現有制造業現場的設備大多基于現場總線技術，解決了工業現場的智能化儀器儀表、控制器等設備間的通信問題。但現有的現場總線標準眾多，據不完全統計，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透明信息互訪互聯和以太網信息集成，不能實現現場設備層到管理層的無縫信息集成，難以滿足企業綜合自動化的發展要求。

工業以太網在傳統現場總線發展受到制約后，快速發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現場總線的功能單一，兼容性差，難以標準化的缺點。不僅如此，相比傳統現場總線，工業以太網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，實時工業以太網技術日趨成熟，已經逐步被應用在工業控制領域中。

在當前的工業以太網使用范圍中，PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP和PowerLink這幾種使用最為普遍，它們占據了工業以太網使用份額的75%以上。其中，EtherCAT以其可擴展性好、與以太網兼容性高、性能優越、技術支持廣泛等優點成為工控領域傳統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。

▲主流工業通信協議

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

為了解決上述問題，在考慮各方的經濟、技術利益，同時促進工業控制領域高速、有序發展的情況下，現場總線技術與以太網技術的融合成為了行業發展的必然趨勢。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議的轉換問題。通過設計一款可以實現兩種協議之間數據轉換的協議轉換器就可以達到現場總線技術與工業以太網順利結合的目的。更進一步的形成一種由現場總線控制網絡和以太網技術信息網絡構成的新型混合網絡，將在工業生產中發揮出更為重要的作用。

碼靈半導體基于自研的CF110x系列ESC芯片開發了EtherCAT-Modbus/RTU協議轉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。該轉換器利用工業以太網EtherCAT的擴展性、高速傳輸能力來提高Modbus/RTU總線規模，并提供額外的RS485接口，可以保護原有的設備投資。既實現了基于不同協議標準的兩層通訊網絡能夠在同一個工業網絡框架內共存，提高了控制系統的靈活性和兼容性，且無需淘汰原有設備，從而提高了現有設備的利用率，節約了投資，并能在既有網絡基礎上簡化布線。

方案的優勢特點

搭載了碼靈半導體自主研發的CF1103A型號ESC芯片，內部集成了Cortex-M3內核的MCU。這一創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；深入考慮了工業環境的苛刻要求，確保產品能在-40℃至+85℃的寬泛工作溫度范圍內穩定運行，完全符合標準的工業工作溫度范圍-40℃至+85℃；協議轉換器將EtherCAT協議的數據包轉換為Modbus協議，用戶通過簡單的參數配置快速完成設備和系統之間的連接，無需復雜的編程或深入的協議知識；在現有的工業網絡中需要多種通信協議支持的復雜應用時，無需完全重新布線或更換設備，協議轉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絡的復雜性和成本。

▲方案框圖

▲方案框實物圖

Modbus/RTU現場總線協議和EtherCAT 工業以太網協議在物理層采用不同的規范,在數據鏈路層采用不同的介質訪問方式。為了實現兩種協議的轉換，協議轉換器需要滿足兩種協議物理層和數據鏈路層的要求。

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。

▲CF1103A產品結構框圖

協議轉換器采用 CF1103A芯片內置MCU作為主控芯片，負責與工業以太網接口模塊和現場總線接口模塊通訊，并負責兩種協議應用層的轉換工作。工業以太網接口模塊采用CF1103A來處理 EtherCAT工業以太網協議，可以直接在硬件中處理EtherCAT 數據幀，實現 EtherCAT 物理層與數據鏈路層的所有功能，是系統中最關鍵的組成部分。

Modbus/RTU總線協議的接口通常采用 RS485 或RS232異步半雙工接口。本方案通過 CF1103A芯片內置MCU的通用同步/異步串行接收/發送接口USART轉換成半雙工RS-485串口，完成對 Modbus/RTU總線協議數據的發送工作和接收工作。

主控MCU、工業以太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊、靜態存儲器之間通過協議轉換器的內部總線連接。采用靜態存儲器( RAM)作為數據存儲器存儲從節點的過程數據，在主控MCU的RAM中劃分EtherCAT報文和Modbus報文的存儲緩沖區(包含各自的輸入和輸出緩沖區)。協議轉換器從EtherCAT站收到的報文存入EtherCAT接收緩沖區，向EtherCAT站返回應答時從Modbus總線的接收緩沖區讀取數據打包成EtherCAT應答報文的格式進行發送；協議轉換器從EtherCAT接收緩沖區獲取報文并存入Modbus報文發送緩沖區，依據數據幀/功能碼進行發送分析，決定采用單次還是分次發送方式。

碼靈半導體開發的協議轉換器具有成本低、運行速度快、工作穩定等特點，完全滿足系統的各項指標。在無需對原有Modbus/RTU網絡做任何改動的情況下，能夠實現其與EtherCAT協議之間信息的互聯互通。

隨著工業控制系統性能的提高，工業以太網在工業上的應用也會越來越廣泛。現場總線作為一種相對成熟的工業控制網絡,在相當長的時間內不會退出歷史舞臺。如何協調兩者之間的關系，使兩者充分發揮各自的長處，互為補充成為不可回避的問題。基于碼靈半導體CF1103A型號ESC芯片開發的EtherCAT工業以太網和Modbus/RTU現場總線間的協議轉換器既滿足了設備層的要求，又實現了信息層和設備層的有機結合，使得基于不同協議標準的兩層通訊網絡能夠在同一個工業網絡框架內共存，提高了控制系統的靈活性和兼容性。這種網絡構成方式必將擁有更為廣闊的發展空間。

碼靈半導體具有工業控制核心器件的全面支撐能力，憑借在產品技術創新、品質管控、穩定供貨與本土化服務等方面的領先優勢，在工業領域以優質EtherCAT產品及解決方案助力合作伙伴實現更多創新應用并取得了優異成績，CF110x系列工業增強級EtherCAT從站控制器等產品已在遠程IO、步進電機驅動器、伺服電機驅動器、變頻器、工業機器視覺、工業通信模塊/接口卡等方面獲得行業標桿客戶批量應用。目前，碼靈半導體正在與更多工業領域伙伴攜手，共同擴大合作生態圈，賦能我國工業數字化轉型與升級發展。