EtherCAT科普系列（2）：EhterCAT技术优势及从站系统实现方式

工业控制网络是工业通信中现场实时信息的数据流通道，在工业控制系统中起着至关重要的作用。以太网以其标准的开放性和统一性以及数据传输性能卓越、技术支持范围大、发展前景广阔等优点，受到控制领域的广泛关注。传统现场总线在控制领域的重要地位正在迅速被基于以太网技术的现场总线实现方案所替代。自上个世纪90年代以来，以太网技术获得迅猛更新，得到了广大开发商和用户的认同并被引入工业自动化控制领域，从而形成了工业以太网。工业以太网是以IEEE802.3标准为基础，面向工业现场需求，并与标准以太网技术相兼容，在工业控制范围内中使用的以太网技术。为了符合工业生产领域的高实时性要求，在保持与商用以太网兼容的情况下，各大企业和科研机构提出了多种对以太网的实时性、可靠性进行增强的技术解决方案，这些方案从多个方面对IEEE802.3 以太网标准的实时性和可靠性进行了扩展，从而产生了实时工业以太网。

到目前为止，有多种实时工业以太网标准被提出，各种标准之间相互竞争，为了规范实时工业以太网，国际电工委员会IEC制订了IEC61784-2国际标准，该规范从用户和生产商对实时工业以太网的需求出发，以实时工业以太网的网络拓扑结构、RTE带宽、终端节点数等作为指标对实时以太网需求进行了分类。迄今为止该规范规定了包括 Ethernet/IP、EtherCAT等在内的十余种实时工业以太网行规集，每种协议根据不同的实时性要求和成本要求使用了不同的实现原理。

EtherCAT技术的优势

依据实时工业以太网的实现原理的不同，可分三种类型。

▲ 工业以太网通信模型

类型A

该类型基于通用的以太网硬件和原有TCP/IP协议栈，利用有效控制TCP/IP上层应用来扩展通信实时性。由于该类型使用未经修改的TCP/IP协议，所以能够直接与普通网络进行通信。常见的通讯控制方式有：优化任务调度，以降低冲突可能；增加新的实时通讯层，以提高通讯实时性；在TCP/P之上增加新的协议用来实现上层实时数据交换等。Ethernet/IP、Modbus-TCP即属于该类型。该类型的特点是使用简单、维护方便，但实时性差，多在实时性要求不高的场合使用。

类型B

该类型基于通用的以太网硬件，但是根据自身的需要对网络层和传输层进行了修改。该类型实时工业以太网一般通过在数据链路层和网络层中间插入时间控制机制来对实时性要求不同的信息进行分类处理：对非实时数据通讯，仍然可以采用原有的TCP/IP协议进行传输;对实时数据通讯，该类型通过对TCPUDP/IP 栈进行扩展引入了一种专门的过程数据传输协议用来实现实时数据传输。Ethernet PowerLink等即属于该类型。该类型能够实现5~10ms的较高实时通信。

类型C

该类型从站使用专门的硬件来处理以太网协议，并通过更改以太网协议来扩展通信实时性。针对实时性要求不同的信息，该类型在数据链路层提供了两种通讯通道:标准通信通道和实时通信通道。非实时数据使用标准通信通道进行传递，标准通信通道在传递非实时数据时仍使用原来的协议;实时通信通道使用介质访问MAC对通信进行控制，从根本上消除了数据帧冲突。EtherCAT即属于该类型。该类型能够获得响应时间低于1毫秒的高实时通信。虽然有多种实时工业以太网技术已经被作为国际标准公布，但是随着时间的推移，由于技术、产品支持、市场等方面的原因，导致一些技术使用范围不断缩小，影响力不断下降，另一些技术则逐渐成为工业控制领域的主流。在当前的工业以太网使用范围中，EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP 和PowerLink这几种使用最为普遍，它们占据了工业以太网使用份额的百分之七十五左右。

▲ 主流实时工业以太网的比较

与其他主流实时工业以太网相比，EtherCAT在拓扑结构、同步精度、实时特性方面优势明显，其他方面也较为突出，除了此之外，每个EtherCAT网段还可以包含高达65535个从站节点。优越的性能、灵活的拓扑结构、庞大的从站节点支持使得EtherCAT成为工业控制领域传统控制方式的最佳替代方案之一。

EtherCAT从站系统的实现方式

EtherCAT系统采用主/从通信结构，主站可以在任何具有标准以太网卡的控制设备上实现，从站则需要借助专门的ESC芯片进行数据帧的处理和转发。EtherCAT复杂从站系统通常由标准物理层器件、ESC控制器、外部应用控制器以及其他物理器件四部分组成。根据PDI接口设置的不同，EtherCAT复杂从站可以选用 SPI主机微控制器、8位/16位同步/异步微控制器来构造。

▲ 典型EtherCAT从站设备组成

无论是简单的从站还是复杂的从站都需要一块实现了EtherCAT数据链路层协议的ESC器件。目前为止有两种ESC实现方案可供选择：一种是IP-Core方案，一种是ASIC 方案。

IP-Core方案

IP-Core是一段预先设计好的、具有特定功能的电路功能模块，它具有高度的可配置性，并进行了严格的测试和优化。使用IP-Core进行EtherCAT开发时，用户可以根据不同的产品需求对 IP-Core进行配置，从而降低开发和应用的成本。但是使用IP-Core进行开发模块的预测性较低，在后续设计中存在发生错误的可能性，有一定的设计风险。

ASIC 方案

ASIC 是一种为专门目的而设计的集成电路，与IP-Core相比，ASIC芯片具有高效、紧凑、高性价比等特点，适合在低成本、低复杂度、性能要求较低的从站系统中使用，是目前工业自动化领域采用最为广泛的方案。

码灵半导体EtherCAT ASIC解决方案

目前国内EtherCAT芯片仍然高度依赖欧美日企业，同时外商产品普遍存在价格高昂、技术支持不到位等问题，严重影响本土工控厂商的产品开发进度及市场竞争力。在复杂的国际贸易环境以及国内工业设备全面国产化的大背景下，EtherCAT芯片的低自主可给率带来了巨大的进口替代空间。近几年国内芯片厂商正积极进行EtherCAT通信领域的产品布局，并有部分厂商已经成功实现了产品量产，填补了国内空白，增强了下游市场竞争力。码灵半导体针对EtherCAT系统应用推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片，该系列产品的性能配置对标外商主流产品，并以高集成度、低开发成本、型号丰富等优势树立了行业新标杆，满足日益增长行业需求。具体产品特性来看，码灵半导体的CF110x系列产品作为一款EtherCAT 从站控制器ASIC，为实现EtherCAT从站提供了一种经济高效且紧凑的解决方案。产品获得德国倍福公司（Beckhoff）官方正式授权，并通过ETG一致性测试认证，符合EtherCAT通信协议标准。CF110x系列在硬件中处理EtherCAT协议，因此确保高性能和实时功能，独立于任何下游从属微控制器和相关软件。支持三种PDI接口-数字I/O，SPI和8/16 位μC接口，CF110x系列可以实现无需微控制器的简单数字模块，或开发具有自己的处理器的智能设备。CF110x系列具有分布式时钟，可实现EtherCAT从站的高精度同步（<< 1μs）。可选择性集成32位ARM Corex-M3内核微控制器（MCU）或2个电流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点。

▲ 码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

码灵半导体的CF110x系列产品支持CoE，FoE，VoE等EtherCAT应用层协议，适合作为所有类型的 EtherCAT 设备的通用解决方案，包括伺服电机驱动器、步进电机驱动器、变频器、工业机器视觉、工业通信模块/接口卡、远程I/O、IO-Link、AS-i网关等工业自动化领域。由于其紧凑的设计和少量的外部元件，它只需要最小的电路板空间。

▲ 码灵半导体CF110x系列芯片典型应用领域

在产品供货方面，码灵半导体CF110x系列产品目前可提供三种封装形式、4个产品型号，芯片封装分别为QFN64L(9mmx9mm)、QFN88L (10mmx10mm)和QFN100L (12mmx12mm)。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图欢迎联系码灵半导体李经理18759007589（微信同号）获取更多CF110x系列产品及应用方案等详细信息。