隨著全球經(jīng)濟數(shù)字化的加速推進，各行各業(yè)對芯片的需求顯著增長。自2021年起，由于疫情的影響以及地緣政治因素（例如美國對中芯國際的制裁），全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)能利用率有所下降，部分廠商被迫停工，這導致了工業(yè)領域相關芯片的有效供給減少。加之中國芯片產(chǎn)業(yè)面臨人才短缺的問題，特別是在工控領域，芯片人才尤為稀缺，工業(yè)領域芯片在很大程度上依賴于國外供應。在這樣的大環(huán)境下，方芯半導體專注于工業(yè)運動控制領域的芯片研發(fā)，針對EtherCAT這一高速工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，方芯半導體其研發(fā)的一系列高性能ASIC芯片產(chǎn)品對標倍福，打破其在國內(nèi)壟斷情況，這是值得高興的事情。據(jù)可靠消息到2023年，方芯半導體的EtherCAT從站控制器芯片出貨量已超過一百萬，成為國內(nèi)首家突破技術封鎖、擁有自主研發(fā)IP核心并能完全pin to pin對標倍福產(chǎn)品的芯片設計公司，這也標志著其在中國在工業(yè)運動控制領域EtherCAT從站控制芯片研發(fā)方面邁出了重要的一步。

在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議領域三大主流的PROFINET、EtherNet/IP與EtherCAT的市場占有率分別占據(jù)顯著位置，依次為23%、21%與16%。相較之下，西門子公司所推崇的PROFINET工業(yè)通信標準，雖然借其強大的兼容性實時通信能力及廣泛的神態(tài)系統(tǒng)占據(jù)著最大的市場份額，也在工業(yè)界贏得了廣泛的認可與應用，但這種全面性與強大性也帶來了配置與設置過程可能相對復雜的挑戰(zhàn)，尤其是在追求極致性能與啟用高級功能時，對技術人員的專業(yè)能力提出了更高要求。另一方面，羅克韋爾自動化公司的EtherNet/IP協(xié)議，由于基于TCP/IP協(xié)議的設計使其能夠無縫融入標準以太網(wǎng)，極大地簡化了系統(tǒng)集成的復雜性與擴展流程，然而，在面對實時性能要求極高的實時應用場景時，EtherNet/IP或許略顯遜色。

圖片數(shù)據(jù)來源：HMS Networks,2024

EtherCAT從站控制器核心概念與ASIC芯片在從站控制器設計中的應用原因

EtherCAT從站控制器（ESC）作為EtherCAT系統(tǒng)的一個關鍵組成部分，是EtherCAT現(xiàn)場設備中基于硬件芯片實現(xiàn)的功能單元。這些芯片類型多樣，包括專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、微處理器及微控制器等。ESC負責處理包括周期性和非周期性數(shù)據(jù)在內(nèi)的讀寫操作，以及執(zhí)行實時現(xiàn)場總線所需的后臺任務。雖然EtherCAT網(wǎng)絡控制器的運行不依賴于特定硬件，但現(xiàn)場總線設備層采用ESC芯片卻能提升應用的性能。在EtherCAT的現(xiàn)場設備中集成ASIC，實現(xiàn)了芯片級別的處理。這確保了網(wǎng)絡性能不會受到設備微控制器性能或其處理復雜軟件堆棧能力的限制。實時協(xié)議處理被直接集成到芯片中，從而取消了現(xiàn)場設備對傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接的管理需求。

在EtherCAT現(xiàn)場設備中采用ASIC芯片，實現(xiàn)了在硬件層面直接處理EtherCAT協(xié)議相關任務的能力。這一設計使得網(wǎng)絡性能不再受限于設備內(nèi)微控制器的性能及其運行復雜軟件堆棧的能力。通過將實時協(xié)議處理功能嵌入ASIC芯片，現(xiàn)場設備無需管理復雜的以太網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)了EtherCAT系統(tǒng)每30微秒更新1000個分布式輸入/輸出（I/O）點的高效率。在ESC中定義的“實時數(shù)據(jù)交換”機制，通過簡單的設備配置即可激活，并利用協(xié)議及特定芯片內(nèi)置的固有機制進行高效的數(shù)據(jù)傳輸。ESC在運行過程中無需依賴IP堆棧，這與傳統(tǒng)的基于IP的以太網(wǎng)技術形成鮮明對比。在EtherCAT系統(tǒng)中，現(xiàn)場設備無需具備處理復雜IP以太網(wǎng)通信的能力，從而降低了處理器成本、空間占用、發(fā)熱量及功耗，并簡化了系統(tǒng)的復雜性。EtherCAT利用以太網(wǎng)的物理層特性，而無需在現(xiàn)場實現(xiàn)完整的七層開放系統(tǒng)互連（OSI）模型以太網(wǎng)堆棧。這一簡化設計不僅便于設備制造商的開發(fā)和EtherCAT系統(tǒng)的應用，還強調(diào)了EtherCAT并非基于IP的協(xié)議特性。EtherCAT作為一種使用標準IEEE802.3以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場總線，其配置和供電過程相對簡單，無需對完整的以太網(wǎng)實施進行復雜的調(diào)整。此外，由于EtherCAT芯片供應商提供的ESC在功能上具有高度的相似性，與其他基于以太網(wǎng)的技術相比，設備開發(fā)人員和系統(tǒng)用戶將享受到更為簡化的編程過程。EtherCAT現(xiàn)場設備的功能大多內(nèi)置于硬件之中，用戶僅需進行簡單的配置即可使用。由于系統(tǒng)性能不再受到未知時序行為軟件堆棧的影響，因此其性能表現(xiàn)更為可預測和穩(wěn)定。

ESC提供的通用接口使得開發(fā)人員和用戶能夠以統(tǒng)一的方式利用EtherCAT設備，進一步簡化了系統(tǒng)的集成和維護工作。同時，由于所有EtherCAT設備均支持相同的診斷技術，這也極大地便利了系統(tǒng)的故障診斷過程。EtherCAT協(xié)議的單一版本特性確保了設備和網(wǎng)絡配置的一致性和穩(wěn)定性，避免了因版本更新而帶來的潛在問題。此外，EtherCAT協(xié)議和ESC的運行機制還支持新設備的無縫添加，無需擔心對現(xiàn)有網(wǎng)絡造成不利影響。

使用FPGA或MCU作為從站控制芯片，對于一些基礎的從站設備而言，其成本依舊偏高。因此，選擇采用ASIC方案來實現(xiàn)EtherCAT，這將使得從站設備的連接成本降低。此外，以太網(wǎng)控制器并非為現(xiàn)場總線應用而設計，它們要求處理器功能強大。而為提取和傳遞過程數(shù)據(jù)設計的EtherCAT ASIC，意味著對于簡單的設備而言，無需微處理器。通過相關耦合器提供的數(shù)字接口可直接連接至數(shù)字I/O。再有ASIC芯片，作為專用集成電路，在處理EtherCAT協(xié)議時能提供更高的性能和效率，ASIC芯片能完全處理EtherCAT幀，不受主機控制器性能的限制，從而提升通信效率。ASIC芯片通常具有較低的功耗特性，這對于需要長時間運行的工業(yè)應用而言是一個顯著優(yōu)勢。低功耗設計有助于減少能源消耗并延長設備壽命。同時ASIC芯片能集成更多外設和功能模塊，這使得從站設備能實現(xiàn)更高的外設集成度和更復雜的控制功能。ASIC芯片由于是為特定應用定制的，因此在長期使用中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和可靠性。相比之下，盡管FPGA具有靈活性，但在長時間運行中可能會遇到配置丟失或更新的問題。另外ASIC芯片由于是專用設計，因此體積較小，可減少板卡空間適合于空間受限的應用場景。

方芯半導體推出的FCE1X00芯片系列

倍福公司推出的ASIC專用芯片包括ET1100等系列，這些芯片因其與EtherCAT技術的緊密聯(lián)系而受到眾多廠商的青睞。由于EtherCAT技術由倍福首創(chuàng)，并且其主站軟件TwinCAT同樣出自倍福，因此這些芯片在兼容性方面具有明顯優(yōu)勢。但倍福芯片的高昂價格和較長的供貨周期，使得許多廠商在國內(nèi)激烈的市場競爭中尋求成本效益更高的解決方案，以尋找國產(chǎn)替代品。方芯的FCE1100擁有自主研發(fā)的IP核心，并實現(xiàn)了與倍福芯片完全的pin to pin兼容性。正如文章開頭所述，如果僅方芯的FCE1100出貨量2023年可以達到100萬，也充分證明了其在市場上的成功和可靠性。

FCE1100封裝圖 倍福ET1100 VS 方芯FCE1100

倍福的ET1100芯片其EtherCAT從站控制器芯片ESC負責處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并利用其雙端口存儲空間，該空間包含4KB的寄存器和69KB的過程數(shù)據(jù)空間，以實現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交換。方芯公司推出的FCE1100芯片是專為EtherCAT從站控制器設計的。此芯片支持最多4個數(shù)據(jù)傳輸端口，每個端口均可獨立開啟或關閉。FCE1100芯片內(nèi)建有8個現(xiàn)場總線管理單元、8個同步管理單元、4K的控制寄存器、8K的過程數(shù)據(jù)存儲器以及64位的分布式時鐘。該芯片能夠直接作為32位數(shù)字輸入輸出站點使用，或者通過過程數(shù)據(jù)接口與微處理器連接，形成具備復雜功能的從站設備。

在FCE1100芯片中，某些引腳具備雙重功能，它們既可作為普通引腳使用，也可在設備啟動時充當配置引腳。在從站設備通電啟動的瞬間，F(xiàn)CE1100會根據(jù)這些引腳的電平狀態(tài)來存儲配置信息。一旦配置信息被鎖存，這些引腳便可以轉(zhuǎn)作他用，并且其信號方向也可以相應地調(diào)整。配置這些引腳的方法是通過連接外部的上拉或下拉電阻來實現(xiàn)。當連接外部上拉電阻時，引腳被配置為邏輯高電平（1）；而連接下拉電阻時，則被配置為邏輯低電平（0）。在配置階段完成后，部分配置引腳可能會被重新定義為狀態(tài)輸出引腳，用于連接LED指示燈。在這種情況下，如果引腳被配置為邏輯高電平（1），則當引腳輸出低電平時LED燈會亮起；反之，如果引腳被配置為邏輯低電平（0），則當引腳輸出高電平時LED燈會亮起。FCE1100的引腳配置詳情如下表。

在工業(yè)自動化領域，芯片的性能和穩(wěn)定性至關重要。FCE1100系列芯片的推出，不僅為國內(nèi)廠商提供了性價比更高的選擇，還推動了整個行業(yè)技術的進步。為了進一步滿足市場需求，方芯半導體現(xiàn)已推出FCE1353/1354的產(chǎn)品對標MicroChip的LAN9252/9253/9254系列芯片，芯片了集成以太網(wǎng)兩個電流型PHY，增加了在方案設計中接口速度、網(wǎng)絡拓撲靈活性和功耗管理等方面的優(yōu)勢。小編在了解細節(jié)后，在和大家分享。

審核編輯 黃宇