工業(yè)控制網(wǎng)絡是工業(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)中起著至關重要的作用。以太網(wǎng)以其標準的開放性和統(tǒng)一性以及數(shù)據(jù)傳輸性能卓越、技術支持范圍大、發(fā)展前景廣闊等優(yōu)點，受到控制領域的廣泛關注。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線在控制領域的重要地位正在迅速被基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場總線實現(xiàn)方案所替代。自上個世紀90年代以來，以太網(wǎng)技術獲得迅猛更新，得到了廣大開發(fā)商和用戶的認同并被引入工業(yè)自動化控制領域，從而形成了工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是以IEEE802.3標準為基礎，面向工業(yè)現(xiàn)場需求，并與標準以太網(wǎng)技術相兼容，在工業(yè)控制范圍內(nèi)中使用的以太網(wǎng)技術。為了符合工業(yè)生產(chǎn)領域的高實時性要求，在保持與商用以太網(wǎng)兼容的情況下，各大企業(yè)和科研機構提出了多種對以太網(wǎng)的實時性、可靠性進行增強的技術解決方案，這些方案從多個方面對IEEE802.3 以太網(wǎng)標準的實時性和可靠性進行了擴展，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)標準被提出，各種標準之間相互競爭，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國際標準，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)絡拓撲結構、RTE帶寬、終端節(jié)點數(shù)等作為指標對實時以太網(wǎng)需求進行了分類。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)絡進行通信。常見的通訊控制方式有：優(yōu)化任務調(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)絡層和傳輸層進行了修改。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)絡層中間插入時間控制機制來對實時性要求不同的信息進行分類處理：對非實時數(shù)據(jù)通訊，仍然可以采用原有的TCP/IP協(xié)議進行傳輸;對實時數(shù)據(jù)通訊，該類型通過對TCPUDP/IP 棧進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:標準通信通道和實時通信通道。非實時數(shù)據(jù)使用標準通信通道進行傳遞，標準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)技術已經(jīng)被作為國際標準公布，但是隨著時間的推移，由于技術、產(chǎn)品支持、市場等方面的原因，導致一些技術使用范圍不斷縮小，影響力不斷下降，另一些技術則逐漸成為工業(yè)控制領域的主流。在當前的工業(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在拓撲結構、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65535個從站節(jié)點。優(yōu)越的性能、靈活的拓撲結構、龐大的從站節(jié)點支持使得EtherCAT成為工業(yè)控制領域傳統(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/從通信結構，主站可以在任何具有標準以太網(wǎng)卡的控制設備上實現(xiàn)，從站則需要借助專門的ESC芯片進行數(shù)據(jù)幀的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。EtherCAT復雜從站系統(tǒng)通常由標準物理層器件、ESC控制器、外部應用控制器以及其他物理器件四部分組成。根據(jù)PDI接口設置的不同，EtherCAT復雜從站可以選用 SPI主機微控制器、8位/16位同步/異步微控制器來構造。

▲ 典型EtherCAT從站設備組成

無論是簡單的從站還是復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是一段預先設計好的、具有特定功能的電路功能模塊，它具有高度的可配置性，并進行了嚴格的測試和優(yōu)化。使用IP-Core進行EtherCAT開發(fā)時，用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求對 IP-Core進行配置，從而降低開發(fā)和應用的成本。但是使用IP-Core進行開發(fā)模塊的預測性較低，在后續(xù)設計中存在發(fā)生錯誤的可能性，有一定的設計風險。

ASIC 方案

ASIC 是一種為專門目的而設計的集成電路，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)自動化領域采用最為廣泛的方案。

碼靈半導體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、技術支持不到位等問題，嚴重影響本土工控廠商的產(chǎn)品開發(fā)進度及市場競爭力。在復雜的國際貿(mào)易環(huán)境以及國內(nèi)工業(yè)設備全面國產(chǎn)化的大背景下，EtherCAT芯片的低自主可給率帶來了巨大的進口替代空間。近幾年國內(nèi)芯片廠商正積極進行EtherCAT通信領域的產(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。碼靈半導體針對EtherCAT系統(tǒng)應用推出的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，并通過ETG一致性測試認證，符合EtherCAT通信協(xié)議標準。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）。可選擇性集成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。

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

碼靈半導體的CF110x系列產(chǎn)品支持CoE，F(xiàn)oE，VoE等EtherCAT應用層協(xié)議，適合作為所有類型的 EtherCAT 設備的通用解決方案，包括伺服電機驅(qū)動器、步進電機驅(qū)動器、變頻器、工業(yè)機器視覺、工業(yè)通信模塊/接口卡、遠程I/O、IO-Link、AS-i網(wǎng)關等工業(yè)自動化領域。由于其緊湊的設計和少量的外部元件，它只需要最小的電路板空間。

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片典型應用領域

在產(chǎn)品供貨方面，碼靈半導體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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