适用于创建工业物联网的微控制器和EtherCAT技术

在全球各地的工厂和加工厂中拥有数百万个控制和工艺节点，工业控制自动化是物联网（IoT）的下一个前沿 - 而32位MCU将发挥重要作用。

以太网是连接制造节点以创建工业物联网（IIoT）的明显选择。通过采用以太网技术，工厂车间可以无缝集成到企业中，从而可以更快地响应不断变化的业务条件，集中维护和诊断，以及一般的工厂自动化。

然而，由于两个基本原因，标准以太网达不到关键的工厂自动化要求：

其MAC层不支持实时，低延迟的数据传输。标准以太网适用于IT，因为它允许各个节点控制网络并传输相对较大的数据包。工业中常见的控制网络需要确定性地传输相对少量的控制或状态数据。

其基于交换机的星形拓扑与制造和加工厂中的网络非常不同。

为了解决这些问题，超过2，600家公司认可了EtherCAT（以太网）控制自动化技术），它为经典以太网增加了实时和其他功能，并强制执行配置，使其成为一种非常高效的自动化网络技术，同时完全符合以太网规范。 EtherCAT技术组保持该标准，该标准是国际电工委员会（IEC）标准体系的一部分。

EtherCAT允许任何标准PC用作EtherCAT主站并与EtherCAT从站通信。它们可以用于连接工厂网络中的所有设备 - 自动化控制器，操作员界面，远程输入/输出单元，传感器，执行器，驱动器等。

任何可行的工业以太网解决方案都必须支持硬实时性能，这意味着EtherCAT需要专用的硬件接口。但与市场上的其他解决方案不同，EtherCAT仅在从节点上需要硬件。这种简单的预防措施 - 不需要主设备上的专用硬件 - 可提供最佳，可预测的网络性能，因为软件堆栈延迟不会影响整体性能。仅将硬件保留在从属设备上也可以降低成本。

设计EtherCAT从站节点有许多硬件策略。德国公司Beckhoff Automation在其作为标准进入公共领域之前创建了EtherCAT，它使用FPGA作为其第一个EtherCAT从站控制器（ESC）。 ASIC是另一种替代方案，许多EtherCAT设备供应商使用可配置的EtherCAT IP-Core用于Altera和Xilinx FPGA。

然而，当MCU是整个系统规划的一部分时，使用支持EtherCAT从控制器接口的MCU可以降低材料清单成本并节省设计时间。对于需要或需要无线连接的IIoT应用尤其如此。

德州仪器的Cortex-A8基于Sitara™MCU支持片上EtherCAT。英飞凌，瑞萨，Microchip Technology，Freescale和Atmel等其他公司也提供EtherCAT解决方案，这些解决方案集成在片上，或者将简单的FPGA或基于ASIC的从控制器与32位MCU和RF芯片相结合（如果应用）呼叫无线链路。

EtherCAT基础

EtherCAT实现了一种称为“即时”处理的技术，其中EtherCAT网络中的每个节点在通过时读取帧数据。帧起源于EtherCAT主站，后者向从站发送命令和数据。发送给主设备的任何数据都会在从设备通过时由从设备写入帧中。这消除了主从设备之间的小型帧的点对点交换，并大大提高了通信效率。

动态处理意味着从站必须具有两个以太网端口，以便能够在帧通过时读取或写入帧。因此，从设备需要专门的硬件。但是，由于这种配置，运行EtherCAT的100 Mbits/s网络中的可用带宽超过90％，而主设备与每个从节点分别通信的网络的可用带宽不到5％。

EtherCAT通过在以太网帧中封装EtherCAT报文来保持与标准以太网的兼容性。以太网帧在标头中使用EtherCAT类型，或者可以使用IP/UDP标头打包以与Internet协议保持一致。使用IP头时，EtherCAT协议也可用于网络路由器。

EtherCAT报文包含一个或多个EtherCAT数据报，这些数据报是寻址的EtherCAT从站。每个EtherCAT数据报都是一个由标头，数据和工作计数器组成的命令。标头和数据用于指定从设备必须执行的操作，并且从设备更新工作计数器以让主设备知道从设备已处理命令。

图1说明了关系以太网和EtherCAT报文和数据报之间。

图1：EtherCAT报文封装。 （由Texas Instruments提供）

拓扑和时钟

EtherCAT支持任何拓扑 - 线路，星形或树形 - 以及常见的现场总线拓扑。由于所有I/O设备都具有嵌入式EtherCAT接口，因此不需要以太网交换硬件。凭借100米范围的铜缆链路以及更长的光纤链路，EtherCAT可以跨越数千个分布在广阔地理区域的设备。对于短距离，例如在背板上，EtherCAT使用差分信令技术E-bus。

EtherCAT通过对每个从节点上的EtherCAT数据包的入口和出口的时间戳进行采样来完成时钟同步因为它遍历网络。主设备使用从设备提供的时间戳信息来计算每个从设备的传播延迟。基于该计算调整每个从节点中的时钟。时钟同步到1μs之内。同步时钟的另一个优点是应用程序所需的测量可以与同步时间相关联。这消除了与器件之间通信中的抖动相关的不确定性。

EtherCAT实现策略

如前所述，有几种方法可以在硬件中实现EtherCAT从器件。

对于简单的EtherCAT应用，可以使用单个FPGA或ASIC解决方案创建数字I/O.这些实现适用于对成本敏感的简单I/O节点，这些节点不需要软件，并且功能可以完全在硬件中实现。

也可以使用以太网从控制器芯片 - 只要它们经过修改即可满足EtherCAT规范，例如用于读取和写入飞行的双以太网端口。当需要额外的处理能力时，MCU可以连接到ESC以处理应用级处理。该解决方案适用于传感器应用，例如，MCU与传感器交互，实现设备驱动程序并运行EtherCAT协议栈。它也可以在涉及无线通信时使用。

Microchip Technology是提供EtherCAT从控制器（ESC）的MCU公司之一。 LAN9252是一款2/3端口ESC，具有双集成以太网PHY，FMMU，四个同步管理器，分布式时钟支持和4 KB的DPRAM。它还集成了主机总线接口，可以连接大多数8/16/32位嵌入式控制器。在使用LAN9252开发工业自动化应用时，MCU的PIC32MX系列选择良好的MCU。一个带有所需外设的是PIC32MX795F512LT。图2是一个系统的简单框图，该系统利用LAN9252在一个从节点上添加了详细信息。

图2：使用Microchip科技的LAN9252。 （由Microchip Technology提供）

开发应用程序的第一步是将Microchip的LAN9252软件开发套件（SDK）与EtherCAT从机堆栈代码（SSC）集成：两者都需要在Microchip上开发应用程序代码EVB-LAN9252-HBI评估板。

可以从Microchip的网站下载SDK。首选的SSC由Beckhoff Automation公司开发 - 该公司发明了EtherCAT规范。设计公司必须是EtherCAT技术组（ETG）的成员才能访问Beckhoff SSC。一旦SSC与SDK集成，就可以使用SDK开发应用程序代码来设计EtherCAT ESC。

如果应用程序要求与IIoT建立无线连接，则可以将Microchip的RN Wi-Fi模块之一（例如RN171-I/RM）与MCU和ESC系统连接。

MCU + ESC架构比FPGA或ASIC实现更昂贵，但它的优势在于设计人员可以选择适合其应用需求和成本目标的处理器。

集成解决方案

EtherCAT也可以在具有集成CPU的设备上实现 - 而不仅仅在MCU上实现。例如，FPGA可以配置集成处理器，并且EtherCAT和片上处理器都可以使用ASIC。根据CPU选择，存在满足成本或工作频率目标的挑战。另一方面，MCU实现的优势在于利用32位CPU来满足所有应用的处理要求。

德州仪器（TI）已将EtherCAT功能集成到其部分Sitara AM335x中ARM Cortex-A8 MCU。关键外设是TI的实时PRU子系统，它支持与最初定义用于将100 Mbit/s以太网MAC模块连接到PHY芯片的媒体独立接口（MII）的极低级别交互。 Sitara上EtherCAT的简化框图如图3所示。

图3：在AM335x ARM MCU上实现的EtherCAT从设备。 （德州仪器公司提供）

与MII的低级别交互使PRU子系统能够执行EtherCAT等通信协议。整个EtherCAT MAC层通过固件封装在PRU子系统中。 TI的AM3359BZCZA80是EtherCAT实现中使用的典型Sitara MCU。

PRU即时处理EtherCAT报文，解析它们，解码地址并执行EtherCAT命令。中断用于ARM处理器所需的任何通信，其中EtherCAT堆栈（第7层）和工业应用程序运行。

PRU子系统还执行反向帧转发。由于PRU子系统实现了所有EtherCAT功能，因此ARM处理器可用于复杂应用，或者低速变体可用于更简单且成本受限的应用，例如分布式I/O.

完成采用AM335x ARM MCU的EtherCAT解决方案，以及TI的TLK110PTR等以太网PHY设备是必需的。 TLK110针对MII和PHY接口之间的低延迟进行了优化，这是EtherCAT性能的重要属性。它还具有先进的电缆诊断功能，可以快速定位电缆故障。 TI通过提供评估和开发板（如TMDSICE3359）为EtherCAT开发提供支持。

结论

IIoT - 其中数百万个工业工厂自动化节点将链接到企业网络 - 将由EtherCAT和其他协议启用，这些协议弥合了庞大的工业网络安装基础和标准以太网之间的重大差异。两个最突出的区别是：（1）大多数工厂网络对硬实时响应的要求;（2）工厂自动化的短数据有效载荷，这使得标准以太网的大型框架在工业应用中效率低下。 EtherCAT的即时处理方案解决了这些问题，并消除了从控制器中的协议栈延迟。可以使用多种EtherCAT从硬件实现，包括嵌入在MCU中的FPGA，ASIC和EtherCAT。最佳选择取决于应用程序。