數據采集是所有工業自動化系統中必不可少的環節。隨著工業自動化的蓬勃發展，工廠規模越來越大，當現場側設備和系統側控制設備的距離較遠時，為了節省電纜，達到分離控制與集中管理的目的，通常采用遠程IO模塊(也稱分布式IO模塊)把現場側和系統側設備連接起來。遠程IO模塊通過采集現場設備的狀態信號并轉換為數字信號，按照專用通信協議將數據傳輸給主站或控制器。主站或控制器根據程序邏輯處理數據后，再通過通信介質將控制信號發送給遠程IO模塊，遠程IO模塊將控制信號轉換為適合現場設備的信號來控制設備動作。同時用戶可以根據工業現場具體需要來配置的遠程IO模塊，可很好地促進各類工業控制系統達成分布式控制、集中式管理、網絡化互聯、綜合成本優化的目的。隨著工業自動化和智能化的不斷發展，以及在智能電網、石油化工、軌道交通等領域的拓展應用，IO模塊市場也在不斷壯大。

然而要實現這種控制方式，需要使用通信網絡將遠程IO模塊與控制系統連接起來，實現整體的協作運行。當今世界主要有三種主流的工業通信技術，分別為現場總線、工業無線通信和工業以太網。其中工業以太網作為一種兼容了普通標準以太網技術的工業通信網絡，不僅克服了現場總線和工業無線通信的缺點和不足，而且解決了傳統以太網在網絡載荷較大的情況下難以滿足工業控制的高實時性需求的問題。近年來，工業以太網技術憑借其較強的實時性、可靠性和開放性在工業自動化控制領域獲得了廣泛關注和快速發展。

▲ 2024年全球工業網絡市場份額（數據來源：HMS Networks）

2003年由德國倍福自動化公司提出的EtherCAT工業以太網是一種具有強實時性和高同步精度的工業以太網，其傳輸速率可以達到100Mbps，其擴展版本EtherCAT G技術甚至可以達到1Gbps 的傳輸速率，在周期性過程數據通信過程中，1000個 IO的更新時間僅需30us，每300us可以實現1486字節的過程數據的傳輸，完全可以滿足遠程IO系統中數據傳輸延遲的高確定性和低抖動性的需求。而且，EtherCAT工業以太網的拓撲結構靈活，在EtherCAT網絡的搭建過程中不需要交換機、集線器等設備。因此，EtherCAT 在遠程IO領域具有廣闊的應用市場。歷經多年的飛速發展，EtherCAT以其超高速、低成本、靈活易用和開放性的特點，獲得了遠程IO領域的的廣泛認可與支持。遠程IO實現EtherCAT通信的核心是從站控制器（ESC），其主要功能是負責主從站之間的協議處理，實現EtherCAT物理層與數據鏈路層的所有功能，是實現EtherCAT數據鏈路層協議的專用集成芯片。為此，碼靈半導體全新推出的CF110x系列產品，能完美適配于各類遠程IO應用方案，為EtherCAT芯片市場、及整體解決方案帶來新的選擇和活力。

CF110x系列在遠程IO應用中的優勢特點

CF110x系列EtherCAT芯片豐富的資源和出色的性能指標可滿足遠程IO的各項功能需求，芯片的各項指標顯著優于其他方案。

CF110x系列應用優勢特點

產品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權，已通過ETG官方的一致性測試認證，符合EtherCAT通信協議標準；

內置8個現場總線內存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產品支持三種數據接口（PDI）-數字I/O，SPI和8/16 位uC接口；

內置64位分布式時鐘（DC），可實現EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；

可選擇性集成32位ARM Corex-M3內核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩定性好的優點；

多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

EtherCAT實時IO模塊應用方案

碼靈半導體調研分析了遠程IO及其EtherCAT通信的功能需求，并對遠程IO的各硬件模塊、協議棧軟件和應用層軟件進行深入研究，開發了一系列針對不同信號類型和產品形態的EtherCAT實時IO模塊的完整解決方案，包括模擬IO模塊、數字IO模塊、獨立式IO模塊、刀片式IO模塊及配套的耦合器等。

同時碼靈半導體開發了EtherCAT實時主站和IO從站搭建的EtherCAT實時IO主從控制系統測試平臺，完成對該實時主從控制系統的功能測試、性能測試和可靠性測試。其中，系統功能測試主要包括IO通信功能測試、周期性過程數據通信測試和非周期性郵箱通信測試等；系統性能測試主要包括系統時鐘同步性能測試、系統同步性能測試、系統抖動測試和系統實時性測試等；可靠性測試包括EMC、ESD、高低溫老化測試、可靠性測試等。經過一系列嚴格完整的測試后，EtherCAT主站和各從站之間均能夠實現對IO通信數據、過程數據和郵箱數據的可靠傳輸，可以用于高實時性要求的場合。

應用案例①：16路獨立式IO應用方案

方案選用碼靈半導體CF1103A型號ESC芯片來實現 EtherCAT 通信協議，執行從站的數據鏈路層的任務，完成對 EtherCAT 通信數據幀的接收、處理和轉發。內置的 Cortex-M3內核的MCU用于執行從站應用層的控制任務。可以助力用戶迅速實現EtherCAT遠程IO的應用需求，提高生產效率。基于CF1103A實現的16路獨立式IO方案具有如下功能特性：

內部集成了Cortex-M3內核的MCU，可顯著減少了對外部元件的依賴，有效降低了用戶的材料成本和制造開支；

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；

提供光耦隔離電路，大大增強了信號在復雜工業環境中的隔離效果和抗干擾能力。

▲16路獨立式IO應用方案框圖及實物

應用案例②：32路獨立式IO應用方案

方案采用碼靈半導體CF1106A型號ESC芯片，內部集成了兩個電流型PHY，只需外加少量輔助器件就可以達到設計的要求，可顯著降低開發難度和開發成本。基于CF1106A實現的32路獨立式IO方案具有如下功能特性：

搭載CF1106A，內部集成2個電流型PHY，顯著提升系統的抗干擾能力；

芯片高集成度顯著降低板載元件數量，芯片管腳數量少有效降低元器件和制造成本；

提供光耦隔離子板，確保復雜環境中的高抗干擾性能；

方案適應-40℃至+85℃工業溫度范圍。

▲32路獨立式IO應用方案框圖及實物

▲32路獨立式IO應用方案實物

應用案例③：刀片式IO應用方案

方案搭載碼靈半導體CF1106B型號ESC芯片，具有高集成度、高性能、低功耗等特點，能夠助力用戶高效地實現EtherCAT刀片IO的應用，滿足工業自動化中的多樣化需求，并提升整體系統的性能和效率。基于CF1106B實現的刀片IO方案具有如下功能特性：

芯片內部集成了兩個電流型PHY，顯著增強了系統的抗干擾性能，確保了通信的穩定性和可靠性；

芯片內置32個數字IO功能，這種高度集成的設計使得數字IO模塊功能的實現變得更加迅速和簡便，同時減少了對外部組件的依賴，有效降低了用戶成本；

方案板能夠在-40℃至+85℃的極端工作溫度下穩定運行，完全符合工業領域的工作溫度標準；

提供光耦隔離電路，進一步增強了信號在復雜工業環境中的隔離和抗干擾性能。

▲刀片式IO應用方案框圖

▲刀片式IO（含耦合器）應用方案實物

遠程IO應用方案開發與技術支持服務

針對遠程IO開發，碼靈半導體提供完善的開發生態，客戶可快速上手，縮短開發周期，快速實現產品開發上市。CF110x系列完備的應用開發生態包括開發評估板與開發工具軟件等軟硬件開發工具，技術文檔資料齊全，包含產品簡介、數據手冊、用戶手冊、開發板設計源文件(含原理圖/PCB/BOM)、硬件設計指南、 SDK、產品測試報告等。有關遠程IO方案解決方案更多的詳細技術信息，可聯系碼靈半導體技術或各授權代理商獲取。基于CF110x系列的遠程IO方案目前已在大批量應用，已獲得客戶的批量化驗證，質量穩定可靠。未來，碼靈半導體將繼續致力于開發性能更強大、更具性價比的解決方案，帶來更多創新的產品和終端應用。