在過去二十年里，工業(yè)系統(tǒng)的通信方式發(fā)生了巨大變化,。從這一變化中我們可以看出,，許多公司從基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)?；谝蕴W(wǎng)的工業(yè)通信發(fā)展勢(shì)頭迅猛，預(yù)計(jì)會(huì)繼續(xù)加速,，分析機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的最新研究發(fā)現(xiàn),，工業(yè)以太網(wǎng)的總體市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從2020年的92億美元增長(zhǎng)到2026年的137億美元，在研究期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.3%,。

工業(yè)以太網(wǎng)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)占據(jù)了如此大的市場(chǎng)份額,，這并不令人意外。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)已經(jīng)過改進(jìn),，但仍然存在一些不足,。此類系統(tǒng)非常適合簡(jiǎn)單的控制功能，但隨著越來越多的制造商致力于實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略,，這些不足變得難以克服,。最明顯的缺點(diǎn)是速度，尤其是對(duì)于需要極其復(fù)雜且精確控制的應(yīng)用,，例如機(jī)器人,。

基于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)顯然是一種不錯(cuò)的選擇。以太網(wǎng)可輕松提供足夠的帶寬來應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)工業(yè)用例,，即使是要求最苛刻的工業(yè)4.0應(yīng)用,。這是一種業(yè)界熟知的標(biāo)準(zhǔn)，具備成本效益且在世界各地廣泛應(yīng)用,。此標(biāo)準(zhǔn)非常靈活,，適合許多不同的應(yīng)用，尤其是能夠以低成本的方式將舊現(xiàn)場(chǎng)總線分支輕松集成到以太網(wǎng)主干,。在實(shí)現(xiàn)和維護(hù)方面,，并不缺少使用過并了解以太網(wǎng)技術(shù)的工程師。工業(yè)4.0要求在工業(yè)操作和IT之間建立可靠的連接,，因此具有基于相同標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)非常實(shí)用,。但是，在IT系統(tǒng)中采用的以太網(wǎng)具有不確定性,，而這是控制系統(tǒng)中最重要的要求之一,。

為滿足這一要求，許多制造商和組織著手開發(fā)一種基于以太網(wǎng)且適用于工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),。這些新標(biāo)準(zhǔn)中最常用的是以太網(wǎng)TSN,、以太網(wǎng)/IP,、PROFINET和EtherCAT。從最初開發(fā)之時(shí)起,，其中的每個(gè)協(xié)議和其他較小型或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)都具有其自身適用的地理或技術(shù)場(chǎng)景,。

所有協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通常,，它們采用在IT中應(yīng)用的以太網(wǎng)概念,，并相應(yīng)調(diào)整來提供實(shí)時(shí)操作。其中一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT(用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng))的實(shí)現(xiàn)方式略有不同,，它保留了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建了全新的確定性協(xié)議,。此協(xié)議使用主機(jī)控制器，它是惟一允許創(chuàng)建EtherCAT幀的器件,。幀的長(zhǎng)度始終相同,，并且網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)器件節(jié)點(diǎn)都有專用的幀可尋址區(qū)域。當(dāng)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí),，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇控制數(shù)據(jù)并在其經(jīng)過時(shí)在其分配的空間中丟棄回復(fù)信息,，幀的延時(shí)不超過硬件傳輸延時(shí)，同時(shí)提供接近100 Mbps線路速度的最大有效數(shù)據(jù)速率,。

在其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中,，執(zhí)行幀檢查、執(zhí)行CRC檢查和遍歷協(xié)議?？赡苄枰獢?shù)百微秒,。EtherCAT的設(shè)計(jì)僅需125 μs即可完成整個(gè)過程。更快的速度帶來了更強(qiáng)的系統(tǒng)響應(yīng)能力,，而這又有助于提高整個(gè)控制應(yīng)用的效率和安全性,。EtherCAT器件節(jié)點(diǎn)也比其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單得多，只需要在合適的單片機(jī)上運(yùn)行的協(xié)議棧代碼(SSC),，這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,。

但是，EtherCAT的應(yīng)用并不是最容易實(shí)現(xiàn)的,。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言,，最困難的障礙是滿足周期時(shí)間的要求。許多制造商(尤其是使用電機(jī)的制造商)希望以每秒8,000次循環(huán)(即125 μs的周期時(shí)間)實(shí)現(xiàn)控制算法,。盡管EtherCAT系統(tǒng)很容易達(dá)到這一數(shù)字,，但實(shí)踐證明十分困難，而且通常需要大量的軟件編寫和優(yōu)化工作,。此外,，這種方法的成本也十分高昂，在電機(jī)控制器旁邊放置現(xiàn)成的DIN導(dǎo)軌EtherCAT控制器可能要花費(fèi)數(shù)百美元。但是,，定制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)只需不超過十倍的費(fèi)用,。

全新解決方案

自2012年以來，Microchip一直致力于耕耘EtherCAT市場(chǎng),，于2015年推出了首款EtherCAT器件控制器(ESC)LAN9252,。事實(shí)證明，Microchip進(jìn)入該市場(chǎng)獲得了成功,，同時(shí)也收集到市場(chǎng)中存在的痛點(diǎn)的反饋,。此外，Microchip還發(fā)現(xiàn),，用戶希望通過一種更容易的方式來滿足周期時(shí)間和一系列功能的要求,，允許其在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上增加價(jià)值，并且能更深入地了解EtherCAT的工作方式,。

這些反饋促使Microchip開發(fā)了第二代ESC解決方案，并于2020年9月推出,。LAN9253和LAN9254器件是3端口ESC,，配有雙集成以太網(wǎng)PHY，支持全雙工100BASE-TX收發(fā)器和100 Mbps操作,。

Microchip在全新ESC中進(jìn)行的最重要改進(jìn)是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了定制,，允許設(shè)計(jì)人員在軟件優(yōu)化極少的情況下滿足周期時(shí)間目標(biāo)。此外,，新器件還通過縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和減少所需的BoM簡(jiǎn)化了EtherCAT節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn),。常規(guī)EtherCAT實(shí)現(xiàn)使用ESC、單片機(jī)和EEPROM,，EEPROM托管ESC的配置,。Microchip開發(fā)了一種可高效仿真EEPROM的技術(shù)。ESC使用函數(shù)調(diào)用直接從主機(jī)單片機(jī)獲取指令且不會(huì)影響性能,，因此無需物理EEPROM,。

新的IC還設(shè)計(jì)了減少定時(shí)所需晶體數(shù)量的功能。許多工業(yè)設(shè)計(jì)將多軸控制器用于機(jī)器人等應(yīng)用,。這些設(shè)計(jì)可能需要最多六個(gè)不同的控制器電路來操作一個(gè)多軸機(jī)械臂,。以前，每個(gè)電路都需要對(duì)應(yīng)的晶體來定時(shí),。而在新的IC中,，采用了一種使用單晶體精確復(fù)制六個(gè)電路的時(shí)鐘系統(tǒng)和抖動(dòng)衰減器的方法，無需另外五個(gè)晶體,，因此有助于進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本,。

這兩款器件還提供了其他功能，可簡(jiǎn)化EtherCAT系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和操作。EtherCAT協(xié)議設(shè)計(jì)為不在物理層進(jìn)行診斷,，因此用戶只有在開始出現(xiàn)CRC錯(cuò)誤和其他問題時(shí)才會(huì)知道故障,，例如電纜降級(jí)。Microchip的設(shè)計(jì)能夠隨時(shí)監(jiān)控電纜的狀況,，允許用戶在出現(xiàn)問題之前發(fā)現(xiàn)故障,，這是工業(yè)4.0的一個(gè)關(guān)鍵原則。

LAN9253采用QFN封裝,，盡可能地復(fù)制了LAN9252封裝的引腳排列,，允許客戶利用設(shè)計(jì)提供的改進(jìn)，并進(jìn)行最小程度的重新設(shè)計(jì),。LAN9254具有16個(gè)額外的I/O引腳,，允許ESC作為簡(jiǎn)單的控制器工作，無需單片機(jī),。由于器件節(jié)點(diǎn)使用的幀區(qū)域和傳輸延時(shí)已知,，因此ESC中的位可以映射到幀和32個(gè)I/O線路中的偏移，從而允許現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò),。

許多客戶要求我們包括控制器來提供一體化ESC解決方案,。今年，Microchip推出了LAN9255,，其中增加了Cortex-M4F單片機(jī),。MCU具有足夠的速度來滿足EtherCAT的要求，同時(shí)也可用作控制系統(tǒng)的應(yīng)用處理器,。處理器的浮點(diǎn)單元有助于處理更復(fù)雜的算法,，例如電機(jī)控制所需的算法。此外,，還添加了支持SNMP版本3代碼的以太網(wǎng)套接字,，允許設(shè)計(jì)人員在將操作技術(shù)連接到IT系統(tǒng)時(shí)獲得更高的靈活性。

結(jié)論

Microchip的LAN9253和LAN9254無需相關(guān)支持組件,，同時(shí)簡(jiǎn)化了軟件優(yōu)化流程并增加了分析網(wǎng)絡(luò)的能力,，因此可以更容易地實(shí)現(xiàn)和維護(hù)EtherCAT節(jié)點(diǎn)，縮短消耗時(shí)間并降低成本,。新的LAN9255 IC進(jìn)一步推動(dòng)了這一趨勢(shì),，它無需外部主機(jī)控制器，并且為開發(fā)人員提供了采用單一封裝的EtherCAT節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)控制解決方案,。利用Microchip MPLAB? X Harmony框架,，可以在一個(gè)易于使用的用戶環(huán)境中編寫和優(yōu)化通信與控制軟件，從而進(jìn)一步縮短上市時(shí)間,。

本文中探討的所有器件現(xiàn)在都已批量生產(chǎn),，并由Microchip設(shè)計(jì)驗(yàn)證服務(wù)提供支持。

圖1. 展示Microchip產(chǎn)品所發(fā)揮作用的典型EtherCAT?系統(tǒng)

圖2. LAN9255評(píng)估板(EVB-LAN9255)允許工程師使用集成的Cortex? M4F單片機(jī)與EtherCAT?器件控制器進(jìn)行開發(fā)

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