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EtherCAT基础和基于Microchip LAN925x做从站的应用实例
来源:Arrow 发布:2023/07/10 浏览量:277

EtherCAT全称“以太网控制自动化技术 ”(Ethernet for Control Automation Technology),是以Ethernet 为基础的现场总线系统,最早是由德国的Beckhoff公司研发,目的是把以太网应用在自动化控制系统中。

EtherCAT全称“以太网控制自动化技术 ”(Ethernet for Control Automation Technology),是以Ethernet 为基础的现场总线系统,最早是由德国的Beckhoff公司研发,目的是把以太网应用在自动化控制系统中。

 

EtherCAT也是以太网技术,只是通过对数据帧的特殊处理,使其能够具有实时性和准确性,可以应用在自动化控制系统。EtherCAT的关键工作原理在于每个从站对报文的处理:在数据帧传输过程中,每个从站通过特殊的寻址方式读取数据帧中该从站的数据,并把要发送的数据写入数据帧中的对应位置,这个过程只需要几纳秒。这种方式提高了带宽利用率,并使得刷新所有从站的数据只需要主站发送一个数据帧。

 

EtherCAT工业以太网主要特点

 

EtherCAT工业以太网的主要特点如下:

  1. 符合以太网标准,普通以太网相关的器件和技术可以应用在EtherCAT中,例如PHY和网络变压器等。
     
  2. 支持多种拓扑结构。如线形、星形及树形。
     
  3. 主站搭建方便。任何带有普通以太网控制器的设备都有条件作为EtherCAT主站,比如嵌入式系统、个人PC机等。
      
  4. 效率高。EtherCAT从站对数据帧的读写操作完全由硬件来实现,这样CPU就不需要参与读写操作,大大减少了软件工作量。
 
EtherCAT是一种实时工业以太网技术,它充分利用了以太网的全双工特性。使用主从模式介质访问控制(MAC),主站使用标准的以太网接口卡,从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller),EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。
 

EtherCAT网络系统的运行

 

EtherCAT网络是主从站结构网络,网络由一个主站和一个/多个从站组成。主站是网络的控制中心,也是通信的发起者。一个EtherCAT从站就是一个以太网设备,它接收和发送标准的以太网数据帧。EtherCAT系统运行如下图所示,这些从站可以直接处理接收的数据帧,并从数据帧中提取或插入相关数据,然后将该数据帧传输到下一个从站。最后一个从站发回经过完全处理的数据帧,并通过回环机制将其发送给主站。所有数据都是由从站控制器的硬件来处理,使得通信周期非常短。 

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EtherCAT从站设备主要完成EtherCAT通信和控制应用两大功能,是工业以太网EtherCAT控制系统的关键部分。从站通常分为四大部分:EtherCAT从站控制器芯片(ESC)、从站微处理器、物理层PHY和执行单元。
 
EtherCAT从站控制器芯片ESC负责处理EtherCAT数据帧,并通过读写操作实现EtherCAT主站与从站本地应用的数据交换。
 

Microchip LAN925x 应用实例

 

Microchip的LAN9253是比较通用的EtherCAT从站控制器芯片,集成一个MII接口和两个100base的PHY,可以实现两端口和三端口的EtherCAT从站设计,组成线型或者星型的EtherCAT网络。当实现两端口的从站时,可以直接使用LAN9253集成的PHY。当实现3端口的从站时,除了两个集成的PHY,还需要在MII接口端连接一个物理层PHY。另外芯片集成16个IO口,如果从站处理逻辑相对简单,可以直接使用这些IO做控制,不需要额外的微处理器。如果需要从站需要做复杂的任务,可以增加一个微处理器,LAN9253通过SPI传输对应解析后的ESC指令给微处理器,微处理器在做对应的任务处理。

芯片功能图如下图所示

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下图是一个使用LAN9253做三端口从站的示意图,其中KSZ8721是MII接口的物理层PHY。微处理器可以考虑使用Microchip的ATSAMD51系列,使用这个系列Microchip可以提供现成的从站代码可以做参考。另外Microchip还提供集成MCU的EtherCAT从控制器LAN9255,以及更多IO口和功能的LAN9254。

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总结

 

EtherCAT是基于以太网的工业现场总线,通过特殊的帧处理机制增加了其延迟低,高效率的特点。主站可以使用通用的PC机,工业板卡等,从站设计可以考虑使用Microchip的LAN9253做从站ESC控制器。

 

* 文中部分内容选自 《EtherCAT工业以太网应用技术》

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