SERCON816：高性能SERCOS接口控制器的深度解析

在工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要，而SERCOS接口作為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間周期性信息交換的關(guān)鍵數(shù)字接口，為分布式控制和測(cè)試設(shè)備的同步運(yùn)行提供了有力支持。今天，我們就來深入探討一款專為SERCOS接口通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成電路——SERCON816。

文件下載：SERC816.pdf

一、SERCON816概述

SERCON816是一款單芯片的SERCOS接口控制器，適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。SERCOS接口主要用于在短且固定的間隔（62.5μs至65ms）內(nèi)周期性交換信息的系統(tǒng)間通信，非常適合分布式控制或測(cè)試設(shè)備的同步操作，比如驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)之間的連接。

一個(gè)SERCOS接口通信系統(tǒng)由一個(gè)主站和多個(gè)從站組成，它們通過光纖環(huán)連接，該環(huán)從主站開始并結(jié)束于主站。從站會(huì)再生和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)，或者發(fā)送自己的報(bào)文，以此確保主站發(fā)送的報(bào)文能被所有從站接收，同時(shí)主站也能接收從站的數(shù)據(jù)報(bào)文。光纖的使用保證了高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸以及出色的抗干擾能力。

SERCON816集成了SERCOS接口的所有硬件相關(guān)功能，大大降低了硬件成本和微處理器的計(jì)算時(shí)間需求，它是光電接收器、發(fā)射器與執(zhí)行控制算法的微處理器之間的直接連接橋梁，既可以用于SERCOS接口的主站，也可用于從站。

二、功能特性

（一）微處理器接口

具有8位或16位的數(shù)據(jù)總線寬度，并配備符合英特爾或摩托羅拉標(biāo)準(zhǔn)的控制線，方便與不同類型的微處理器進(jìn)行連接。

（二）串行接口

可直接與光纖環(huán)的光接收器和發(fā)射器連接，也可通過驅(qū)動(dòng)器連接到電氣環(huán)或總線。集成了數(shù)據(jù)和時(shí)鐘再生、環(huán)形拓?fù)涞闹欣^器以及串行發(fā)射器和接收器，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并生成測(cè)試信號(hào)，且無需外部電路即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)16Mbaud的傳輸速率。

（三）雙端口RAM

擁有2048 * 16位的雙端口RAM，用于存儲(chǔ)控制和通信數(shù)據(jù)，內(nèi)存組織方式靈活。

（四）報(bào)文處理

能夠自動(dòng)傳輸和監(jiān)控同步報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文，僅處理特定接口用戶的傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM（單緩沖或雙緩沖）中，也可通過直接內(nèi)存訪問（DMA）進(jìn)行傳輸，還能自動(dòng)執(zhí)行服務(wù)通道信息在多個(gè)通信周期內(nèi)的傳輸。

（五）其他特性

支持多種通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除了光纖環(huán)，還支持RS - 485總線和環(huán)網(wǎng)；具備定時(shí)控制信號(hào)、自動(dòng)服務(wù)通道傳輸和看門狗功能，可監(jiān)控軟件和外部同步信號(hào)；與SERCON410B SERCOS接口控制器兼容；采用100引腳塑料扁平封裝（PQFP100）。

三、引腳描述

SERCON816的引腳功能豐富多樣，涵蓋了數(shù)據(jù)總線、地址鎖存、讀寫控制、時(shí)鐘信號(hào)、中斷等多個(gè)方面。以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

（一）數(shù)據(jù)總線引腳（D15 - 0）

用于數(shù)據(jù)的讀寫操作，8位總線接口通過D7 - 0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，16位總線接口則通過D15 - 0。當(dāng)ADMUX為1時(shí)，還可用于輸入存儲(chǔ)在地址鎖存器中的地址。

（二）地址鎖存使能引腳（ALEL、ALEH）

僅在ADMUX為1時(shí)使用，用于控制地址信號(hào)從數(shù)據(jù)總線到地址總線的傳輸和存儲(chǔ)。

（三）讀寫控制引腳（RDN、WRN）

根據(jù)不同的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，控制數(shù)據(jù)的讀寫操作。

（四）時(shí)鐘信號(hào)引腳（SCLK、MCLK）

SCLK用于時(shí)鐘再生，最大頻率為64MHz；MCLK作為報(bào)文處理和定時(shí)控制的主時(shí)鐘，頻率范圍為12至64MHz。

四、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

包括電源電壓（-0.5至6.5V）、輸入電壓（-0.5至VDD + 0.5V）、輸出電壓（-0.5至VDD + 0.5V）和存儲(chǔ)溫度（-55至+150°C）等參數(shù)，使用時(shí)需確保不超過這些極限值，以保證芯片的安全。

（二）推薦工作條件

推薦的工作溫度范圍為-40至85°C，芯片結(jié)溫范圍為-40至125°C，電源電壓為4.75至5.25V。SCLK和MCLK的時(shí)鐘頻率也有相應(yīng)的要求，在使用PLL時(shí)（SBAUD16 = 0），SCLK頻率為32至64MHz，MCLK頻率為12至64MHz。

（三）功率耗散

功率耗散與引腳和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電容、電壓以及切換頻率有關(guān)，計(jì)算公式為$P = f cdot C cdot V^{2}$。對(duì)于低功耗應(yīng)用或超過最大允許功率消耗的情況，可采取連接未使用引腳到上拉或下拉電阻、最小化引腳電容負(fù)載、降低時(shí)鐘頻率以及減少對(duì)內(nèi)部RAM和控制寄存器的訪問等措施。最大允許功率消耗受芯片結(jié)溫、VCC/VDD引腳數(shù)量、環(huán)境溫度和封裝熱阻的限制。

五、控制寄存器和RAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（一）控制寄存器地址

控制寄存器可進(jìn)行讀寫操作（除了一些啟動(dòng)操作的控制位為只寫），狀態(tài)寄存器只能讀取。通過A6 - 1輸入的字地址可計(jì)算字節(jié)地址，具體的控制寄存器功能可參考SERCON816參考指南。

（二）RAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

RAM的前11個(gè)單詞有固定含義，其余部分可根據(jù)需要?jiǎng)澐譃椴煌臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1. 報(bào)文頭：包含電報(bào)地址、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、有效性標(biāo)志、地址和時(shí)間檢查標(biāo)志等控制字。
2. 數(shù)據(jù)容器：由一到兩個(gè)16位控制字和可變數(shù)量的數(shù)據(jù)字組成，具體結(jié)構(gòu)取決于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式（內(nèi)部RAM存儲(chǔ)或DMA傳輸）以及是否使用單緩沖或雙緩沖。
3. 結(jié)束標(biāo)記：由兩個(gè)16位字組成，用于標(biāo)記報(bào)文的結(jié)束。
4. 服務(wù)容器：包含5個(gè)控制字和一個(gè)緩沖區(qū)，控制字的編碼根據(jù)主從模式的不同而有所差異。

六、附加規(guī)格、工具和支持

（一）附加規(guī)格

SERCON816的參考手冊(cè)詳細(xì)介紹了控制器的引腳、微處理器接口、串行接口、報(bào)文處理、主從模式、控制和RAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程示例以及電氣和機(jī)械特性等內(nèi)容。SERCOS接口規(guī)范（IEC/EN 61491）則對(duì)傳輸介質(zhì)、物理層、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。

（二）硬件和軟件組件

全球多個(gè)供應(yīng)商提供SERCON816控制器的主從例程（驅(qū)動(dòng)軟件），同時(shí)還提供適用于多種計(jì)算機(jī)接口的不同電路板，如ISA、VME、PCI和PC/104總線系統(tǒng)。

（三）工具

針對(duì)SERCOS接口，有多種開發(fā)和測(cè)試工具可供使用，包括總線監(jiān)視器、配置和仿真工具以及一致性測(cè)試工具等。

七、總結(jié)

SERCON816作為一款高性能的SERCOS接口控制器，憑借其豐富的功能、靈活的配置和良好的電氣特性，為工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信提供了可靠的解決方案。無論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件開發(fā)方面，都有相應(yīng)的支持和工具，能夠滿足不同用戶的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的項(xiàng)目要求，合理選擇通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置控制寄存器和RAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并注意功率耗散等問題，以充分發(fā)揮SERCON816的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用SERCON816的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。