EtherCAT科普系列（2）：EhterCAT技術(shù)優(yōu)勢及從站系統(tǒng)實現(xiàn)方式

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)通信中現(xiàn)場實時信息的數(shù)據(jù)流通道，在工業(yè)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。以太網(wǎng)以其標(biāo)準(zhǔn)的開放性和統(tǒng)一性以及數(shù)據(jù)傳輸性能卓越、技術(shù)支持范圍大、發(fā)展前景廣闊等優(yōu)點，受到控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域的重要地位正在迅速被基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線實現(xiàn)方案所替代。自上個世紀(jì)90年代以來，以太網(wǎng)技術(shù)獲得迅猛更新，得到了廣大開發(fā)商和用戶的認(rèn)同并被引入工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，從而形成了工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是以IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，面向工業(yè)現(xiàn)場需求，并與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)相兼容，在工業(yè)控制范圍內(nèi)中使用的以太網(wǎng)技術(shù)。為了符合工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的高實時性要求，在保持與商用以太網(wǎng)兼容的情況下，各大企業(yè)和科研機構(gòu)提出了多種對以太網(wǎng)的實時性、可靠性進(jìn)行增強的技術(shù)解決方案，這些方案從多個方面對IEEE802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的實時性和可靠性進(jìn)行了擴展，從而產(chǎn)生了實時工業(yè)以太網(wǎng)。

到目前為止，有多種實時工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被提出，各種標(biāo)準(zhǔn)之間相互競爭，為了規(guī)范實時工業(yè)以太網(wǎng)，國際電工委員會IEC制訂了IEC61784-2國際標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)范從用戶和生產(chǎn)商對實時工業(yè)以太網(wǎng)的需求出發(fā)，以實時工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、RTE帶寬、終端節(jié)點數(shù)等作為指標(biāo)對實時以太網(wǎng)需求進(jìn)行了分類。迄今為止該規(guī)范規(guī)定了包括 Ethernet/IP、EtherCAT等在內(nèi)的十余種實時工業(yè)以太網(wǎng)行規(guī)集，每種協(xié)議根據(jù)不同的實時性要求和成本要求使用了不同的實現(xiàn)原理。

EtherCAT技術(shù)的優(yōu)勢

依據(jù)實時工業(yè)以太網(wǎng)的實現(xiàn)原理的不同，可分三種類型。

▲ 工業(yè)以太網(wǎng)通信模型

類型A

該類型基于通用的以太網(wǎng)硬件和原有TCP/IP協(xié)議棧，利用有效控制TCP/IP上層應(yīng)用來擴展通信實時性。由于該類型使用未經(jīng)修改的TCP/IP協(xié)議，所以能夠直接與普通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。常見的通訊控制方式有：優(yōu)化任務(wù)調(diào)度，以降低沖突可能；增加新的實時通訊層，以提高通訊實時性；在TCP/P之上增加新的協(xié)議用來實現(xiàn)上層實時數(shù)據(jù)交換等。Ethernet/IP、Modbus-TCP即屬于該類型。該類型的特點是使用簡單、維護方便，但實時性差，多在實時性要求不高的場合使用。

類型B

該類型基于通用的以太網(wǎng)硬件，但是根據(jù)自身的需要對網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層進(jìn)行了修改。該類型實時工業(yè)以太網(wǎng)一般通過在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層中間插入時間控制機制來對實時性要求不同的信息進(jìn)行分類處理：對非實時數(shù)據(jù)通訊，仍然可以采用原有的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸;對實時數(shù)據(jù)通訊，該類型通過對TCPUDP/IP 棧進(jìn)行擴展引入了一種專門的過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議用來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。Ethernet PowerLink等即屬于該類型。該類型能夠?qū)崿F(xiàn)5~10ms的較高實時通信。

類型C

該類型從站使用專門的硬件來處理以太網(wǎng)協(xié)議，并通過更改以太網(wǎng)協(xié)議來擴展通信實時性。針對實時性要求不同的信息，該類型在數(shù)據(jù)鏈路層提供了兩種通訊通道:標(biāo)準(zhǔn)通信通道和實時通信通道。非實時數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)通信通道進(jìn)行傳遞，標(biāo)準(zhǔn)通信通道在傳遞非實時數(shù)據(jù)時仍使用原來的協(xié)議;實時通信通道使用介質(zhì)訪問MAC對通信進(jìn)行控制，從根本上消除了數(shù)據(jù)幀沖突。EtherCAT即屬于該類型。該類型能夠獲得響應(yīng)時間低于1毫秒的高實時通信。雖然有多種實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被作為國際標(biāo)準(zhǔn)公布，但是隨著時間的推移，由于技術(shù)、產(chǎn)品支持、市場等方面的原因，導(dǎo)致一些技術(shù)使用范圍不斷縮小，影響力不斷下降，另一些技術(shù)則逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流。在當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)使用范圍中，EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP 和PowerLink這幾種使用最為普遍，它們占據(jù)了工業(yè)以太網(wǎng)使用份額的百分之七十五左右。

▲ 主流實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較

與其他主流實時工業(yè)以太網(wǎng)相比，EtherCAT在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、同步精度、實時特性方面優(yōu)勢明顯，其他方面也較為突出，除了此之外，每個EtherCAT網(wǎng)段還可以包含高達(dá)65535個從站節(jié)點。優(yōu)越的性能、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、龐大的從站節(jié)點支持使得EtherCAT成為工業(yè)控制領(lǐng)域傳統(tǒng)控制方式的最佳替代方案之一。

EtherCAT從站系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

EtherCAT系統(tǒng)采用主/從通信結(jié)構(gòu)，主站可以在任何具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡的控制設(shè)備上實現(xiàn)，從站則需要借助專門的ESC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。EtherCAT復(fù)雜從站系統(tǒng)通常由標(biāo)準(zhǔn)物理層器件、ESC控制器、外部應(yīng)用控制器以及其他物理器件四部分組成。根據(jù)PDI接口設(shè)置的不同，EtherCAT復(fù)雜從站可以選用 SPI主機微控制器、8位/16位同步/異步微控制器來構(gòu)造。

▲ 典型EtherCAT從站設(shè)備組成

無論是簡單的從站還是復(fù)雜的從站都需要一塊實現(xiàn)了EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的ESC器件。目前為止有兩種ESC實現(xiàn)方案可供選擇：一種是IP-Core方案，一種是ASIC 方案。

IP-Core方案

IP-Core是一段預(yù)先設(shè)計好的、具有特定功能的電路功能模塊，它具有高度的可配置性，并進(jìn)行了嚴(yán)格的測試和優(yōu)化。使用IP-Core進(jìn)行EtherCAT開發(fā)時，用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求對 IP-Core進(jìn)行配置，從而降低開發(fā)和應(yīng)用的成本。但是使用IP-Core進(jìn)行開發(fā)模塊的預(yù)測性較低，在后續(xù)設(shè)計中存在發(fā)生錯誤的可能性，有一定的設(shè)計風(fēng)險。

ASIC 方案

ASIC 是一種為專門目的而設(shè)計的集成電路，與IP-Core相比，ASIC芯片具有高效、緊湊、高性價比等特點，適合在低成本、低復(fù)雜度、性能要求較低的從站系統(tǒng)中使用，是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域采用最為廣泛的方案。

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT ASIC解決方案

目前國內(nèi)EtherCAT芯片仍然高度依賴歐美日企業(yè)，同時外商產(chǎn)品普遍存在價格高昂、技術(shù)支持不到位等問題，嚴(yán)重影響本土工控廠商的產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度及市場競爭力。在復(fù)雜的國際貿(mào)易環(huán)境以及國內(nèi)工業(yè)設(shè)備全面國產(chǎn)化的大背景下，EtherCAT芯片的低自主可給率帶來了巨大的進(jìn)口替代空間。近幾年國內(nèi)芯片廠商正積極進(jìn)行EtherCAT通信領(lǐng)域的產(chǎn)品布局，并有部分廠商已經(jīng)成功實現(xiàn)了產(chǎn)品量產(chǎn)，填補了國內(nèi)空白，增強了下游市場競爭力。碼靈半導(dǎo)體針對EtherCAT系統(tǒng)應(yīng)用推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片，該系列產(chǎn)品的性能配置對標(biāo)外商主流產(chǎn)品，并以高集成度、低開發(fā)成本、型號豐富等優(yōu)勢樹立了行業(yè)新標(biāo)桿，滿足日益增長行業(yè)需求。具體產(chǎn)品特性來看，碼靈半導(dǎo)體的CF110x系列產(chǎn)品作為一款EtherCAT 從站控制器ASIC，為實現(xiàn)EtherCAT從站提供了一種經(jīng)濟高效且緊湊的解決方案。產(chǎn)品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，并通過ETG一致性測試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CF110x系列在硬件中處理EtherCAT協(xié)議，因此確保高性能和實時功能，獨立于任何下游從屬微控制器和相關(guān)軟件。支持三種PDI接口-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位μC接口，CF110x系列可以實現(xiàn)無需微控制器的簡單數(shù)字模塊，或開發(fā)具有自己的處理器的智能設(shè)備。CF110x系列具有分布式時鐘，可實現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）?？蛇x擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

碼靈半導(dǎo)體的CF110x系列產(chǎn)品支持CoE，F(xiàn)oE，VoE等EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議，適合作為所有類型的 EtherCAT 設(shè)備的通用解決方案，包括伺服電機驅(qū)動器、步進(jìn)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、遠(yuǎn)程I/O、IO-Link、AS-i網(wǎng)關(guān)等工業(yè)自動化領(lǐng)域。由于其緊湊的設(shè)計和少量的外部元件，它只需要最小的電路板空間。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片典型應(yīng)用領(lǐng)域

在產(chǎn)品供貨方面，碼靈半導(dǎo)體CF110x系列產(chǎn)品目前可提供三種封裝形式、4個產(chǎn)品型號，芯片封裝分別為QFN64L(9mmx9mm)、QFN88L (10mmx10mm)和QFN100L (12mmx12mm)。

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