工業控制網絡是工業通信中現場實時信息的數據流通道，在工業控制系統中起著至關重要的作用。以太網以其標準的開放性和統一性以及數據傳輸性能卓越、技術支持范圍大、發展前景廣闊等優點，受到控制領域的廣泛關注。傳統現場總線在控制領域的重要地位正在迅速被基于以太網技術的現場總線實現方案所替代。自上個世紀90年代以來，以太網技術獲得迅猛更新，得到了廣大開發商和用戶的認同并被引入工業自動化控制領域，從而形成了工業以太網。工業以太網是以IEEE802.3標準為基礎，面向工業現場需求，并與標準以太網技術相兼容，在工業控制范圍內中使用的以太網技術。為了符合工業生產領域的高實時性要求，在保持與商用以太網兼容的情況下，各大企業和科研機構提出了多種對以太網的實時性、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 以太網標準的實時性和可靠性進行了擴展，從而產生了實時工業以太網。

到目前為止，有多種實時工業以太網標準被提出，各種標準之間相互競爭，為了規范實時工業以太網，國際電工委員會IEC制訂了IEC61784-2國際標準，該規范從用戶和生產商對實時工業以太網的需求出發，以實時工業以太網的網絡拓撲結構、RTE帶寬、終端節點數等作為指標對實時以太網需求進行了分類。迄今為止該規范規定了包括 Ethernet/IP、EtherCAT等在內的十余種實時工業以太網行規集，每種協議根據不同的實時性要求和成本要求使用了不同的實現原理。

EtherCAT技術的優勢

依據實時工業以太網的實現原理的不同，可分三種類型。

▲ 工業以太網通信模型

類型A

該類型基于通用的以太網硬件和原有TCP/IP協議棧，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修改的TCP/IP協議，所以能夠直接與普通網絡進行通信。常見的通訊控制方式有：優化任務調度，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之上增加新的協議用來實現上層實時數據交換等。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硬件，但是根據自身的需要對網絡層和傳輸層進行了修改。該類型實時工業以太網一般通過在數據鏈路層和網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：對非實時數據通訊，仍然可以采用原有的TCP/IP協議進行傳輸;對實時數據通訊，該類型通過對TCPUDP/IP 棧進行擴展引入了一種專門的過程數據傳輸協議用來實現實時數據傳輸。Ethernet PowerLink等即屬于該類型。該類型能夠實現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協議，并通過更改以太網協議來擴展通信實時性。針對實時性要求不同的信息，該類型在數據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。非實時數據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據時仍使用原來的協議;實時通信通道使用介質訪問MAC對通信進行控制，從根本上消除了數據幀沖突。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以太網技術已經被作為國際標準公布，但是隨著時間的推移，由于技術、產品支持、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控制領域的主流。在當前的工業以太網使用范圍中，EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP 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百分之七十五左右。

▲ 主流實時工業以太網的比較

與其他主流實時工業以太網相比，EtherCAT在拓撲結構、同步精度、實時特性方面優勢明顯，其他方面也較為突出，除了此之外，每個EtherCAT網段還可以包含高達65535個從站節點。優越的性能、靈活的拓撲結構、龐大的從站節點支持使得EtherCAT成為工業控制領域傳統控制方式的最佳替代方案之一。

EtherCAT從站系統的實現方式

EtherCAT系統采用主/從通信結構，主站可以在任何具有標準以太網卡的控制設備上實現，從站則需要借助專門的ESC芯片進行數據幀的處理和轉發。EtherCAT復雜從站系統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了EtherCAT數據鏈路層協議的ESC器件。目前為止有兩種ESC實現方案可供選擇：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化。使用IP-Core進行EtherCAT開發時，用戶可以根據不同的產品需求對 IP-Core進行配置，從而降低開發和應用的成本。但是使用IP-Core進行開發模塊的預測性較低，在后續設計中存在發生錯誤的可能性，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中使用，是目前工業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EtherCAT芯片仍然高度依賴歐美日企業，同時外商產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品開發進度及市場競爭力。在復雜的國際貿易環境以及國內工業設備全面國產化的大背景下，EtherCAT芯片的低自主可給率帶來了巨大的進口替代空間。近幾年國內芯片廠商正積極進行EtherCAT通信領域的產品布局，并有部分廠商已經成功實現了產品量產，填補了國內空白，增強了下游市場競爭力。碼靈半導體針對EtherCAT系統應用推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片，該系列產品的性能配置對標外商主流產品，并以高集成度、低開發成本、型號豐富等優勢樹立了行業新標桿，滿足日益增長行業需求。具體產品特性來看，碼靈半導體的CF110x系列產品作為一款EtherCAT 從站控制器ASIC，為實現EtherCAT從站提供了一種經濟高效且緊湊的解決方案。產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通信協議標準。CF110x系列在硬件中處理EtherCAT協議，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-數字I/O，SPI和8/16 位μC接口，CF110x系列可以實現無需微控制器的簡單數字模塊，或開發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。

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

碼靈半導體的CF110x系列產品支持CoE，FoE，VoE等EtherCAT應用層協議，適合作為所有類型的 EtherCAT 設備的通用解決方案，包括伺服電機驅動器、步進電機驅動器、變頻器、工業機器視覺、工業通信模塊/接口卡、遠程I/O、IO-Link、AS-i網關等工業自動化領域。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

在產品供貨方面，碼靈半導體CF110x系列產品目前可提供三種封裝形式、4個產品型號，芯片封裝分別為QFN64L(9mmx9mm)、QFN88L (10mmx10mm)和QFN100L (12mmx12mm)。

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