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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)場總線的系統(tǒng)轉向基于以太網的通信系統(tǒng)。基于以太網的工業(yè)通信發(fā)展勢頭迅猛，預計會繼續(xù)加速，分析機構MarketsandMarkets的最新研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)以太網的總體市場份額預計將從2020年的92億美元增長到2026年的137億美元，在研究期間的復合年增長率為7.3%。
工業(yè)以太網在相對較短的時間內占據(jù)了如此大的市場份額，這并不令人意外。盡管基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)已經過改進，但仍然存在一些不足。此類系統(tǒng)非常適合簡單的控制功能，但隨著越來越多的制造商致力于實現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略，這些不足變得難以克服。最明顯的缺點是速度，尤其是對于需要極其復雜且精確控制的應用，例如機器人。
基于以太網的實現(xiàn)顯然是一種不錯的選擇。以太網可輕松提供足夠的帶寬來應對絕大多數(shù)工業(yè)用例，即使是要求最苛刻的工業(yè)4.0應用。這是一種業(yè)界熟知的標準，具備成本效益且在世界各地廣泛應用。此標準非常靈活，適合許多不同的應用，尤其是能夠以低成本的方式將舊現(xiàn)場總線分支輕松集成到以太網主干。在實現(xiàn)和維護方面，并不缺少使用過并了解以太網技術的工程師。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準的通信系統(tǒng)非常實用。但是，在IT系統(tǒng)中采用的以太網具有不確定性，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)一種基于以太網且適用于工業(yè)應用的標準。這些新標準中最常用的是以太網TSN、以太網/IP、PROFINET和EtherCAT。從最初開發(fā)之時起，其中的每個協(xié)議和其他較小型或專有系統(tǒng)都具有其自身適用的地理或技術場景。
所有協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點。通常，它們采用在IT中應用的以太網概念，并相應調整來提供實時操作。其中一種工業(yè)以太網EtherCAT（用于控制自動化技術的以太網）的實現(xiàn)方式略有不同，它保留了標準以太網物理層并在其基礎上構建了全新的確定性協(xié)議。此協(xié)議使用主機控制器，它是惟一允許創(chuàng)建EtherCAT幀的器件。幀的長度始終相同，并且網絡上的每個器件節(jié)點都有專用的幀可尋址區(qū)域。當幀在網絡中傳輸時，每個節(jié)點選擇控制數(shù)據(jù)并在其經過時在其分配的空間中丟棄回復信息，幀的延時不超過硬件傳輸延時，同時提供接近100 Mbps線路速度的最大有效數(shù)據(jù)速率。
在其他工業(yè)以太網實現(xiàn)中，執(zhí)行幀檢查、執(zhí)行CRC檢查和遍歷協(xié)議棧可能需要數(shù)百微秒。EtherCAT的設計僅需125 µs即可完成整個過程。更快的速度帶來了更強的系統(tǒng)響應能力，而這又有助于提高整個控制應用的效率和安全性。EtherCAT器件節(jié)點也比其他工業(yè)以太網實現(xiàn)簡單得多，只需要在合適的單片機上運行的協(xié)議棧代碼（SSC），這進一步降低了系統(tǒng)的復雜性和成本。
但是，EtherCAT的應用并不是最容易實現(xiàn)的。對于設計人員而言，最困難的障礙是滿足周期時間的要求。許多制造商（尤其是使用電機的制造商）希望以每秒8,000次循環(huán)（即125 µs的周期時間）實現(xiàn)控制算法。盡管EtherCAT系統(tǒng)很容易達到這一數(shù)字，但實踐證明十分困難，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，在電機控制器旁邊放置現(xiàn)成的DIN導軌EtherCAT控制器可能要花費數(shù)百美元。但是，定制設計的實現(xiàn)只需不超過十倍的費用。
全新解決方案
自2012年以來，Microchip一直致力于耕耘EtherCAT市場，于2015年推出了首款EtherCAT器件控制器（ESC）LAN9252。事實證明，Microchip進入該市場獲得了成功，同時也收集到市場中存在的痛點的反饋。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間和一系列功能的要求，允許其在實現(xiàn)基礎上增加價值，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PHY，支持全雙工100BASE-TX收發(fā)器和100 Mbps操作。
Microchip在全新ESC中進行的最重要改進是對設計進行了定制，允許設計人員在軟件優(yōu)化極少的情況下滿足周期時間目標。此外，新器件還通過縮短設計時間和減少所需的BoM簡化了EtherCAT節(jié)點的實現(xiàn)。常規(guī)EtherCAT實現(xiàn)使用ESC、單片機和EEPROM，EEPROM托管ESC的配置。Microchip開發(fā)了一種可高效仿真EEPROM的技術。ESC使用函數(shù)調用直接從主機單片機獲取指令且不會影響性能，因此無需物理EEPROM。
新的IC還設計了減少定時所需晶體數(shù)量的功能。許多工業(yè)設計將多軸控制器用于機器人等應用。這些設計可能需要最多六個不同的控制器電路來操作一個多軸機械臂。以前，每個電路都需要對應的晶體來定時。而在新的IC中，采用了一種使用單晶體精確復制六個電路的時鐘系統(tǒng)和抖動衰減器的方法，無需另外五個晶體，因此有助于進一步降低系統(tǒng)成本。
這兩款器件還提供了其他功能，可簡化EtherCAT系統(tǒng)的實現(xiàn)和操作。EtherCAT協(xié)議設計為不在物理層進行診斷，因此用戶只有在開始出現(xiàn)CRC錯誤和其他問題時才會知道故障，例如電纜降級。Microchip的設計能夠隨時監(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的一個關鍵原則。
LAN9253采用QFN封裝，盡可能地復制了LAN9252封裝的引腳排列，允許客戶利用設計提供的改進，并進行最小程度的重新設計。LAN9254具有16個額外的I/O引腳，允許ESC作為簡單的控制器工作，無需單片機。由于器件節(jié)點使用的幀區(qū)域和傳輸延時已知，因此ESC中的位可以映射到幀和32個I/O線路中的偏移，從而允許現(xiàn)場設備直接連接到EtherCAT網絡。
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。MCU具有足夠的速度來滿足EtherCAT的要求，同時也可用作控制系統(tǒng)的應用處理器。處理器的浮點單元有助于處理更復雜的算法，例如電機控制所需的算法。此外，還添加了支持SNMP版本3代碼的以太網套接字，允許設計人員在將操作技術連接到IT系統(tǒng)時獲得更高的靈活性。
結論
Microchip的LAN9253和LAN9254無需相關支持組件，同時簡化了軟件優(yōu)化流程并增加了分析網絡的能力，因此可以更容易地實現(xiàn)和維護EtherCAT節(jié)點，縮短消耗時間并降低成本。新的LAN9255 IC進一步推動了這一趨勢，它無需外部主機控制器，并且為開發(fā)人員提供了采用單一封裝的EtherCAT節(jié)點和現(xiàn)場控制解決方案。利用Microchip MPLAB® X Harmony框架，可以在一個易于使用的用戶環(huán)境中編寫和優(yōu)化通信與控制軟件，從而進一步縮短上市時間。
本文中探討的所有器件現(xiàn)在都已批量生產，并由Microchip設計驗證服務提供支持：https://www.microchip.com/en-us/products/high-speed-networking-and-video/ethernet/ethercat-technology-solutions
圖1. 展示Microchip產品所發(fā)揮作用的典型EtherCAT®系統(tǒng)
圖2. LAN9255評估板（EVB-LAN9255）允許工程師使用集成的Cortex® M4F單片機與EtherCAT®器件控制器進行開發(fā)
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