EtherCAT協(xié)議以IEEE8002.3以太網(wǎng)規(guī)范為基礎(chǔ)，并繼承了以太網(wǎng)全雙工通信的特點(diǎn)，與普通以太網(wǎng)系統(tǒng)不同，EtherCAT系統(tǒng)采用主/從通信結(jié)構(gòu)，主站和從站之間使用通用的物理層器件進(jìn)行連接，系統(tǒng)中可以存在多個(gè)從站設(shè)備，主站和從站之間采用介質(zhì)訪問控制(MAC)，從根本上消除了數(shù)據(jù)沖突。

01

EtherCAT工作機(jī)制

在EtherCAT系統(tǒng)中，主站是所有EtherCAT通信服務(wù)的發(fā)起者。主站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀遍歷各從站，一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包含了若干設(shè)備的過程數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收-解碼-復(fù)制-轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的處理方式不同，EtherCAT從站使用“On the Fly”技術(shù)在報(bào)文傳輸不停止的情況下分析尋址到本站的EtherCAT子報(bào)文，并根據(jù)子報(bào)文中的命令讀取或插入數(shù)據(jù)。“On the Fly”技術(shù)由硬件來實(shí)現(xiàn)，這極大的降低了傳輸時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。從站遍歷結(jié)束后，數(shù)據(jù)幀返回到網(wǎng)段內(nèi)第一個(gè)從站，并由第一個(gè)從站返回給主站，主站根據(jù)返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，從而完成一次通信。EtherCAT控制系統(tǒng)可以不通過軟件，僅使用硬件就完成 EtherCAT數(shù)據(jù)幀的讀寫，傳輸實(shí)時(shí)性高。采用分布式時(shí)鐘不同，減小同步誤差的同時(shí)，還保證了傳輸?shù)目煽啃浴ＶС志W(wǎng)絡(luò)環(huán)路適當(dāng)?shù)拇嬖趲子?，加大傳輸?shù)據(jù)的量，從而增加了傳輸效率。

▲EtherCAT運(yùn)行原理EtherCAT各種出色的性能：極小的循環(huán)時(shí)間、高速、高同步性、易用性和低成本使其在機(jī)器人控制、機(jī)床應(yīng)用、CNC功能、包裝機(jī)械、測(cè)量應(yīng)用、超高速金屬切割、汽車工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器內(nèi)部通信、焊接機(jī)器、嵌入式系統(tǒng)、變頻器、編碼器等領(lǐng)域獲得極大的應(yīng)用。因拓?fù)涞撵`活，無需交換機(jī)或集線器、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有限制、自動(dòng)連接檢測(cè)等特點(diǎn)使其在大橋減震系統(tǒng)、印刷機(jī)械、液壓/電動(dòng)沖壓機(jī)、木材加工設(shè)備等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

02

ESC技術(shù)特點(diǎn)

EtherCAT主站可以在任何具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡的控制設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，從站則需要借助專門的EtherCAT從站控制器芯片（ESC），是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分。ESC芯片主要負(fù)責(zé)主從站之間的協(xié)議處理,實(shí)現(xiàn)EtherCAT物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，除此之外，還要為與從站微處理器部分連接提供PDI接口。ESC作為實(shí)現(xiàn) EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層的專用集成電路，為EtherCAT協(xié)議提供了很多獨(dú)特的技術(shù)支持。

1幀處理順序

ESC最多提供四個(gè)MI1端口，端口0被定義為入口，每個(gè)端口有打開或者關(guān)閉兩種狀態(tài)，ESC實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)關(guān)閉沒有外部連接的端口的功能。ESC使用自動(dòng)回環(huán)來處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀:數(shù)據(jù)幀在ESC內(nèi)部按照端口0->端口3->端口1->端口 2->端口0的順序傳遞，轉(zhuǎn)發(fā)過程中未啟用的端口將被直接跳過。ESC自動(dòng)回環(huán)的幀處理方式極大的提高了EtherCAT構(gòu)造多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力。

▲EtherCAT幀處理過程

2現(xiàn)場(chǎng)總線存儲(chǔ)管理單元

現(xiàn)場(chǎng)總線存儲(chǔ)管理單元(FMMU)用于建立邏輯地址轉(zhuǎn)化為從站的物理地址之間的映射，它使用內(nèi)部地址映射的方式來實(shí)現(xiàn)，它為EtherCAT協(xié)議中的邏輯尋址提供了技術(shù)支持。ESC中含有多個(gè)FMMU通道，每個(gè)都有16個(gè)配置寄存器用于配置包括邏輯地址起始地址、數(shù)據(jù)長度、訪問權(quán)限等在內(nèi)的配置信息，以建立映射關(guān)系，F(xiàn)MMU可以實(shí)現(xiàn)位映射。通過對(duì)FMMU配置寄存器進(jìn)行設(shè)置，可以將同一段邏輯地址空間映射到不同從站的不同物理地址空間中，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)EtherCAT子報(bào)文的多從站尋址功能。FMMU通道由主站在初始化配置階段配置，一旦映射關(guān)系建立就不能再進(jìn)行映射。

▲FMMU映射原理

3存儲(chǔ)同步管理

數(shù)據(jù)的一致性和安全性是EtherCAT系統(tǒng)中主站和從站在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)一個(gè)非常重要的特性。在ESC中，數(shù)據(jù)的同步管理由存儲(chǔ)同步管理通道SM機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

SM通道用于管理從站ESC本地緩存，它通過控制ESC本地緩存的讀寫來實(shí)現(xiàn)主站和從站之間數(shù)據(jù)交換的一致性和安全性。在EtherCAT中緩存區(qū)的數(shù)量、數(shù)據(jù)交換的方向以及通信方式等都可以由主主站通過SM配置寄存器配置。EtherCAT定義了兩種SM運(yùn)行模式:緩存類型和郵箱類型。周期性過程數(shù)據(jù)通信用于傳送實(shí)時(shí)性的過程數(shù)據(jù)。主站使用邏輯尋址方式讀、寫過程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化過勝過程數(shù)據(jù)通信男于傳送客時(shí)提夠過程數(shù)揭·信號(hào)周期FMMU(FMMU管理邏輯地址到物理地址的映射)相關(guān)的參數(shù)。周期性過程數(shù)據(jù)通信開始后，主站按照一個(gè)固定的周期發(fā)送 EtherCAT數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀使用了邏輯尋址的方式與從站進(jìn)行交互。該通訊模式下，ESC的存儲(chǔ)區(qū)被配置成緩存模式。相關(guān)的配置由ESC中的同步管理器（SyncManager)來完成。

▲同步管理器緩沖模式工作原理

EtherCAT協(xié)議中的非周期數(shù)據(jù)通信采用郵箱模式(Mailbox Mode)，故又稱為郵箱數(shù)據(jù)通信。它可以進(jìn)行雙向通信--主站到從站和從站到主站。支持全雙工、兩個(gè)方向獨(dú)立通信和多用戶協(xié)議，比如EOE、FOE、SoE等。非周期數(shù)據(jù)通信只使用一個(gè)緩存區(qū)，由兩個(gè)同步管理器SM來管理數(shù)據(jù)通信:使用SMO管理主站到從站的寫郵箱命令；使用SM1管理從站到主站的讀郵箱命令。由于非周期數(shù)據(jù)通信，只采用一個(gè)緩存區(qū)模式，主站和微處理器之間只有其中一個(gè)完成之后，才能訪問緩存區(qū)。故只有數(shù)據(jù)被完全讀走后才能進(jìn)寫操作。同理數(shù)據(jù)只有當(dāng)完全寫完后才能執(zhí)行讀操作。

▲同步管理器郵箱模式工作原理

4分布式時(shí)鐘

分布式時(shí)鐘(DC，Distributed Clock)可以使所有EtherCAT設(shè)備共享一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間，從而控制各個(gè)設(shè)備(包括主站和從站)的任務(wù)同步執(zhí)行。精確同步對(duì)于同步動(dòng)作的分布過程尤為重要，如在大型印刷設(shè)備中，要求多個(gè)伺服軸同時(shí)執(zhí)行和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。如果各個(gè)從站同步性出現(xiàn)較大的差異，便會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。與主站連接的第一個(gè)具有分布時(shí)鐘功能的從站作為參考時(shí)鐘，以參考時(shí)鐘來同步其他設(shè)備和主站的從時(shí)鐘。采用EtherCAT數(shù)據(jù)交換基于純硬件機(jī)制，主站可以通過發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和返回的數(shù)據(jù)幀的時(shí)間差來測(cè)量和計(jì)算時(shí)間偏移、傳輸延時(shí)，并補(bǔ)償本地時(shí)鐘的漂移。支持分布式時(shí)鐘的從站稱為DC從站。

▲分布式時(shí)鐘工作原理

03

碼靈半導(dǎo)體ESC芯片技術(shù)特點(diǎn)

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列ESC芯片完全滿足EtherCAT從站數(shù)據(jù)幀接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)性的要求，為實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且緊湊的解決方案。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖CF110x系列最多可以提供3個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口，使從站能夠靈活的實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有8個(gè)FMMU單元，8個(gè)SM通道，4KB控制寄存器，8KB過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，支持64位分布式時(shí)鐘功能，其中8KB過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是DPRAM，用于和微控制器交換數(shù)據(jù)。CF110x系列提供了三種過程數(shù)據(jù)接口:數(shù)字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16），其中SPI和μC8/16用于連接外部微控制器，組成復(fù)雜的從站設(shè)備。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

CF110x系列具體功能特性

? 以太網(wǎng)端口：最多支持3個(gè)MII端口，單端口最大數(shù)據(jù)傳輸速度100Mbit/s，全雙工傳輸；

? FMMUs（現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元）：8個(gè)，提供了一種從站地址的映射，通過地址的邏輯映射方式可以同時(shí)完成對(duì)多個(gè)從站設(shè)備的控制，可大幅提升通信效率；

? Sync Managers（同步管理器）：8個(gè)，用于數(shù)據(jù)在傳輸過程中同步，保證了數(shù)據(jù)使用過程中的一致性和安全性；

? Distributed Clock（分布式時(shí)鐘）：1個(gè)64 位，用于實(shí)現(xiàn)主站和從站間通訊和管理的實(shí)時(shí)同步，同步精度<< 1μs；

? PDI Interfaces（過程數(shù)據(jù)接口）：支持32位 Digital I/O、SPI 從站接口、8/16位異步微控制器接口（μC8/16），作為從站控制器和應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)接口；

? RAM容量：8KB，用于存儲(chǔ)基本寄存器參數(shù)和使用方數(shù)據(jù)；

? GPIO：最多支持16位；

? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：最多可支持65,535個(gè)設(shè)備，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有限制，支持線型、樹型、星型拓?fù)浼叭魏瓮負(fù)涞慕M合；

? 供電：內(nèi)部 LDO 提供邏輯內(nèi)核 /PLL電源 (3.3V 到 1.8V)，選擇外部電源供電給內(nèi)部 LDO 提供邏輯內(nèi)核/PLL電源；

? 集成：可選擇性集成2個(gè)10M/100Mbps以太網(wǎng)PHY，兼容100BASE-TX，或32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）；

? 其他特性：低延時(shí)（納秒級(jí)），輸出時(shí)鐘頻率25MHz；

? 封裝形式和尺寸：QFN64L (9x9mm)、QFN88L (10x10mm)、QFN100L (12x12mm)；

? 工作溫度：-40℃~85℃。

EtherCAT從站控制器芯片作為工業(yè)控制系統(tǒng)中重要的組成部分，是推動(dòng)工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化目標(biāo)的重要技術(shù)點(diǎn)。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列提供全系列產(chǎn)品應(yīng)用參考設(shè)計(jì)，并提供完善的軟硬件設(shè)計(jì)文件，方便工程師快速進(jìn)行上手使用、性能評(píng)估以及二次開發(fā)，助力客戶項(xiàng)目快速量產(chǎn)落地。

▲CF1103A型號(hào)開發(fā)評(píng)估板

▲CF1103B型號(hào)開發(fā)評(píng)估板

▲CF1106A型號(hào)開發(fā)評(píng)估板

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