EtherCAT 标准全景：为什么电机遵循 CiA 402、I/O 模块遵循 CiA 401？
做 EtherCAT 从站或做系统集成，迟早会撞上这么一句话：“伺服要走 CiA 402，I/O 模块要走 CiA 401。” 照做没问题，但很多人心里一直有个疙瘩——CiA 不是 CANopen 那边的组织吗？为什么 EtherCAT 的标准里会出现 CANopen 的行规？还有 ETG.6010、ETG.2000、IEC 61800-7 这些编号，到底谁管谁？
这篇把整套标准体系一次拆开。核心结论先放这儿：
EtherCAT 标准不是一个文件，是一个四层体系。下层规定”怎么把数据准时送到”，上层规定”设备是什么、怎么被控制”。CiA 401 / 402 属于最上层的设备行规，它们本来是 CANopen 的，靠 CoE 搬上了 EtherCAT；而 ETG.6010 又把它们收窄成 EtherCAT 伺服的统一行为。所以”电机遵循 CiA 402″这句话，其实省略了中间两三层。
一、先分层：EtherCAT 标准的四层结构
最常见的误解，是把”EtherCAT 标准”等同于 ETG.1000。其实 ETG.1000（Parts 2~6）只定义了通信：物理层、数据链路层、应用层服务与协议。它回答”一个 EtherCAT 帧怎么飞过从站”，完全不回答”从站里 0x6040 这个索引是什么意思”。
| 层 | 管什么 | 代表规范 |
|---|---|---|
| L1 国际标准 | 把 EtherCAT 写进 IEC 体系，确立合法身份 | IEC 61158 Type 12（ETG.1000 即其实现）、IEC 61784-2 CPF 12（实时以太网通信行规）、IEC 61784-5-12（安装行规）、IEC 61800-7-201/-301（驱动行规及其网络映射）、IEC 61784-3 FSCP 12（功能安全通信） |
| L2 ETG 技术规范 | 协议细节、设备描述、实现与测试规则 | ETG.1000(2~6) 通信规范、ETG.1020 协议增强、ETG.2000 ESI、ETG.2100 ENI、ETG.2200 从站实现指南、ETG.1500 主站等级、ETG.1600 安装指南 |
| L3 应用层协议 | 数据以什么模型组织、走哪条通道 | CoE CANopen over EtherCAT、SoE SERCOS over EtherCAT、FSoE 安全、EoE 以太网透传、FoE 文件传输、AoE ADS、VoE 厂商自定义 |
| L4 设备行规 | 设备是什么、索引什么含义、怎么被控制 | CiA 401 I/O、CiA 402 驱动、CiA 404/406/408/410…、ETG.5001 MDP、ETG.6010 CiA402 实施指令、ETG.6100 安全驱动 |
一句话记住这个分层：主站靠 ESI（ETG.2000）认识从站，靠行规知道 0x6040 是控制字、0x6000 是数字输入。 少了 L4，”支持 EtherCAT”只是一句运输能力的承诺，不构成互操作性。
二、关键机制：CoE 把 CANopen 行规搬上 EtherCAT
为什么 EtherCAT 不自己发明一套设备数据模型？因为到它诞生时，伺服与 I/O 生态已经在 CANopen 上跑了近二十年。EtherCAT 做了一个很聪明的选择：不发明新东西，只把验证过的东西搬上更快的车——这就是 CoE（CANopen over EtherCAT）。
继承下来的核心资产是对象字典（16 位主索引 + 8 位子索引）：每个参数、每个状态都有统一”门牌号”。通道分两条：
- PDO（过程数据，快车道）：经 SM2/SM3 每周期无握手刷新。控制字、目标位置、实际位置、状态字都在这里飞。
- SDO（服务数据，慢车道）：经 SM0/SM1 邮箱一问一答，用于上电配置、参数读写、诊断，不进实时环路。
PDO 映射本身还是个三层套娃：0x1600/0x1A00 决定”座次表”，0x1C12/0x1C13 决定哪张表生效，0x1C32/0x1C33 与 SM2/SM3 绑定并藏着周期时间与同步模式（直接关联分布式时钟 DC）。
最关键的推论：行规与总线是解耦的。 CiA 402 定义的是应用层行为（控制字怎么跳状态机、有哪些操作模式），总线只负责把这些对象准时送到。所以同一份状态机代码，在 CANopen、EtherCAT(CoE)、PROFINET、POWERLINK 上都能用——只是承载它的”车”不同，设备描述文件也不同（EtherCAT 用 ESI，CANopen 用 EDS/DCF，PROFINET 用 GSDML）。
顺带把 L3 其他几个协议也理清，别混淆：
| 协议 | 用途 | 和行规的关系 |
|---|---|---|
CoE |
CANopen 对象字典/SDO/PDO 跑在 EtherCAT 上 | CiA 4xx 行规的主要承载者，本文主角 |
SoE |
SERCOS III 行规（IEC 61800-7-204）跑在 EtherCAT 上 | 驱动的另一条路线，与 CoE+CiA402 并存 |
FSoE |
安全数据以”黑通道”方式嵌入过程数据 | 对应 ETG.5100 / IEC 61784-3 FSCP 12，TÜV 认证可支持到 SIL 3 |
EoE / FoE / AoE / VoE |
以太网帧透传 / 固件文件传输 / ADS 路由 / 厂商自定义 | 属于邮箱服务，不定义设备行为 |
三、设备行规族谱：CiA 4xx 谁管什么
先纠正一个归属：CiA 4xx 系列由 CiA（CAN in Automation）维护，不是 ETG 制定的。ETG 做的是规定”它们在 EtherCAT 上怎么落地”（下一节讲）。
| 行规 | 管辖对象 | 典型设备 |
|---|---|---|
CiA 401 |
通用数字/模拟 I/O 模块 | 分布式 I/O 端子、阀岛、远程采集 |
CiA 402 |
驱动器与运动控制（最广泛部署） | 伺服、步进、变频器 |
CiA 404 |
测量设备与闭环控制器 | 测量仪表、闭环调节模块 |
CiA 406 |
旋转/线性编码器 | 绝对值与增量式编码器 |
CiA 408 |
流体动力技术 | 比例阀、液压传动 |
CiA 410 |
倾角仪 | 双轴倾角传感器 |
CiA 418 / 419 / 458 |
电池模块 / 充电器 / 能量测量 | AGV、储能、电能表 |
CiA 445 / 446 / 463 |
RFID / AS-i 网关 / IO-Link 网关 | 各类协议网关 |
CiA 450 / 453 / 452 / 460 |
泵 / 电源 / PLCopen 运动控制 / 服务机器人 | 专用设备与上层功能映射 |
两类行规别混： CiA 401/402/404/406/408/410 属于通用设备行规（generic device profile），按”设备类型”定义；而 CiA 415（筑路机械传感器）、417（电梯控制）、422（市政车辆）、423（轨道车辆动力）这类属于应用行规（application profile），按”行业整机”定义。做从站产品通常只需要前者。
四、CiA 401 vs CiA 402 正面对照
回到开头那个问题。两者都是设备行规，都由 CoE 承载，都写进 ESI——但复杂程度完全不在一个量级。
| 维度 | CiA 401（I/O） | CiA 402（驱动） |
|---|---|---|
| 核心对象 | 0x6000 DI、0x6200 DO、0x6401 AI、0x6411 AO | 0x6040 控制字、0x6041 状态字、0x6060 模式、0x607A 目标位置、0x6064 实际位置 |
| 过程数据 | 几位/几字节 I/O 状态，每周期原样刷新 | 每周期送设定值、回实际值，还要位定义随模式变化 |
| 状态模型 | 无状态机，上电即用 | 402 状态机（Switch On Disabled → Ready → Switched On → Operation Enabled）+ 故障/快停分支 |
| 操作模式 | 无 | PP / PV / TQ / HM / IP / CSP / CSV / CST 等，由 0x6060 选择 |
| 同步要求 | 宽松 | 硬实时，常需 DC 分布式时钟与 Sync0 对齐 |
三个容易踩空的细节
① 共用同一段索引，却不会打架。 0x6000 起的”标准化行规区”是公共地址空间，CiA 401 和 CiA 402 都往里放对象。之所以不冲突，是因为一台设备只实现一种行规：I/O 模块不会去实现 0x6040，伺服也不会去实现 0x6200。索引只是门牌号，行规才规定门牌里住的是谁。
② 多轴驱动器按 0x800 偏移。 多轴 CiA 402 从站，第二轴起对象整体平移：轴 1 用 0x6000–0x67FF，轴 2 用 0x6800–0x6FFF，轴 3 用 0x7000–0x77FF。于是轴 2 的控制字是 0x6840、目标位置 0x687A。做多轴 ESI 时漏了这个偏移，主站扫描出来就只有一根轴能动。
③ EtherCAT 的 I/O 不一定走 CiA 401。 很多模块化 I/O 从站走的是 ETG.5001 MDP（Modular Device Profile），用”模块 + 通道”的结构化方式描述自己，而不是经典 CANopen 的 0x6000/0x6200。两条路线并存，选型时务必看 ESI 里声明的 Profile，别默认”I/O 就是 CiA 401″。
五、ETG 自己的行规与那道”收敛指令”
这一节是很多资料讲不清、但对”通用性”最要紧的一环。
IEC 61800-7-201 把 CiA 402 写成了国际标准（Profile Type 1），IEC 61800-7-301 规定它怎么映射到网络技术。听起来很完备，但 ETG 官方对 ETG.6010 的说明是这样的：
“IEC 61800-7 定义了大量可选对象和操作模式。本文件旨在为支持 CiA 402 行规的 EtherCAT 伺服驱动器定义一套共同行为。”
翻译过来：标准太宽松了，各家”都支持 CiA 402″仍可能互不兼容。 你实现这 10 个可选对象、我实现另外 10 个，你 CSP 默认 PDO 这么排、我那么排——主站照样得为每家写适配。ETG.6010 就是把这些含糊处钉死：哪些对象必备、PDO 默认怎么映射、状态机怎么走、同步模式怎么配。这才是”不同品牌 EtherCAT 伺服能换着用、主站一套代码带多家驱动”的真正原因。
ETG 自有的其他行规与规范，按用途速查：
| 规范 | 作用 |
|---|---|
ETG.6010 |
CiA 402 在 EtherCAT 上的实施指令（含状态机章节、PDO/同步约定） |
ETG.5001 MDP |
模块化设备行规，把 I/O 按模块与通道结构化描述；ETG.5001.4 为安全模块 |
ETG.6100 / ETG.5100 / ETG.5120 |
安全驱动行规 / FSoE 安全协议 / 协议增强 |
ETG.5003（含 .2 固件更新） |
半导体设备行规，其固件更新规范也可作为任意从站的参考 |
ETG.2000 / 2001 / 2010 |
ESI 设备描述 XML schema / 注释示例 / SII（从站 EEPROM）结构 |
ETG.2100 / ETG.1005 |
ENI 网络组态文件 / EAP 自动化协议 |
ETG.1020 / ETG.1300 / ETG.9001 |
协议增强 / 指示灯与标签 / 商标与标记规则 |
六、一致性：ESI → CTT → Plug Fest
标准写得再好，也得有办法验证”你到底遵没遵”。这条链路是：
- ESI（ETG.2000）：从站的”户口本”，XML 描述厂商 ID、产品号、对象字典、PDO、同步能力。主站扫描设备、组态工具生成 ENI（ETG.2100） 全靠它。
- CTT（ETG.7000 / 7010 指南 / 9000、9003 政策）：一致性测试工具，逐项检查协议行为、ESI 合规性、状态机、错误处理。这是”及格线”。
- Plug Fest（ETG.7200）：ETG 组织的跨厂商互操作联调，把各家主站和从站放一起实测。2026 年欧洲站有 30 家厂商、69 名开发者参加，是这类活动的常态规模。
- 跨主站实测：TwinCAT / IgH / CODESYS 上都能进 OP 才算”实战线”——这也是我们之前用双主站验证 CSP 驱动器时做的事。
三本账必须对齐： ESI XML 里声明的对象/PDO、固件里真实实现的对象字典、主站组态里的映射，三者索引与长度必须一致。0x1018 的厂商 ID 与 ESI 的 Vendor Id 差一个字符，主站就可能拒认；PDO 映射长度与 SM 配置不符，轻则卡在 Safe-Op 报 0x001D，重则根本进不了 OP。这类问题在双主站验证里最常暴露。
七、落地清单：开发者与集成商各查什么
| 角色 | 按这个顺序过一遍 |
|---|---|
| 从站开发者 | ① 按设备类型选行规（I/O → CiA 401 或 MDP；驱动 → CiA 402） ② 实现必备对象字典，驱动务必对照 ETG.6010③ 写 ESI（ETG.2000），与固件 0x1018 严格一致④ 配 PDO 映射三层（0x1600/0x1A00 → 0x1C12/0x1C13 → SM2/SM3）与 DC ⑤ 跑 CTT 拿一致性记录 ⑥ 换 TwinCAT / IgH / CODESYS 各跑一遍 |
| 集成商 / 选型 | ① 看 ESI 声明的 Profile，别只信”支持 EtherCAT”四个字 ② 驱动查 0x6502（支持的驱动模式），确认有你要的 CSP/CSV/CST③ 查是否支持 DC 同步、Sync0 对齐能力 ④ 查是否通过 CTT、有无一致性证书 ⑤ 复杂多轴先做跨主站小样验证再批量 |
给赶时间的人的一句话：做 I/O 从站，先想清楚走 CiA 401 还是 ETG.5001 MDP；做伺服从站，CiA 402 只是入场券，真正决定能不能被各家主站带起来的是 ETG.6010 + 一份和固件完全对齐的 ESI。
标准体系看着编号繁多，理顺了其实就一条主线：协议负责准时送到，行规负责语义统一，实施指令负责消除可选项，一致性测试负责证明你没跑偏。 四件事各司其职，才有”换个品牌、换个主站都能跑”的通用性。
系列前作，按需延伸阅读：
- 《CiA 402 入门到实战》——状态机逐位、控制字/状态字、操作模式与对象字典速查（本文的 L4 细读）
- 《EtherCAT 从站实战：用 TwinCAT 与 IgH 双主站验证 CSP 电机驱动》——标准落地的实战检验，含 0x0017/0x002A 排查
- 《EtherCAT 从站研发技术路线全景》——ESC 选型、CTT 认证与投入回本
- 《运动控制器与”普通控制电机运动”到底差在哪？五种连 PC 方式一次说清》
- 《TSN 在工业总线上的应用全景》 · 《EtherCAT 市场现状与未来十年预测》
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