數(shù)據(jù)采集是所有工業(yè)自動化系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著工業(yè)自動化的蓬勃發(fā)展，工廠規(guī)模越來越大，當現(xiàn)場側設備和系統(tǒng)側控制設備的距離較遠時，為了節(jié)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(xiàn)場側和系統(tǒng)側設備連接起來。遠程IO模塊通過采集現(xiàn)場設備的狀態(tài)信號并轉換為數(shù)字信號，按照專用通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給主站或控制器。主站或控制器根據(jù)程序邏輯處理數(shù)據(jù)后，再通過通信介質將控制信號發(fā)送給遠程IO模塊，遠程IO模塊將控制信號轉換為適合現(xiàn)場設備的信號來控制設備動作。同時用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場具體需要來配置的遠程IO模塊，可很好地促進各類工業(yè)控制系統(tǒng)達成分布式控制、集中式管理、網(wǎng)絡化互聯(lián)、綜合成本優(yōu)化的目的。隨著工業(yè)自動化和智能化的不斷發(fā)展，以及在智能電網(wǎng)、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(xiàn)這種控制方式，需要使用通信網(wǎng)絡將遠程IO模塊與控制系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)整體的協(xié)作運行。當今世界主要有三種主流的工業(yè)通信技術，分別為現(xiàn)場總線、工業(yè)無線通信和工業(yè)以太網(wǎng)。其中工業(yè)以太網(wǎng)作為一種兼容了普通標準以太網(wǎng)技術的工業(yè)通信網(wǎng)絡，不僅克服了現(xiàn)場總線和工業(yè)無線通信的缺點和不足，而且解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡載荷較大的情況下難以滿足工業(yè)控制的高實時性需求的問題。近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術憑借其較強的實時性、可靠性和開放性在工業(yè)自動化控制領域獲得了廣泛關注和快速發(fā)展。

▲ 2024年全球工業(yè)網(wǎng)絡市場份額（數(shù)據(jù)來源：HMS Networks）

2003年由德國倍福自動化公司提出的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)是一種具有強實時性和高同步精度的工業(yè)以太網(wǎng)，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(shù)據(jù)通信過程中，1000個 IO的更新時間僅需30us，每300us可以實現(xiàn)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)的傳輸，完全可以滿足遠程IO系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸延遲的高確定性和低抖動性的需求。而且，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結構靈活，在EtherCAT網(wǎng)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(jīng)多年的飛速發(fā)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(xiàn)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(xié)議處理，實現(xiàn)EtherCAT物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，是實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用集成芯片。為此，碼靈半導體全新推出的CF110x系列產(chǎn)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(yōu)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(yōu)于其他方案。

CF110x系列應用優(yōu)勢特點

產(chǎn)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(xié)議標準；

內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；

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

可選擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)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(wěn)定性好的優(yōu)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(diào)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(xié)議棧軟件和應用層軟件進行深入研究，開發(fā)了一系列針對不同信號類型和產(chǎn)品形態(tài)的EtherCAT實時IO模塊的完整解決方案，包括模擬IO模塊、數(shù)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(fā)了EtherCAT實時主站和IO從站搭建的EtherCAT實時IO主從控制系統(tǒng)測試平臺，完成對該實時主從控制系統(tǒng)的功能測試、性能測試和可靠性測試。其中，系統(tǒng)功能測試主要包括IO通信功能測試、周期性過程數(shù)據(jù)通信測試和非周期性郵箱通信測試等；系統(tǒng)性能測試主要包括系統(tǒng)時鐘同步性能測試、系統(tǒng)同步性能測試、系統(tǒng)抖動測試和系統(tǒng)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(jīng)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(xiàn)對IO通信數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和郵箱數(shù)據(jù)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(xiàn) EtherCAT 通信協(xié)議，執(zhí)行從站的數(shù)據(jù)鏈路層的任務，完成對 EtherCAT 通信數(shù)據(jù)幀的接收、處理和轉發(fā)。內(nèi)置的 Cortex-M3內(nèi)核的MCU用于執(zhí)行從站應用層的控制任務。可以助力用戶迅速實現(xiàn)EtherCAT遠程IO的應用需求，提高生產(chǎn)效率?；贑F1103A實現(xiàn)的16路獨立式IO方案具有如下功能特性：

內(nèi)部集成了Cortex-M3內(nèi)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(yè)環(huán)境的苛刻要求，確保產(chǎn)品能在-40℃至+85℃的寬泛工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行；

提供光耦隔離電路，大大增強了信號在復雜工業(yè)環(huán)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(nèi)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(fā)難度和開發(fā)成本?；贑F1106A實現(xiàn)的32路獨立式IO方案具有如下功能特性：

搭載CF1106A，內(nèi)部集成2個電流型PHY，顯著提升系統(tǒng)的抗干擾能力；

芯片高集成度顯著降低板載元件數(shù)量，芯片管腳數(shù)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(huán)境中的高抗干擾性能；

方案適應-40℃至+85℃工業(yè)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(xiàn)EtherCAT刀片IO的應用，滿足工業(yè)自動化中的多樣化需求，并提升整體系統(tǒng)的性能和效率。基于CF1106B實現(xiàn)的刀片IO方案具有如下功能特性：

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

芯片內(nèi)置32個數(shù)字IO功能，這種高度集成的設計使得數(shù)字IO模塊功能的實現(xiàn)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(wěn)定運行，完全符合工業(yè)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(yè)環(huán)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(fā)與技術支持服務

針對遠程IO開發(fā)，碼靈半導體提供完善的開發(fā)生態(tài)，客戶可快速上手，縮短開發(fā)周期，快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)上市。CF110x系列完備的應用開發(fā)生態(tài)包括開發(fā)評估板與開發(fā)工具軟件等軟硬件開發(fā)工具，技術文檔資料齊全，包含產(chǎn)品簡介、數(shù)據(jù)手冊、用戶手冊、開發(fā)板設計源文件(含原理圖/PCB/BOM)、硬件設計指南、 SDK、產(chǎn)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(lián)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(wěn)定可靠。未來，碼靈半導體將繼續(xù)致力于開發(fā)性能更強大、更具性價比的解決方案，帶來更多創(chuàng)新的產(chǎn)品和終端應用。