基于码灵半导体CF110x系列EtherCAT实时IO应用方案

数据采集是所有工业自动化系统中必不可少的环节。随着工业自动化的蓬勃发展，工厂规模越来越大，当现场侧设备和系统侧控制设备的距离较远时，为了节省电缆，达到分离控制与集中管理的目的，通常采用远程IO模块(也称分布式IO模块)把现场侧和系统侧设备连接起来。远程IO模块通过采集现场设备的状态信号并转换为数字信号，按照专用通信协议将数据传输给主站或控制器。主站或控制器根据程序逻辑处理数据后，再通过通信介质将控制信号发送给远程IO模块，远程IO模块将控制信号转换为适合现场设备的信号来控制设备动作。同时用户可以根据工业现场具体需要来配置的远程IO模块，可很好地促进各类工业控制系统达成分布式控制、集中式管理、网络化互联、综合成本优化的目的。随着工业自动化和智能化的不断发展，以及在智能电网、石油化工、轨道交通等领域的拓展应用，IO模块市场也在不断壮大。

然而要实现这种控制方式，需要使用通信网络将远程IO模块与控制系统连接起来，实现整体的协作运行。当今世界主要有三种主流的工业通信技术，分别为现场总线、工业无线通信和工业以太网。其中工业以太网作为一种兼容了普通标准以太网技术的工业通信网络，不仅克服了现场总线和工业无线通信的缺点和不足，而且解决了传统以太网在网络载荷较大的情况下难以满足工业控制的高实时性需求的问题。近年来，工业以太网技术凭借其较强的实时性、可靠性和开放性在工业自动化控制领域获得了广泛关注和快速发展。

▲ 2024年全球工业网络市场份额（数据来源：HMS Networks）

2003年由德国倍福自动化公司提出的EtherCAT工业以太网是一种具有强实时性和高同步精度的工业以太网，其传输速率可以达到100Mbps，其扩展版本EtherCAT G技术甚至可以达到1Gbps 的传输速率，在周期性过程数据通信过程中，1000个 IO的更新时间仅需30us，每300us可以实现1486字节的过程数据的传输，完全可以满足远程IO系统中数据传输延迟的高确定性和低抖动性的需求。而且，EtherCAT工业以太网的拓扑结构灵活，在EtherCAT网络的搭建过程中不需要交换机、集线器等设备。因此，EtherCAT 在远程IO领域具有广阔的应用市场。历经多年的飞速发展，EtherCAT以其超高速、低成本、灵活易用和开放性的特点，获得了远程IO领域的的广泛认可与支持。远程IO实现EtherCAT通信的核心是从站控制器（ESC），其主要功能是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，是实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成芯片。为此，码灵半导体全新推出的CF110x系列产品，能完美适配于各类远程IO应用方案，为EtherCAT芯片市场、及整体解决方案带来新的选择和活力。

CF110x系列在远程IO应用中的优势特点

CF110x系列EtherCAT芯片丰富的资源和出色的性能指标可满足远程IO的各项功能需求，芯片的各项指标显著优于其他方案。

CF110x系列应用优势特点

产品获得德国倍福公司（Beckhoff）官方正式授权，已通过ETG官方的一致性测试认证，符合EtherCAT通信协议标准；

内置8个现场总线内存管理单元（FMMU）、8个同步管理器（SM），产品支持三种数据接口（PDI）-数字I/O，SPI和8/16 位uC接口；

内置64位分布式时钟（DC），可实现EtherCAT从站的高精度同步（<< 1μs）；

可选择性集成32位ARM Corex-M3内核微控制器（MCU）或2个电流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点；

多种封装形式可选，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封装。

▲ 码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

EtherCAT实时IO模块应用方案

码灵半导体调研分析了远程IO及其EtherCAT通信的功能需求，并对远程IO的各硬件模块、协议栈软件和应用层软件进行深入研究，开发了一系列针对不同信号类型和产品形态的EtherCAT实时IO模块的完整解决方案，包括模拟IO模块、数字IO模块、独立式IO模块、刀片式IO模块及配套的耦合器等。

同时码灵半导体开发了EtherCAT实时主站和IO从站搭建的EtherCAT实时IO主从控制系统测试平台，完成对该实时主从控制系统的功能测试、性能测试和可靠性测试。其中，系统功能测试主要包括IO通信功能测试、周期性过程数据通信测试和非周期性邮箱通信测试等；系统性能测试主要包括系统时钟同步性能测试、系统同步性能测试、系统抖动测试和系统实时性测试等；可靠性测试包括EMC、ESD、高低温老化测试、可靠性测试等。经过一系列严格完整的测试后，EtherCAT主站和各从站之间均能够实现对IO通信数据、过程数据和邮箱数据的可靠传输，可以用于高实时性要求的场合。

应用案例①：16路独立式IO应用方案

方案选用码灵半导体CF1103A型号ESC芯片来实现 EtherCAT 通信协议，执行从站的数据链路层的任务，完成对 EtherCAT 通信数据帧的接收、处理和转发。内置的 Cortex-M3内核的MCU用于执行从站应用层的控制任务。可以助力用户迅速实现EtherCAT远程IO的应用需求，提高生产效率。基于CF1103A实现的16路独立式IO方案具有如下功能特性：

内部集成了Cortex-M3内核的MCU，可显著减少了对外部元件的依赖，有效降低了用户的材料成本和制造开支；

深入考虑了工业环境的苛刻要求，确保产品能在-40℃至+85℃的宽泛工作温度范围内稳定运行；

提供光耦隔离电路，大大增强了信号在复杂工业环境中的隔离效果和抗干扰能力。

▲16路独立式IO应用方案框图及实物

应用案例②：32路独立式IO应用方案

方案采用码灵半导体CF1106A型号ESC芯片，内部集成了两个电流型PHY，只需外加少量辅助器件就可以达到设计的要求，可显著降低开发难度和开发成本。基于CF1106A实现的32路独立式IO方案具有如下功能特性：

搭载CF1106A，内部集成2个电流型PHY，显著提升系统的抗干扰能力；

芯片高集成度显著降低板载元件数量，芯片管脚数量少有效降低元器件和制造成本；

提供光耦隔离子板，确保复杂环境中的高抗干扰性能；

方案适应-40℃至+85℃工业温度范围。

▲32路独立式IO应用方案框图及实物

▲32路独立式IO应用方案实物

应用案例③：刀片式IO应用方案

方案搭载码灵半导体CF1106B型号ESC芯片，具有高集成度、高性能、低功耗等特点，能够助力用户高效地实现EtherCAT刀片IO的应用，满足工业自动化中的多样化需求，并提升整体系统的性能和效率。基于CF1106B实现的刀片IO方案具有如下功能特性：

芯片内部集成了两个电流型PHY，显著增强了系统的抗干扰性能，确保了通信的稳定性和可靠性；

芯片内置32个数字IO功能，这种高度集成的设计使得数字IO模块功能的实现变得更加迅速和简便，同时减少了对外部组件的依赖，有效降低了用户成本；

方案板能够在-40℃至+85℃的极端工作温度下稳定运行，完全符合工业领域的工作温度标准；

提供光耦隔离电路，进一步增强了信号在复杂工业环境中的隔离和抗干扰性能。

▲刀片式IO应用方案框图

▲刀片式IO（含耦合器）应用方案实物

远程IO应用方案开发与技术支持服务

针对远程IO开发，码灵半导体提供完善的开发生态，客户可快速上手，缩短开发周期，快速实现产品开发上市。CF110x系列完备的应用开发生态包括开发评估板与开发工具软件等软硬件开发工具，技术文档资料齐全，包含产品简介、数据手册、用户手册、开发板设计源文件(含原理图/PCB/BOM)、硬件设计指南、 SDK、产品测试报告等。有关远程IO方案解决方案更多的详细技术信息，可联系码灵半导体技术或各授权代理商获取。基于CF110x系列的远程IO方案目前已在大批量应用，已获得客户的批量化验证，质量稳定可靠。未来，码灵半导体将继续致力于开发性能更强大、更具性价比的解决方案，带来更多创新的产品和终端应用。