工業(yè)以太網(wǎng)向EtherCAT及更高標準發(fā)展之路

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(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)展勢頭迅猛，預(yù)計會繼續(xù)加速，分析機構(gòu)MarketsandMarkets的最新研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)的總體市場份額預(yù)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(fù)合年增長率為7.3%。

工業(yè)以太網(wǎng)在相對較短的時間內(nèi)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(jīng)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(fù)雜且精確控制的應(yīng)用，例如機器人。

基于以太網(wǎng)的實現(xiàn)顯然是一種不錯的選擇。以太網(wǎng)可輕松提供足夠的帶寬來應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。此標準非常靈活，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)場總線分支輕松集成到以太網(wǎng)主干。在實現(xiàn)和維護方面，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(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)用的標準。這些新標準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)之時起，其中的每個協(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(yīng)用的以太網(wǎng)概念，并相應(yīng)調(diào)整來提供實時操作。其中一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT（用于控制自動化技術(shù)的以太網(wǎng)）的實現(xiàn)方式略有不同，它保留了標準以太網(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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中傳輸時，每個節(jié)點選擇控制數(shù)據(jù)并在其經(jīng)過時在其分配的空間中丟棄回復(fù)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(wǎng)實現(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(yīng)能力，而這又有助于提高整個控制應(yīng)用的效率和安全性。EtherCAT器件節(jié)點也比其他工業(yè)以太網(wǎng)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(fù)雜性和成本。

但是，EtherCAT的應(yīng)用并不是最容易實現(xiàn)的。對于設(shè)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(shè)計的實現(xiàn)只需不超過十倍的費用。

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，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(chǔ)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(wǎng)PHY，支持全雙工100BASE-TX收發(fā)器和100 Mbps操作。

Microchip在全新ESC中進行的最重要改進是對設(shè)計進行了定制，允許設(shè)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(shè)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(shù)。ESC使用函數(shù)調(diào)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(shè)計了減少定時所需晶體數(shù)量的功能。許多工業(yè)設(shè)計將多軸控制器用于機器人等應(yīng)用。這些設(shè)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(yīng)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(fù)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(shè)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(shè)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(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)計提供的改進，并進行最小程度的重新設(shè)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(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。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(yīng)用處理器。處理器的浮點單元有助于處理更復(fù)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(wǎng)套接字，允許設(shè)計人員在將操作技術(shù)連接到IT系統(tǒng)時獲得更高的靈活性。

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)

結(jié)論

Microchip的LAN9253和LAN9254無需相關(guān)支持組件，同時簡化了軟件優(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。