EtherCAT科普系列（5）：EtherCAT工作机制及ESC芯片技术特点

EtherCAT协议以IEEE8002.3以太网规范为基础，并继承了以太网全双工通信的特点，与普通以太网系统不同，EtherCAT系统采用主/从通信结构，主站和从站之间使用通用的物理层器件进行连接，系统中可以存在多个从站设备，主站和从站之间采用介质访问控制(MAC)，从根本上消除了数据冲突。

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EtherCAT工作机制

在EtherCAT系统中，主站是所有EtherCAT通信服务的发起者。主站发送以太网数据帧遍历各从站，一个以太网数据包含了若干设备的过程数据，与传统的以太网节点接收-解码-复制-转发以太网数据帧的处理方式不同，EtherCAT从站使用“On the Fly”技术在报文传输不停止的情况下分析寻址到本站的EtherCAT子报文，并根据子报文中的命令读取或插入数据。“On the Fly”技术由硬件来实现，这极大的降低了传输时，提高了网络的实时性。从站遍历结束后，数据帧返回到网段内第一个从站，并由第一个从站返回给主站，主站根据返回的数据帧进行校验，从而完成一次通信。EtherCAT控制系统可以不通过软件，仅使用硬件就完成 EtherCAT数据帧的读写，传输实时性高。采用分布式时钟不同，减小同步误差的同时，还保证了传输的可靠性。支持网络环路适当的存在几余，加大传输数据的量，从而增加了传输效率。

▲EtherCAT运行原理EtherCAT各种出色的性能：极小的循环时间、高速、高同步性、易用性和低成本使其在机器人控制、机床应用、CNC功能、包装机械、测量应用、超高速金属切割、汽车工业自动化、机器内部通信、焊接机器、嵌入式系统、变频器、编码器等领域获得极大的应用。因拓扑的灵活，无需交换机或集线器、网络结构没有限制、自动连接检测等特点使其在大桥减震系统、印刷机械、液压/电动冲压机、木材加工设备等领域具有很大的应用价值。

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ESC技术特点

EtherCAT主站可以在任何具有标准以太网卡的控制设备上实现，从站则需要借助专门的EtherCAT从站控制器芯片（ESC），是系统中最关键的组成部分。ESC芯片主要负责主从站之间的协议处理,实现EtherCAT物理层与数据链路层的所有功能，除此之外，还要为与从站微处理器部分连接提供PDI接口。ESC作为实现 EtherCAT数据链路层的专用集成电路，为EtherCAT协议提供了很多独特的技术支持。

1帧处理顺序

ESC最多提供四个MI1端口，端口0被定义为入口，每个端口有打开或者关闭两种状态，ESC实现了自动关闭没有外部连接的端口的功能。ESC使用自动回环来处理以太网数据帧:数据帧在ESC内部按照端口0->端口3->端口1->端口 2->端口0的顺序传递，转发过程中未启用的端口将被直接跳过。ESC自动回环的帧处理方式极大的提高了EtherCAT构造多种拓扑结构的能力。

▲EtherCAT帧处理过程

2现场总线存储管理单元

现场总线存储管理单元(FMMU)用于建立逻辑地址转化为从站的物理地址之间的映射，它使用内部地址映射的方式来实现，它为EtherCAT协议中的逻辑寻址提供了技术支持。ESC中含有多个FMMU通道，每个都有16个配置寄存器用于配置包括逻辑地址起始地址、数据长度、访问权限等在内的配置信息，以建立映射关系，FMMU可以实现位映射。通过对FMMU配置寄存器进行设置，可以将同一段逻辑地址空间映射到不同从站的不同物理地址空间中，从而实现一个EtherCAT子报文的多从站寻址功能。FMMU通道由主站在初始化配置阶段配置，一旦映射关系建立就不能再进行映射。

▲FMMU映射原理

3存储同步管理

数据的一致性和安全性是EtherCAT系统中主站和从站在进行数据通信时一个非常重要的特性。在ESC中，数据的同步管理由存储同步管理通道SM机制来实现。

SM通道用于管理从站ESC本地缓存，它通过控制ESC本地缓存的读写来实现主站和从站之间数据交换的一致性和安全性。在EtherCAT中缓存区的数量、数据交换的方向以及通信方式等都可以由主主站通过SM配置寄存器配置。EtherCAT定义了两种SM运行模式:缓存类型和邮箱类型。周期性过程数据通信用于传送实时性的过程数据。主站使用逻辑寻址方式读、写过程数据。系统初始化过胜过程数据通信男于传送客时提够过程数揭·信号周期FMMU(FMMU管理逻辑地址到物理地址的映射)相关的参数。周期性过程数据通信开始后，主站按照一个固定的周期发送 EtherCAT数据帧。该数据帧使用了逻辑寻址的方式与从站进行交互。该通讯模式下，ESC的存储区被配置成缓存模式。相关的配置由ESC中的同步管理器（SyncManager)来完成。

▲同步管理器缓冲模式工作原理

EtherCAT协议中的非周期数据通信采用邮箱模式(Mailbox Mode)，故又称为邮箱数据通信。它可以进行双向通信--主站到从站和从站到主站。支持全双工、两个方向独立通信和多用户协议，比如EOE、FOE、SoE等。非周期数据通信只使用一个缓存区，由两个同步管理器SM来管理数据通信:使用SMO管理主站到从站的写邮箱命令；使用SM1管理从站到主站的读邮箱命令。由于非周期数据通信，只采用一个缓存区模式，主站和微处理器之间只有其中一个完成之后，才能访问缓存区。故只有数据被完全读走后才能进写操作。同理数据只有当完全写完后才能执行读操作。

▲同步管理器邮箱模式工作原理

4分布式时钟

分布式时钟(DC，Distributed Clock)可以使所有EtherCAT设备共享一个系统时间，从而控制各个设备(包括主站和从站)的任务同步执行。精确同步对于同步动作的分布过程尤为重要，如在大型印刷设备中，要求多个伺服轴同时执行和协调运动。如果各个从站同步性出现较大的差异，便会产生严重的后果。与主站连接的第一个具有分布时钟功能的从站作为参考时钟，以参考时钟来同步其他设备和主站的从时钟。采用EtherCAT数据交换基于纯硬件机制，主站可以通过发送的数据帧和返回的数据帧的时间差来测量和计算时间偏移、传输延时，并补偿本地时钟的漂移。支持分布式时钟的从站称为DC从站。

▲分布式时钟工作原理

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码灵半导体ESC芯片技术特点

码灵半导体推出的CF110x系列ESC芯片完全满足EtherCAT从站数据帧接收、处理、转发实时性的要求，为实现EtherCAT从站提供了一种经济高效且紧凑的解决方案。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图CF110x系列最多可以提供3个数据收发端口，使从站能够灵活的实现各种拓扑结构，内部含有8个FMMU单元，8个SM通道，4KB控制寄存器，8KB过程数据存储区，支持64位分布式时钟功能，其中8KB过程数据存储区是DPRAM，用于和微控制器交换数据。CF110x系列提供了三种过程数据接口:数字量IO接口、SPI接口和8/16位异步微控制器接口（μC8/16），其中SPI和μC8/16用于连接外部微控制器，组成复杂的从站设备。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

CF110x系列具体功能特性

? 以太网端口：最多支持3个MII端口，单端口最大数据传输速度100Mbit/s，全双工传输；

? FMMUs（现场总线内存管理单元）：8个，提供了一种从站地址的映射，通过地址的逻辑映射方式可以同时完成对多个从站设备的控制，可大幅提升通信效率；

? Sync Managers（同步管理器）：8个，用于数据在传输过程中同步，保证了数据使用过程中的一致性和安全性；

? Distributed Clock（分布式时钟）：1个64 位，用于实现主站和从站间通讯和管理的实时同步，同步精度<< 1μs；

? PDI Interfaces（过程数据接口）：支持32位 Digital I/O、SPI 从站接口、8/16位异步微控制器接口（μC8/16），作为从站控制器和应用之间的数据接口；

? RAM容量：8KB，用于存储基本寄存器参数和使用方数据；

? GPIO：最多支持16位；

? 拓扑结构：最多可支持65,535个设备，对拓扑结构没有限制，支持线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合；

? 供电：内部 LDO 提供逻辑内核 /PLL电源 (3.3V 到 1.8V)，选择外部电源供电给内部 LDO 提供逻辑内核/PLL电源；

? 集成：可选择性集成2个10M/100Mbps以太网PHY，兼容100BASE-TX，或32位ARM Cortex-M3内核微控制器（MCU）；

? 其他特性：低延时（纳秒级），输出时钟频率25MHz；

? 封装形式和尺寸：QFN64L (9x9mm)、QFN88L (10x10mm)、QFN100L (12x12mm)；

? 工作温度：-40℃~85℃。

EtherCAT从站控制器芯片作为工业控制系统中重要的组成部分，是推动工业控制系统向分散化、网络化、智能化目标的重要技术点。码灵半导体CF110x系列提供全系列产品应用参考设计，并提供完善的软硬件设计文件，方便工程师快速进行上手使用、性能评估以及二次开发，助力客户项目快速量产落地。

▲CF1103A型号开发评估板

▲CF1103B型号开发评估板

▲CF1106A型号开发评估板

▲CF1106B型号开发评估板欢迎联系码灵半导体李经理18759007589（微信同号）获取更多CF110x系列产品及应用方案等详细信息。