM32DX-E4-V30，另一种是EM32DX-E4。

EM32DX-E4支持直流同步，配置如下图：

EM32DX-E4-V30对应的ESI描述如下：

通过读取设备数据字典中的信息，我们知道当前的EM32DX-E4模块实际上是EM32DX-E4-V30。它不支持直流电。

相关DC配置必须为0。另外，通过查看手册或者读回数据字典，我们可以知道厂家ID为0x00004321，需要更换。

另外，进入OP模式后，注释掉电机操作代码即可，这里不再详细介绍。

三、运行调试编译代码然后部署。最后，在远程操作终端中，我们输入ect_csp_io来初始化EtherCAT总线及相关配置。然后输入motor_run命令，可以看到开关输出灯像走马灯一样运行。

附1：内置调试命令

附2：雷赛EM32DX-E4说明书和ESI文件https://download.csdn.net/download/yefanqiu/92462286