本文以列车监控及故障检测通信系统为应用背景,基于工业以太网EtherCAT协议进行从站设备研究与协议建模仿真分析,为工业以太网EtherCAT在列车通信系统中的应用提供技术参考。首先,建立EtherCAT通信网络环境,简要分析了主站软件TwinCAT对EtherCAT的配置与使用,为下一步的研究完成环境配置。然后,基于EtherCAT从站芯片及协议,设计了基于嵌入式Linux系统的EtherCAT智能从站。进行硬件接口设计及从站其他功能模块的配置,最终设计制作完成硬件电路板。完成了系统剪裁移植及从站网卡驱动开发,基于EOE协议实现了以太网包在EtherCAT网段内的分包传输,并建立了Boa网页服务器测试,最终实现了EtherCAT从站内的监控网页服务器,并测试了网络性能。另外,建立了工业以太网EtherCAT的时钟同步延时误差模型,并建立了引入误差量的时钟同步算法及仿真程序。基于EtherCAT网络的三种基本拓扑结构,进行同步误差仿真及分析,总结出三种拓扑结构的同步误差累积规律公式及累积参数。累积规律公式为实际应用中构建复杂拓扑结构提供了理论参考,并可以用于改进主站的时钟同步算法。最后,在比较分析EtherCAT协议的优缺点之后,本文提出了一种新的基于EtherCAT改变而成的EtherDOG协议,能够实现无主站通信、竞选主站、并行传输、根据拓扑结构寻址等功能,并建立模型仿真分析EtherDOG协议的可行性。EtherDOG协议可以为通信节点自组织、自适应及微网段模块化提供通信技术支持。