適用于創(chuàng)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的微控制器和EtherCAT技術(shù)

在全球各地的工廠和加工廠中擁有數(shù)百萬個控制和工藝節(jié)點，工業(yè)控制自動化是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的下一個前沿 - 而32位MCU將發(fā)揮重要作用。

以太網(wǎng)是連接制造節(jié)點以創(chuàng)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的明顯選擇。通過采用以太網(wǎng)技術(shù)，工廠車間可以無縫集成到企業(yè)中，從而可以更快地響應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)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(wǎng)達不到關(guān)鍵的工廠自動化要求：

其MAC層不支持實時，低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。標準以太網(wǎng)適用于IT，因為它允許各個節(jié)點控制網(wǎng)絡(luò)并傳輸相對較大的數(shù)據(jù)包。工業(yè)中常見的控制網(wǎng)絡(luò)需要確定性地傳輸相對少量的控制或狀態(tài)數(shù)據(jù)。

其基于交換機的星形拓撲與制造和加工廠中的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)）控制自動化技術(shù)），它為經(jīng)典以太網(wǎng)增加了實時和其他功能，并強制執(zhí)行配置，使其成為一種非常高效的自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時完全符合以太網(wǎng)規(guī)范。 EtherCAT技術(shù)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(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備 - 自動化控制器，操作員界面，遠程輸入/輸出單元，傳感器，執(zhí)行器，驅(qū)動器等。

任何可行的工業(yè)以太網(wǎng)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(jié)點上需要硬件。這種簡單的預(yù)防措施 - 不需要主設(shè)備上的專用硬件 - 可提供最佳，可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備上也可以降低成本。

設(shè)計EtherCAT從站節(jié)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(lǐng)域之前創(chuàng)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(shè)備供應(yīng)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(tǒng)規(guī)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(jié)省設(shè)計時間。對于需要或需要無線連接的IIoT應(yīng)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，F(xiàn)reescale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(jié)合（如果應(yīng)用）呼叫無線鏈路。

EtherCAT基礎(chǔ)

EtherCAT實現(xiàn)了一種稱為“即時”處理的技術(shù)，其中EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點在通過時讀取幀數(shù)據(jù)。幀起源于EtherCAT主站，后者向從站發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。發(fā)送給主設(shè)備的任何數(shù)據(jù)都會在從設(shè)備通過時由從設(shè)備寫入幀中。這消除了主從設(shè)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(tài)處理意味著從站必須具有兩個以太網(wǎng)端口，以便能夠在幀通過時讀取或?qū)懭霂?。因此，從設(shè)備需要專門的硬件。但是，由于這種配置，運行EtherCAT的100 Mbits/s網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬超過90％，而主設(shè)備與每個從節(jié)點分別通信的網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬不到5％。

EtherCAT通過在以太網(wǎng)幀中封裝EtherCAT報文來保持與標準以太網(wǎng)的兼容性。以太網(wǎng)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(xié)議保持一致。使用IP頭時，EtherCAT協(xié)議也可用于網(wǎng)絡(luò)路由器。

EtherCAT報文包含一個或多個EtherCAT數(shù)據(jù)報，這些數(shù)據(jù)報是尋址的EtherCAT從站。每個EtherCAT數(shù)據(jù)報都是一個由標頭，數(shù)據(jù)和工作計數(shù)器組成的命令。標頭和數(shù)據(jù)用于指定從設(shè)備必須執(zhí)行的操作，并且從設(shè)備更新工作計數(shù)器以讓主設(shè)備知道從設(shè)備已處理命令。

圖1說明了關(guān)系以太網(wǎng)和EtherCAT報文和數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線拓撲。由于所有I/O設(shè)備都具有嵌入式EtherCAT接口，因此不需要以太網(wǎng)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(shù)千個分布在廣闊地理區(qū)域的設(shè)備。對于短距離，例如在背板上，EtherCAT使用差分信令技術(shù)E-bus。

EtherCAT通過對每個從節(jié)點上的EtherCAT數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。主設(shè)備使用從設(shè)備提供的時間戳信息來計算每個從設(shè)備的傳播延遲?；谠撚嬎阏{(diào)整每個從節(jié)點中的時鐘。時鐘同步到1μs之內(nèi)。同步時鐘的另一個優(yōu)點是應(yīng)用程序所需的測量可以與同步時間相關(guān)聯(lián)。這消除了與器件之間通信中的抖動相關(guān)的不確定性。

EtherCAT實現(xiàn)策略

如前所述，有幾種方法可以在硬件中實現(xiàn)EtherCAT從器件。

對于簡單的EtherCAT應(yīng)用，可以使用單個FPGA或ASIC解決方案創(chuàng)建數(shù)字I/O.這些實現(xiàn)適用于對成本敏感的簡單I/O節(jié)點，這些節(jié)點不需要軟件，并且功能可以完全在硬件中實現(xiàn)。

也可以使用以太網(wǎng)從控制器芯片 - 只要它們經(jīng)過修改即可滿足EtherCAT規(guī)范，例如用于讀取和寫入飛行的雙以太網(wǎng)端口。當需要額外的處理能力時，MCU可以連接到ESC以處理應(yīng)用級處理。該解決方案適用于傳感器應(yīng)用，例如，MCU與傳感器交互，實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序并運行EtherCAT協(xié)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(wǎng)PHY，F(xiàn)MMU，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(shù)8/16/32位嵌入式控制器。在使用LAN9252開發(fā)工業(yè)自動化應(yīng)用時，MCU的PIC32MX系列選擇良好的MCU。一個帶有所需外設(shè)的是PIC32MX795F512LT。圖2是一個系統(tǒng)的簡單框圖，該系統(tǒng)利用LAN9252在一個從節(jié)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(fā)應(yīng)用程序的第一步是將Microchip的LAN9252軟件開發(fā)套件（SDK）與EtherCAT從機堆棧代碼（SSC）集成：兩者都需要在Microchip上開發(fā)應(yīng)用程序代碼EVB-LAN9252-HBI評估板。

可以從Microchip的網(wǎng)站下載SDK。首選的SSC由Beckhoff Automation公司開發(fā) - 該公司發(fā)明了EtherCAT規(guī)范。設(shè)計公司必須是EtherCAT技術(shù)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(fā)應(yīng)用程序代碼來設(shè)計EtherCAT ESC。

如果應(yīng)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(tǒng)連接。

MCU + ESC架構(gòu)比FPGA或ASIC實現(xiàn)更昂貴，但它的優(yōu)勢在于設(shè)計人員可以選擇適合其應(yīng)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(shè)備上實現(xiàn) - 而不僅僅在MCU上實現(xiàn)。例如，F(xiàn)PGA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(jù)CPU選擇，存在滿足成本或工作頻率目標的挑戰(zhàn)。另一方面，MCU實現(xiàn)的優(yōu)勢在于利用32位CPU來滿足所有應(yīng)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(guān)鍵外設(shè)是TI的實時PRU子系統(tǒng)，它支持與最初定義用于將100 Mbit/s以太網(wǎng)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(xiàn)的EtherCAT從設(shè)備。 （德州儀器公司提供）

與MII的低級別交互使PRU子系統(tǒng)能夠執(zhí)行EtherCAT等通信協(xié)議。整個EtherCAT MAC層通過固件封裝在PRU子系統(tǒng)中。 TI的AM3359BZCZA80是EtherCAT實現(xiàn)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(zhí)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(yè)應(yīng)用程序運行。

PRU子系統(tǒng)還執(zhí)行反向幀轉(zhuǎn)發(fā)。由于PRU子系統(tǒng)實現(xiàn)了所有EtherCAT功能，因此ARM處理器可用于復(fù)雜應(yīng)用，或者低速變體可用于更簡單且成本受限的應(yīng)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(wǎng)PHY設(shè)備是必需的。 TLK110針對MII和PHY接口之間的低延遲進行了優(yōu)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(fā)板（如TMDSICE3359）為EtherCAT開發(fā)提供支持。

結(jié)論

IIoT - 其中數(shù)百萬個工業(yè)工廠自動化節(jié)點將鏈接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò) - 將由EtherCAT和其他協(xié)議啟用，這些協(xié)議彌合了龐大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安裝基礎(chǔ)和標準以太網(wǎng)之間的重大差異。兩個最突出的區(qū)別是：（1）大多數(shù)工廠網(wǎng)絡(luò)對硬實時響應(yīng)的要求;（2）工廠自動化的短數(shù)據(jù)有效載荷，這使得標準以太網(wǎng)的大型框架在工業(yè)應(yīng)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(xié)議棧延遲?？梢允褂枚喾NEtherCAT從硬件實現(xiàn)，包括嵌入在MCU中的FPGA，ASIC和EtherCAT。最佳選擇取決于應(yīng)用程序。