數據采集是從物理對象中挖掘有價值的信息的過程。數據采集系統先將待測物理量通過傳感器轉換為合適的電信號（電壓或電流），電信號經過預處理（縮放或濾波等）后傳輸到終端設備，經過進一步的轉換處理（模數轉換等），終端設備便得到被測物理量的實際值。
數據采集系統在工業現場應用比較廣泛，主要實現對現場設備的數據獲取和處理。共研網數據顯示，受到國內智能制造等領域政策支持的推動，以及下游應用領域如電力、石化、燃氣、軌道交通等行業對數據采集系統需求的持續增長。2023年，我國數據采集與監視控制系統市場規模達到149.1億元，同比增長3.47%。

▲工業數據采集系物案例（來源：物通博聯）工業現場的環境日漸復雜，需要統一采集并監控的物理量也日漸增多，數據采集的實時性要求日漸提高。而這些物理量的測量位置往往是分散的，有些節點之間的傳輸線路比較長，這必然會引起系統的可靠性與實時性的降低。所以發展實時性更高、同步性更好、帶寬更寬的數據采集系統是行業的必然趨勢。工業以太網近年在工業控制領域被廣泛關注。倍福公司提出的EtherCAT技術，是一種開放式實時以太網，使用標準的以太網技術，可以在30us內通過雙絞線或光纖電纜處理1000個數字量IO，也確定了以太網性能的新標準。同時在EtherCAT 技術中，當報文經過設備時，能夠實現數據的輸人和讀取，而報文僅有幾納秒的延遲在實時性上具有巨大的優勢。使用EtherCAT組網，可以擺脫對交換機的依賴，這極大地降低了成本與人力。基于EtherCAT的數據采集系統，具有較高的傳輸速度，實時性和可靠性，且系統成本較低，在工業現場具有良好的應用前景。

基于EtherCAT數據采集系統

基于EtherCAT數據采集系統主要由兩部分組成：主站和從站。主站由帶有標準網卡的PC機構成，其中標準網卡集成了以太網通信控制器和物理數據收發器，物理層傳輸介質可選100BASE-TX或100BASE-FX，物理層芯片PHY實現數據的編碼、譯碼及收發。從站完成系統的通信，實際應用的控制，數據采集等功能。EtherCAT從站主要由從站控制器（ESC）、從站控制微處理器、物理層器件、PDI接口配置電路及其他應用層器件構成。從站控制器實現數據鏈路層協議，通過幀處理單元實現對 EtherCAT 以太網數據幀的處理。從站控制器通過過程數據接口(PDI)實現與從站微處理器的數據交換，從站微處理器從 EtherCAT從站控制器中讀取相應的控制數據完成對應用層其他設備的控制任務。主站通過從站的雙端口存儲區域實現對從站應用數據的交換。

▲典型基于EtherCAT數據采集系統結構圖

基于EtherCAT數據采集卡從站

基于EtherCAT數據采集卡從站不僅實現與主站PC的網絡通信，還完成對設備層儀器的實時控制和數據采集，在整個網絡中起到承上啟下的作用。結合實際應用需要，針對應用層任務的不同需要設計不同的從站，保證各類設備順利接入EtherCAT網絡。

▲典型基于EtherCAT數據采集卡從站結構圖

基于EtherCAT數據采集卡從站的功能就是將傳感器傳上來的信號，發送給系統主站。但是傳感器傳上來的只是模擬電壓信號，必須先要經過調整處理才能進行后續操作，調整處理主要包括電壓偏置，信號放大，低通濾波和AD轉換，因此就要有模擬信號處理模塊。要將轉換好的數字量發送給系統主站，必須要按照EtherCAT的協議規范，搭建物理層和數據鏈路層電路，這樣就必須要有EtherCAT網絡通模塊。模擬信號處理模塊和EtherCAT網絡通信模塊要想協同工作，必須要有個邏輯控制單元去控制它們，因此就必須要有微處理器控制模塊。電路板上許多心片需要的電壓都不一致，為滿足它們的電源需求就必須要有電源管理模塊。任何輸出標準電壓信號的傳感器都可以接到系統從站上，電壓信號首先進入從站的模擬借號輸入端口，在依次經過電壓偏置、信號放大、低通濾波操作之后送入 A/D 轉換器，轉換成數字量。A/D轉換器再通過SPI串行總線將這個數字量發送給微處理器，微處理器又通過 SP1總線將這個數字量發送給ESC(從站控制器)芯片。ESC是 EtherCAT從站網卡的數據鏈路層芯片，它可以將這個數字量封裝后通過PHY（物理層）芯片寫入到 EtherCAT數據幀的指定位置，這個數字量會隨著報文被發送給主站，主站通過解析報文，就會獲得這個數字量。

▲典型數據采集模塊結構框圖

碼靈半導體EtherCAT數據采集系統解決方案

EtherCAT 通信模塊的核心是從站控制器ESC。為了保證EtherCAT技術標準的統一，ESC控制器必須要獲得ETG聯盟的授權。目前EtherCAT 從站主要有兩種設計方案：一種是基于ETG授權IP-Core開發的ASIC 芯片，并搭配合適的微處理器。另外一種是使用授權 IP-Core將 EtherCAT 通信功能集成到設備控制 FPGA 。從兼顧成本和功能的角度，目前大多數EtherCAT從站解決方案采用的是ASIC芯片方式。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

CF110x系列是碼靈半導體推出的一款專門用于處理 EtherCAT 數據鏈路層通訊的ASIC芯片。CF110x系列最多可以提供3個數據收發端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實現各種拓撲結構。內置8個FMMU單元，具有FMMU邏輯地址映射功能；內置8個SM通道，方便對芯片內存區域組織管理；支持 4KB寄存器空間、8KB過程數據存儲空間；支持64位分布時鐘，為微處理器提供高精度的中斷信號。CF110x系列支持眾多的PDI引腳，可以在沒有應用層微處理器的情況下直接驅動32路數字IO信號，也可以使用外部微處理器訪問，構建復雜的EtherCAT從站。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

CF110x系列在EtherCAT數據采集系統中的應用優勢特點：

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 Cortex-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。目前，對數據采集系統的研發向著網絡化和高速化的方向發展，把EtherCAT工業以太網總線技術引人數據采集系統，大大提高了數據的傳輸速率以及傳輸的實時性和可靠性，同時也使得各采集點的信號采集模塊具有精確的同步性能。基于碼靈半導體CF110x系列EtherCAT芯片實現的EtherCAT總線技術對數據采集系統產品化具有重要意義。