在全球各地的工廠和加工廠中擁有數百萬個控制和工藝節點，工業控制自動化是物聯網（IoT）的下一個前沿 - 而32位MCU將發揮重要作用。

以太網是連接制造節點以創建工業物聯網（IIoT）的明顯選擇。通過采用以太網技術，工廠車間可以無縫集成到企業中，從而可以更快地響應不斷變化的業務條件，集中維護和診斷，以及一般的工廠自動化。

然而，由于兩個基本原因，標準以太網達不到關鍵的工廠自動化要求：

其MAC層不支持實時，低延遲的數據傳輸。標準以太網適用于IT，因為它允許各個節點控制網絡并傳輸相對較大的數據包。工業中常見的控制網絡需要確定性地傳輸相對少量的控制或狀態數據。

其基于交換機的星形拓撲與制造和加工廠中的網絡非常不同。

為了解決這些問題，超過2，600家公司認可了EtherCAT（以太網）控制自動化技術），它為經典以太網增加了實時和其他功能，并強制執行配置，使其成為一種非常高效的自動化網絡技術，同時完全符合以太網規范。 EtherCAT技術組保持該標準，該標準是國際電工委員會（IEC）標準體系的一部分。

EtherCAT允許任何標準PC用作EtherCAT主站并與EtherCAT從站通信。它們可以用于連接工廠網絡中的所有設備 - 自動化控制器，操作員界面，遠程輸入/輸出單元，傳感器，執行器，驅動器等。

任何可行的工業以太網解決方案都必須支持硬實時性能，這意味著EtherCAT需要專用的硬件接口。但與市場上的其他解決方案不同，EtherCAT僅在從節點上需要硬件。這種簡單的預防措施 - 不需要主設備上的專用硬件 - 可提供最佳，可預測的網絡性能，因為軟件堆棧延遲不會影響整體性能。僅將硬件保留在從屬設備上也可以降低成本。

設計EtherCAT從站節點有許多硬件策略。德國公司Beckhoff Automation在其作為標準進入公共領域之前創建了EtherCAT，它使用FPGA作為其第一個EtherCAT從站控制器（ESC）。 ASIC是另一種替代方案，許多EtherCAT設備供應商使用可配置的EtherCAT IP-Core用于Altera和Xilinx FPGA。

然而，當MCU是整個系統規劃的一部分時，使用支持EtherCAT從控制器接口的MCU可以降低材料清單成本并節省設計時間。對于需要或需要無線連接的IIoT應用尤其如此。

德州儀器的Cortex-A8基于Sitara?MCU支持片上EtherCAT。英飛凌，瑞薩，Microchip Technology，Freescale和Atmel等其他公司也提供EtherCAT解決方案，這些解決方案集成在片上，或者將簡單的FPGA或基于ASIC的從控制器與32位MCU和RF芯片相結合（如果應用）呼叫無線鏈路。

EtherCAT基礎

EtherCAT實現了一種稱為“即時”處理的技術，其中EtherCAT網絡中的每個節點在通過時讀取幀數據。幀起源于EtherCAT主站，后者向從站發送命令和數據。發送給主設備的任何數據都會在從設備通過時由從設備寫入幀中。這消除了主從設備之間的小型幀的點對點交換，并大大提高了通信效率。

動態處理意味著從站必須具有兩個以太網端口，以便能夠在幀通過時讀取或寫入幀。因此，從設備需要專門的硬件。但是，由于這種配置，運行EtherCAT的100 Mbits/s網絡中的可用帶寬超過90％，而主設備與每個從節點分別通信的網絡的可用帶寬不到5％。

EtherCAT通過在以太網幀中封裝EtherCAT報文來保持與標準以太網的兼容性。以太網幀在標頭中使用EtherCAT類型，或者可以使用IP/UDP標頭打包以與Internet協議保持一致。使用IP頭時，EtherCAT協議也可用于網絡路由器。

EtherCAT報文包含一個或多個EtherCAT數據報，這些數據報是尋址的EtherCAT從站。每個EtherCAT數據報都是一個由標頭，數據和工作計數器組成的命令。標頭和數據用于指定從設備必須執行的操作，并且從設備更新工作計數器以讓主設備知道從設備已處理命令。

圖1說明了關系以太網和EtherCAT報文和數據報之間。

圖1：EtherCAT報文封裝。 （由Texas Instruments提供）

拓撲和時鐘

EtherCAT支持任何拓撲 - 線路，星形或樹形 - 以及常見的現場總線拓撲。由于所有I/O設備都具有嵌入式EtherCAT接口，因此不需要以太網交換硬件。憑借100米范圍的銅纜鏈路以及更長的光纖鏈路，EtherCAT可以跨越數千個分布在廣闊地理區域的設備。對于短距離，例如在背板上，EtherCAT使用差分信令技術E-bus。

EtherCAT通過對每個從節點上的EtherCAT數據包的入口和出口的時間戳進行采樣來完成時鐘同步因為它遍歷網絡。主設備使用從設備提供的時間戳信息來計算每個從設備的傳播延遲。基于該計算調整每個從節點中的時鐘。時鐘同步到1μs之內。同步時鐘的另一個優點是應用程序所需的測量可以與同步時間相關聯。這消除了與器件之間通信中的抖動相關的不確定性。

EtherCAT實現策略

如前所述，有幾種方法可以在硬件中實現EtherCAT從器件。

對于簡單的EtherCAT應用，可以使用單個FPGA或ASIC解決方案創建數字I/O.這些實現適用于對成本敏感的簡單I/O節點，這些節點不需要軟件，并且功能可以完全在硬件中實現。

也可以使用以太網從控制器芯片 - 只要它們經過修改即可滿足EtherCAT規范，例如用于讀取和寫入飛行的雙以太網端口。當需要額外的處理能力時，MCU可以連接到ESC以處理應用級處理。該解決方案適用于傳感器應用，例如，MCU與傳感器交互，實現設備驅動程序并運行EtherCAT協議棧。它也可以在涉及無線通信時使用。

Microchip Technology是提供EtherCAT從控制器（ESC）的MCU公司之一。 LAN9252是一款2/3端口ESC，具有雙集成以太網PHY，FMMU，四個同步管理器，分布式時鐘支持和4 KB的DPRAM。它還集成了主機總線接口，可以連接大多數8/16/32位嵌入式控制器。在使用LAN9252開發工業自動化應用時，MCU的PIC32MX系列選擇良好的MCU。一個帶有所需外設的是PIC32MX795F512LT。圖2是一個系統的簡單框圖，該系統利用LAN9252在一個從節點上添加了詳細信息。

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

開發應用程序的第一步是將Microchip的LAN9252軟件開發套件（SDK）與EtherCAT從機堆棧代碼（SSC）集成：兩者都需要在Microchip上開發應用程序代碼EVB-LAN9252-HBI評估板。

可以從Microchip的網站下載SDK。首選的SSC由Beckhoff Automation公司開發 - 該公司發明了EtherCAT規范。設計公司必須是EtherCAT技術組（ETG）的成員才能訪問Beckhoff SSC。一旦SSC與SDK集成，就可以使用SDK開發應用程序代碼來設計EtherCAT ESC。

如果應用程序要求與IIoT建立無線連接，則可以將Microchip的RN Wi-Fi模塊之一（例如RN171-I/RM）與MCU和ESC系統連接。

MCU + ESC架構比FPGA或ASIC實現更昂貴，但它的優勢在于設計人員可以選擇適合其應用需求和成本目標的處理器。

集成解決方案

EtherCAT也可以在具有集成CPU的設備上實現 - 而不僅僅在MCU上實現。例如，FPGA可以配置集成處理器，并且EtherCAT和片上處理器都可以使用ASIC。根據CPU選擇，存在滿足成本或工作頻率目標的挑戰。另一方面，MCU實現的優勢在于利用32位CPU來滿足所有應用的處理要求。

德州儀器（TI）已將EtherCAT功能集成到其部分Sitara AM335x中ARM Cortex-A8 MCU。關鍵外設是TI的實時PRU子系統，它支持與最初定義用于將100 Mbit/s以太網MAC模塊連接到PHY芯片的媒體獨立接口（MII）的極低級別交互。 Sitara上EtherCAT的簡化框圖如圖3所示。

圖3：在AM335x ARM MCU上實現的EtherCAT從設備。 （德州儀器公司提供）

與MII的低級別交互使PRU子系統能夠執行EtherCAT等通信協議。整個EtherCAT MAC層通過固件封裝在PRU子系統中。 TI的AM3359BZCZA80是EtherCAT實現中使用的典型Sitara MCU。

PRU即時處理EtherCAT報文，解析它們，解碼地址并執行EtherCAT命令。中斷用于ARM處理器所需的任何通信，其中EtherCAT堆棧（第7層）和工業應用程序運行。

PRU子系統還執行反向幀轉發。由于PRU子系統實現了所有EtherCAT功能，因此ARM處理器可用于復雜應用，或者低速變體可用于更簡單且成本受限的應用，例如分布式I/O.

完成采用AM335x ARM MCU的EtherCAT解決方案，以及TI的TLK110PTR等以太網PHY設備是必需的。 TLK110針對MII和PHY接口之間的低延遲進行了優化，這是EtherCAT性能的重要屬性。它還具有先進的電纜診斷功能，可以快速定位電纜故障。 TI通過提供評估和開發板（如TMDSICE3359）為EtherCAT開發提供支持。

結論

IIoT - 其中數百萬個工業工廠自動化節點將鏈接到企業網絡 - 將由EtherCAT和其他協議啟用，這些協議彌合了龐大的工業網絡安裝基礎和標準以太網之間的重大差異。兩個最突出的區別是：（1）大多數工廠網絡對硬實時響應的要求;（2）工廠自動化的短數據有效載荷，這使得標準以太網的大型框架在工業應用中效率低下。 EtherCAT的即時處理方案解決了這些問題，并消除了從控制器中的協議棧延遲。可以使用多種EtherCAT從硬件實現，包括嵌入在MCU中的FPGA，ASIC和EtherCAT。最佳選擇取決于應用程序。