基于碼靈半導體CF110x系列的EtherCAT-Modbus/RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換器應用方案

現(xiàn)有制造業(yè)現(xiàn)場的設備大多基于現(xiàn)場總線技術，解決了工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器等設備間的通信問題。但現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準眾多，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球上使用著200多種不同的總線（包括PROFIBUS、Modbus/RTU、DeviceNet、CAN等）；且互不兼容無法實現(xiàn)透明信息互訪互聯(lián)和以太網(wǎng)信息集成，不能實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到管理層的無縫信息集成，難以滿足企業(yè)綜合自動化的發(fā)展要求。

工業(yè)以太網(wǎng)在傳統(tǒng)現(xiàn)場總線發(fā)展受到制約后，快速發(fā)展成為了目前十分盛行的信息傳輸載體。其從根本上解決了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的功能單一，兼容性差，難以標準化的缺點。不僅如此，相比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)傳輸速率大幅度增加，也因為其具備開放性則可以利用更多的軟硬件資源。如今，實時工業(yè)以太網(wǎng)技術日趨成熟，已經(jīng)逐步被應用在工業(yè)控制領域中。

在當前的工業(yè)以太網(wǎng)使用范圍中，PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP和PowerLink這幾種使用最為普遍，它們占據(jù)了工業(yè)以太網(wǎng)使用份額的75%以上。其中，EtherCAT以其可擴展性好、與以太網(wǎng)兼容性高、性能優(yōu)越、技術支持廣泛等優(yōu)點成為工控領域傳統(tǒng)控制方式的最佳替代方案之一，滿足了工控領域高實時性、高可靠性的要求。

▲主流工業(yè)通信協(xié)議

目前，幾乎所有工業(yè)控制設備都支持一種到多種通信協(xié)議，很難用一種通信協(xié)議替代所有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。多種通信標準具有的競爭與共存現(xiàn)象的存在，嚴重影響了系統(tǒng)的組態(tài)性和靈活性，也加大了后期系統(tǒng)的維護改造升級成本，對于系統(tǒng)的集中控制和管理也是十分不利的。

為了解決上述問題，在考慮各方的經(jīng)濟、技術利益，同時促進工業(yè)控制領域高速、有序發(fā)展的情況下，現(xiàn)場總線技術與以太網(wǎng)技術的融合成為了行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。想要完成兩種技術的融合，其核心問題就是解決不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換問題。通過設計一款可以實現(xiàn)兩種協(xié)議之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)換器就可以達到現(xiàn)場總線技術與工業(yè)以太網(wǎng)順利結(jié)合的目的。更進一步的形成一種由現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡和以太網(wǎng)技術信息網(wǎng)絡構(gòu)成的新型混合網(wǎng)絡，將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出更為重要的作用。

碼靈半導體基于自研的CF110x系列ESC芯片開發(fā)了EtherCAT-Modbus/RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換器為上述問題的綜合解決提供了一個切實可行的解決方案。該轉(zhuǎn)換器利用工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的擴展性、高速傳輸能力來提高Modbus/RTU總線規(guī)模，并提供額外的RS485接口，可以保護原有的設備投資。既實現(xiàn)了基于不同協(xié)議標準的兩層通訊網(wǎng)絡能夠在同一個工業(yè)網(wǎng)絡框架內(nèi)共存，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和兼容性，且無需淘汰原有設備，從而提高了現(xiàn)有設備的利用率，節(jié)約了投資，并能在既有網(wǎng)絡基礎上簡化布線。

方案的優(yōu)勢特點

搭載了碼靈半導體自主研發(fā)的CF1103A型號ESC芯片，內(nèi)部集成了Cortex-M3內(nèi)核的MCU。這一創(chuàng)新設計顯著減少了對外部元件的依賴，從而有效降低了客戶的元器件成本；深入考慮了工業(yè)環(huán)境的苛刻要求，確保產(chǎn)品能在-40℃至+85℃的寬泛工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，完全符合標準的工業(yè)工作溫度范圍-40℃至+85℃；協(xié)議轉(zhuǎn)換器將EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議，用戶通過簡單的參數(shù)配置快速完成設備和系統(tǒng)之間的連接，無需復雜的編程或深入的協(xié)議知識；在現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡中需要多種通信協(xié)議支持的復雜應用時，無需完全重新布線或更換設備，協(xié)議轉(zhuǎn)換器確保了不同部分的順暢通信，降低了客戶升級和擴展網(wǎng)絡的復雜性和成本。

▲方案框圖

▲方案框?qū)嵨飯D

Modbus/RTU現(xiàn)場總線協(xié)議和EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層采用不同的規(guī)范,在數(shù)據(jù)鏈路層采用不同的介質(zhì)訪問方式。為了實現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，協(xié)議轉(zhuǎn)換器需要滿足兩種協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的要求。

借助CF1103A型號ESC芯片，只需少量的外圍接口電路就可以達到設計的要求。同時CF1103A芯片內(nèi)置MCU的FLASH存儲器高達 512KB，基本上無需擴充程序存儲器就能嵌入各種操作系統(tǒng)。

▲CF1103A產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用 CF1103A芯片內(nèi)置MCU作為主控芯片，負責與工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊和現(xiàn)場總線接口模塊通訊，并負責兩種協(xié)議應用層的轉(zhuǎn)換工作。工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊采用CF1103A來處理 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以直接在硬件中處理EtherCAT 數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn) EtherCAT 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，是系統(tǒng)中最關鍵的組成部分。

Modbus/RTU總線協(xié)議的接口通常采用 RS485 或RS232異步半雙工接口。本方案通過 CF1103A芯片內(nèi)置MCU的通用同步/異步串行接收/發(fā)送接口USART轉(zhuǎn)換成半雙工RS-485串口，完成對 Modbus/RTU總線協(xié)議數(shù)據(jù)的發(fā)送工作和接收工作。

主控MCU、工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊、現(xiàn)場總線通訊適配器模塊、靜態(tài)存儲器之間通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部總線連接。采用靜態(tài)存儲器( RAM)作為數(shù)據(jù)存儲器存儲從節(jié)點的過程數(shù)據(jù)，在主控MCU的RAM中劃分EtherCAT報文和Modbus報文的存儲緩沖區(qū)(包含各自的輸入和輸出緩沖區(qū))。協(xié)議轉(zhuǎn)換器從EtherCAT站收到的報文存入EtherCAT接收緩沖區(qū)，向EtherCAT站返回應答時從Modbus總線的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)打包成EtherCAT應答報文的格式進行發(fā)送；協(xié)議轉(zhuǎn)換器從EtherCAT接收緩沖區(qū)獲取報文并存入Modbus報文發(fā)送緩沖區(qū)，依據(jù)數(shù)據(jù)幀/功能碼進行發(fā)送分析，決定采用單次還是分次發(fā)送方式。

碼靈半導體開發(fā)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器具有成本低、運行速度快、工作穩(wěn)定等特點，完全滿足系統(tǒng)的各項指標。在無需對原有Modbus/RTU網(wǎng)絡做任何改動的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)其與EtherCAT協(xié)議之間信息的互聯(lián)互通。

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)性能的提高，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)上的應用也會越來越廣泛?，F(xiàn)場總線作為一種相對成熟的工業(yè)控制網(wǎng)絡,在相當長的時間內(nèi)不會退出歷史舞臺。如何協(xié)調(diào)兩者之間的關系，使兩者充分發(fā)揮各自的長處，互為補充成為不可回避的問題。基于碼靈半導體CF1103A型號ESC芯片開發(fā)的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)和Modbus/RTU現(xiàn)場總線間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器既滿足了設備層的要求，又實現(xiàn)了信息層和設備層的有機結(jié)合，使得基于不同協(xié)議標準的兩層通訊網(wǎng)絡能夠在同一個工業(yè)網(wǎng)絡框架內(nèi)共存，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和兼容性。這種網(wǎng)絡構(gòu)成方式必將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

碼靈半導體具有工業(yè)控制核心器件的全面支撐能力，憑借在產(chǎn)品技術創(chuàng)新、品質(zhì)管控、穩(wěn)定供貨與本土化服務等方面的領先優(yōu)勢，在工業(yè)領域以優(yōu)質(zhì)EtherCAT產(chǎn)品及解決方案助力合作伙伴實現(xiàn)更多創(chuàng)新應用并取得了優(yōu)異成績，CF110x系列工業(yè)增強級EtherCAT從站控制器等產(chǎn)品已在遠程IO、步進電機驅(qū)動器、伺服電機驅(qū)動器、變頻器、工業(yè)機器視覺、工業(yè)通信模塊/接口卡等方面獲得行業(yè)標桿客戶批量應用。目前，碼靈半導體正在與更多工業(yè)領域伙伴攜手，共同擴大合作生態(tài)圈，賦能我國工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級發(fā)展。