MCUs和EtherCAT为工业物联网服务

　　随着世界各地工厂和加工厂数以百万计的控制和工艺节点，工业控制自动化是物联网的下一个前沿领域，而32位MCUs将扮演重要角色。
　　以太网是连接制造节点和创建物联网(IIoT)的明显选择。通过采用以太网技术，工厂的地板可以无缝地集成到企业中，这将允许更快的生产响应，以适应不断变化的业务条件，集中维护和诊断，以及更好的工厂自动化。
　　然而，标准的以太网没有达到关键的工厂自动化要求，原因有两个:
　　它的MAC层不支持实时、低延迟的数据传输。标准以太网为它工作，因为它允许单个节点控制网络并传输相对较大的数据包。在工业中常见的控制网络需要相对少量的控制或状态数据的确定性转移。
　　它的星型，基于开关的拓扑与在制造和加工工厂中发现的网络非常不同。
　　为了解决这些问题，超过2,600家公司支持EtherCAT(以太网控制自动化技术)，它将实时和其他功能添加到经典的以太网和enforces配置中，使其成为非常高效的自动化网络技术，同时完全符合以太网规范。EtherCAT技术集团保持了标准，这是国际电工委员会(IEC)标准的一部分。
　　EtherCAT允许使用任何标准PC作为以太主人，并与以太奴隶交流。它们可以用来连接工厂网络中的所有设备——自动化控制器、操作接口、远程输入/输出单元、传感器、驱动器、驱动器和其他。
　　任何可行的工业以太网解决方案都必须支持硬实时性能，这意味着EtherCAT需要一个专用的硬件接口。但是，与市场上的其他解决方案不同，EtherCAT只需要在从节点上使用硬件。这种简单的预防措施——不需要在主服务器上使用专用硬件——提供最优、可预测的网络性能，因为软件堆栈延迟不会影响整体性能。只把硬件放在奴隶一边也会降低成本。
　　有许多硬件策略用于设计EtherCAT从属节点。德国公司Beckhoff自动化——在它进入公共领域之前创建了EtherCAT，它使用fpga作为它的第一个EtherCAT从属控制器(ESC)。ASICs是另一种替代方法，许多EtherCAT设备供应商使用可配置的EtherCAT ipcore为Altera和Xilinx fpga。
　　然而，当MCU是整个系统计划的一部分时，使用支持EtherCAT slave-controller接口的MCU可以减少材料成本，节省设计时间。这对于IIoT应用程序尤其适用，在这种应用程序中，需要或需要无线连接。
　　德州仪器的Cortex-A8_based思达拉™单片机EtherCAT片上的支持。其他公司如英飞凌、瑞萨、微芯片技术、飞天公司和Atmel也提供了EtherCAT解决方案，这些解决方案既可以集成在芯片上，也可以将一个简单的FPGA或asic的从属控制器与一个32位的单片机和一个射频芯片结合起来，如果应用程序需要无线链路的话。

　　EtherCAT基础知识
　　EtherCAT实现了一种名为“动态”处理的技术，在这个过程中，EtherCAT网络中的每个节点在经过时读取帧数据。框架源自以太大师，它向奴隶发送命令和数据。发送到主人的任何数据都是由奴隶在经过时写入框架的。这就消除了主人和个体奴隶之间的点对点交换，大大提高了通信效率。
　　动态处理意味着必须有两个以太网端口，以便能够读取或写入到帧。因此，从设备需要专门的硬件。然而，由于这种配置，在100 mbit /s网络中运行EtherCAT的可用带宽超过了90%，相比之下，主服务器与每个从属节点单独通信的网络的可用带宽不足5%。
　　EtherCAT通过封装以太网帧中的EtherCAT telegram来维持与标准以太网的兼容性。以太网帧使用头部的EtherCAT类型，也可以用IP/UDP头包装，以保证与Internet协议的一致性。当使用IP报头时，EtherCAT协议也可以跨网络路由器使用。
　　EtherCAT telegram包括一个或多个以太奴隶为对象的EtherCAT datagrams。每个EtherCAT数据报都是一个包含头、数据和工作计数器的命令。头和数据用于指定奴隶必须执行的操作,以及工作奴隶来更新计数器让主人知道奴隶处理命令。
　　图1说明了以太网和EtherCAT电报和数据之间的关系。
　　德州仪器公司的形象EtherCAT电报封装


　　图1:EtherCAT电报封装。(由凯利讯半导体)
　　拓扑和时钟
　　EtherCAT支持任何拓扑——线、明星或树,以及常见的现场总线拓扑。因为所有的I / O设备嵌入式EtherCAT接口、以太网交换硬件不是必需的。100米范围内的铜与光学链接,链接和更长时间EtherCAT可以跨在成千上万的设备分布在一个大的地理区域。对于短距离,如利用背板,EtherCAT使用E-bus,微分信号的技术。
　　EtherCAT完成时钟同步采样的时间戳的入口和出口EtherCAT包在每一个奴隶节点遍历网络。主使用时间戳信息提供的奴隶来计算传播延迟为每个单独的奴隶。每个奴隶节点的时钟调整基于此计算。时钟同步在1μs彼此。同步时钟的另一个优点是,测量所需的应用程序可以与时间同步。这消除了不确定性与设备之间的通信的抖动。

　　EtherCAT实现策略
　　正如前面提到的,有几种方法可以在硬件中实现EtherCAT奴隶。
　　对于简单EtherCAT应用程序,可以创建数字I / O使用单FPGA和ASIC的解决方案。这些实现很好的厂商在为简单的I / O节点,不需要软件,功能可以完全用硬件来实现。
　　以太网从属控制器芯片也可以使用,只要他们有被修改以满足EtherCAT规格如双以太网端口的阅读和写作。当需要额外的处理能力时,可以连接到单片机ESC来处理应用程序级处理。这个解决方案是适合传感器应用程序,例如,在单片机与传感器,实现了设备驱动程序和运行EtherCAT协议栈。时也可以使用无线通信。
　　微芯片技术是在单片机的公司提供了一个EtherCAT从属控制器(ESC)。LAN9252是2/3-port ESC dual-integrated以太网物理,FMMUs,四个同步经理、分布式时钟支持,4 kb的DPRAM。它还集成了一个主机总线接口,使大多数8/16/32-bit嵌入式控制器连接。在开发使用LAN9252工业自动化应用程序时,一个好的单片机的选择将是一个从微芯片的PIC32MX家庭。有PIC32MX795F512LT所需的外围设备。图2是一个简单的系统框图,利用LAN9252添加了细节一个奴隶节点。
　　图的微芯片技术LAN9252


　　图2:利用微芯片技术LAN9252。(由微芯片技术)
　　开发应用程序的第一步是将Microchip的LAN9252软件开发工具包(SDK)与EtherCAT从栈代码(SSC)集成在一起:两者都需要在Microchip的EVB-LAN9252-HBI评估板上开发应用程序代码。
　　SDK可以从Microchip的网站上下载。首选的SSC是由Beckhoff自动化公司开发的，该公司起源于EtherCAT规范。设计房屋必须是EtherCAT技术组(ETG)的成员，以获得对Beckhoff SSC的访问权。一旦SSC与SDK集成，应用程序代码可以与SDK一起开发，以设计EtherCAT ESC。
　　如果应用程序需要无线连接到IIoT，那么Microchip的一个RN Wi-Fi模块，如RN171-I/RM，可以与MCU和ESC系统连接。
　　MCU + ESC架构比FPGA或ASIC的实现更昂贵，但它的优点是可以让设计人员选择适合他们应用程序需求和成本目标的处理器。

　　集成解决方案
　　EtherCAT还可以在具有集成CPU的设备上实现，而不仅仅是在MCUs上。例如，fpga可以配置一个集成的处理器，asic可以同时使用EtherCAT和处理器芯片。根据CPU的选择，有一个风险是会议成本或工作频率目标是具有挑战性的。另一方面，MCU实现具有利用32位CPU来满足所有应用程序的处理需求的优点。
　　德州仪器公司(德州仪器公司)将EtherCAT功能集成到其Sitara AM335x ARM Cortex-A8 MCUs中。关键的外围设备是TI的实时PRU子系统，它支持与媒体独立接口(MII)之间的低层次交互(MII)，该接口最初定义为将100个Mbit/s以太网MAC块连接到一个PHY芯片。图3显示了在Sitara上的EtherCAT的简化方框图。
　　在AM335x ARM单片机上实现的德州仪器EtherCAT奴隶图像。


　　图3:在AM335x ARM MCU上实现的EtherCAT奴隶。(由凯利讯半导体)
　　与MII的低级交互使PRU子系统能够执行像EtherCAT这样的通信协议。整个EtherCAT MAC层通过固件封装在PRU子系统中。TI的AM3359BZCZA80是一个典型的Sitara MCU在EtherCAT实现中使用。
　　PRUs过程在空中传送，解析它们，解码地址，并执行EtherCAT命令。中断被用于ARM处理器所需的任何通信，其中EtherCAT栈(第7层)和工业应用程序运行。
　　PRU子系统也在反方向上执行帧转发。由于PRU子系统实现了所有的EtherCAT功能，ARM处理器可以用于复杂的应用程序，或者更低的速度变体可以用于更简单和成本约束的应用程序，例如分布式I/O。
　　为了用AM335x ARM MCUs完成EtherCAT解决方案，需要TI的TLK110PTR等以太网PHY设备。TLK110在MII和PHY接口之间进行了低延迟的优化，这是EtherCAT性能的一个重要属性。它还具有先进的电缆诊断功能，可以快速定位电缆故障。通过提供评估和开发委员会，例如TMDSICE3359, TI提供了对EtherCAT开发的支持。

　　结论
　　在这一过程中，数以百万计的工业工厂自动化节点将被连接到企业网络中，这将由EtherCAT和其他协议来实现，这些协议可以消除巨大的工业网络基础和标准以太网之间的巨大差异。最显著的两个差异是(1)大多数工厂网络对硬实时响应的需求，以及(2)工厂自动化的短数据负载，使得标准以太网的大框架在工业应用中效率低下。EtherCAT的即时处理方案解决了这些问题，消除了从控制器中产生的协议栈延迟。几个以太网的从属硬件实现是可能的，包括FPGA、ASIC和嵌入在MCU中的EtherCAT。最好的选择是由应用程序决定的。