工業(yè)以太網(wǎng)向EtherCAT及更高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展之路

在過(guò)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)。基于以太網(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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程。更快的速度帶來(lái)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(guò)十倍的費(fèi)用。

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

全新解決方案

自2012年以來(lái)，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(guò)一種更容易的方式來(lái)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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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。

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)

結(jié)論

Microchip的LAN9253和LAN9254無(wú)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(wú)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。