EtherCAT PDO映射概述
文章目录
- 前言
- 一、PDO映射相关概念介绍
- 二、PDO映射配置过程详解
前言
当主站使用EtherCAT协议传输过程数据来控制从站设备时，会疑问主站是在什么时候告诉从站要传输什么过程数据的？
答案是，在PDO映射阶段完成的。
PDO映射简单来说就是通过CoE（CANopen over EtherCAT）协议来访问从站内部的一段结构化的数据，向其中写入数据来告诉从站之后会传输哪写PDO。
这段数据就是对象字典（Object Dictionary，OD）。
对象字典涉及的内容很对，包含很多分区。有些区是静态的，让用户从中读取信息，例如标准化设备子协议区，供用户了解该设备支持哪些PDO；有些区是可动态写入的，让用户按需进行配置，例如通信对象子协议区中的PDO参数对象部分，供用户配置PDO映射。
本文将针对过程数据对象的配置过程开展介绍。
一、PDO映射相关概念介绍
下图是EtherCAT从站设备的功能架构。
可以看到，EtherCAT从站设备功能组件可分为三层：物理层、数据链路层和应用层。应用层上方的从站应用功能会与对象字典交互，EtherCAT主站也能通过从站设备的ESC访问到对象字典，即对象字典是EtherCAT主站与从站应用之间过程数据的传输中转站。
对象字典（Object Dictionary）是用于描述设备信息的一种数据结构，通过索引、子索引可以定位到对象字典中某个数据信息。对象字典中的内容分布如下。
索引
内容
0x0000-0x0FFF
数据类型描述
0x1000-0x1FFF
通信对象子协议区
0x2000-0x5FFF
制造商特定子协议区
0x6000-0x9FFF
标准化设备子协议区
0xA000-0xAFFF
网络变量
0xB000-0xBFFF
用于路由网关的系统变量
0xC000-0xFFFF
保留
PDO（过程数据对象）映射就是通过CoE协议来修改通信对象子协议区中的部分数据
通信对象子协议区中的内容如下。
索引
内容
0x1000-0x1029
通用通讯对象
0x1200-0x12FF
SDO参数对象
0x1300-0x13FF
安全对象
0x1400-0x1BFF
PDO参数对象
0x1F00-0x1F11
SDO管理对象
0x1F20-0x1F27
配置管理对象
0x1F50-0x1F54
程序控制对象
0x1F80-0x1F89
网络管理主机对象
还需要厘清PDO、SDO两个对象。
PDO，过程数据对象，即在周期性控制过程中主从站之间需要传输的数据对象。是对象字典中索引0x6000到0x9FFF的内容。
每个数据对象都有特定功能，有些是主站向从站发送的，称为RxPDO，用于控制从站设备执行功能；有些是从站向主站发送的，称为TxPDO，用于向主站上报从站设备的状态信息。如下图是信捷伺服电机设备的对象字典中的部分PDO。
SDO，服务数据对象，是主从站之间进行非周期性通信时的数据对象。对象字典中除PDO以外的部分都可以称为SDO。
PDO映射对象和PDO分配对象是与PDO的配置相关的两个SDO，虽然名称里带有PDO但并不属于PDO。PDO、PDO映射对象和PDO分配对象实际上是层层嵌套的关系，三者配合起来用于描述具体使用哪些PDO来控制从站设备。
PDO映射对象分为RxPDO映射对象和TxPDO映射对象两类，每类都有若干个对象，每个PDO映射对象用于映射一组PDO。RxPDO映射对象位于对象字典索引0x1600到0x17FF位置，TxPDO映射对象位于0x1A00到0x1BFF位置。
PDO映射对象包含n个子索引，子索引0表示该PDO映射对象中映射了多少个PDO，其余子索引表示映射了哪些PDO。
如下图是一个EtherCAT电机设备的索引为0x1600的RxPDO映射对象。00子索引的值是0x0B，即该RxPDO映射对象映射了11个RxPDO(虽然实际上只有六个是有意义的RxPDO)。0x01子索引到0x06子索引的值，描述了该RXPDO映射对象映射了哪些PDO。如0x01子索引的值是0x60400010，就表示0x01子索引映射的是对象字典中索引为0x6040，子索引为0x00的PDO，并且其数据长度为0x10。
我们也可以到对象字典对应的索引位置看一下，索引为0x6040，子索引为0x00的PDO是控制字。
PDO分配对象只有两个：
一个RxPDO分配对象，在对象字典中的索引为0x1C12；
一个TxPDO分配对象，在对象字典中的索引为0x1C13。
上文提到每个PDO映射对象中映射了一组PDO，而PDO分配对象用于最终选定使用哪几个PDO映射对象，即选定使用哪几组PDO。
PDO分配对象包含5个子索引，子索引0x01到0x04分别指定一个PDO映射对象，子索引0x00表示从子索引0x01开始一共使用几个PDO映射对象。
如下图是一个EtherCAT电机设备的RxPDO分配对象和TxPDO分配对象。RxPDO分配对象子索引0x01的值为0x1600，且子索引0x00的值为1，则表示最终选定了索引为0x1600的RxPDO映射对象，也就是说选定了索引为0x1600的RxPDO映射对象中映射的一组RxPDO作为主站向从站传输使用的PDO。TxPDO分配对象同理，选定了索引为0x1A00的TxPDO映射对象中映射的一组TxPDO作为从站向主站传输使用的PDO。
下图更直观的展示了PDO、PDO映射对象、PDO分配对象之间的关系。
值得注意的是，有些从站设备对象字典的PDO映射对象和PDO分配对象存在默认的初始配置，设备上电后可直接基于默认配置来传输过程数据。而有些从站设备的PDO映射对象和PDO分配对象中的值默认是空的，需要先向各个对象的子索引写入值完成配置之后，才能传输过程数据。
一旦对象字典中的PDO映射对象、PDO分配对象设置完成，从站控制应用就可以读取对象字典中的PDO相关对象的值来确定需要从对象字典中哪些RxPDO读取数据，以及向对象字典中哪些TxPDO写入数据了。
此外，还需要关注SM（Sync Manager，同步管理器）。可以看到从站在物理层接收到配置PDO的EtherCAT数据帧后，需要通过SM写入对象字典中。
下一节通过EtherCAT数据帧收发记录来介绍具体配置过程。
二、PDO映射配置过程详解
1、清空SM配置
从站最多支持16个SM，配置SM的寄存器地址从0x0800开始，开头8个字节用于配置第一个SM，后面依次类推，如下图所示。
配置PDO首先需要清空之前的SM配置。
主站发送FPWR类型帧，向从站寄存器0x0800地址开始的64个字的空间写入0，清空所有SM配置。
2、重新配置SM
然后重新配置前两个SM，SM0用于写入SDO，SM1用于读取SDO。
还是向寄存器0x0800地址写入，共写入32个字的数据，前八个字用于配置SM0，后八个字配置SM1。最后16个字对应的SM2和SM3用于传输PDO，但在该阶段用不到，所以没有配置。
首先来看对SM0的配置数据：0010 8000 2600 0100 （注意该数据采用小端字节序）。
0-1字节用于配置物理起始地址，即SDO数据写入的位置。SM0配置的物理起始地址一般都是0x1000。
2-3字节用于配置寄存器长度，单位是字，0x0080表示长度为128个字。
4字节用于SM0工作参数配置，配置数据为0x26，二进制为0010 0110，第7位到第0位的顺序是从左到右。
工作模式配置数据为10，Mailbox模式；
读写方向配置数据为01，主站可写入，从站应用层可读取；
主站中断请求配置为0，关闭使能；
应用层中断请求配置为1，开启使能；
看门狗配置为0，关闭使能；
5字节是SM状态寄存器，用于读取SM状态，在配置操作中用不到，因此数据全为0。
6字节用于激活SM，配置数据为0x01，二进制为0000 0001。0位置1，激活SM。
7字节用于PDI控制，配置数据为0x00。
SM1的配置数据：0012 0001 2200 0100
SM1物理起始地址为0x1200，即读取SDO数据的位置。长度为0x0100，256个字。工作参数配置和SM0的区别是读写方向，SM1是从站写入，主站读取。其他配置都相同。
3、配置PDO映射对象
完成SM0和SM1的配置后，就能够通过SM0、1读写SDO数据来完成PDO映射的配置过程了。
本文以配置索引为0x1600的RxPDO映射对象为例，介绍配置过程。
（1）对PDO映射对象的0x00子索引置零
主站发送FPWR类型帧，可以看到帧包含了一个CoE包。
向索引为0x1600，子索引为0x00的位置写入数据0x00。
子索引0x00用于表示该映射对象中映射的PDO数量。
所以操作逻辑是先将数量清零，映射完PDO后，再重新写入映射数量。
（2） 依次配置PDO映射对象的其他子索引
向0x01子索引写入0x60400010。也就是将对象字典中索引为0x6040，子索引为0x00的PDO，映射到该RxPDO映射对象中。0x60400010最后的10，表示该PDO长度为16比特。
然后再依次向该RxPDO映射对象的0x02子索引以及后面的子索引写入数据。
（3） 向PDO映射对象的0x00子索引写入映射的PDO个数
PDO映射完成后，再向PDO映射对象的0x00子索引写入PDO映射数量。
到此完成了一个RxPDO映射对象的配置，然后还可以继续配置其他PDO映射对象，配置过程相同。
4、配置PDO分配对象
完成PDO映射对象后，开始配置PDO分配对象。
以索引为0x1C12的RxPDO分配对象为例，介绍配置过程。
（1）对PDO分配对象的0x00子索引置零
和配置PDO映射对象类似，先将PDO分配对象的0x00子索引置零。
（2）依次配置PDO分配对象的其他子索引
向0x01子索引写入需要分配的PDO映射对象的索引值，例如下图中写入的是0x1600这个RxPDO映射对象。
然后还可以继续在该PDO分配对象下分配PDO映射对象。但最多只能分配4个PDO映射对象。
（3）向PDO分配对象的0x00子索引写入分配的PDO映射对象个数
最后，向0x00子索引写入分配的PDO映射对象个数。
需要注意的是，即便在该PDO分配对象中分配了4个PDO映射对象，但在0x00子索引写入0x01后，那就只有分配的第一个PDO映射对象会起作用。
到此，完成了PDO映射的配置过程。相当于主站、从站双方已经知道要传输哪写PDO了，接下来再配置完SM2、3以及FMMU，就可以开始正式传输过程数据了。