基于码灵半导体CF110x系列的EtherCAT-Modbus/RTU协议转换器应用方案

现有制造业现场的设备大多基于现场总线技术，解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器等设备间的通信问题。但现有的现场总线标准众多，据不完全统计，目前全球上使用着200多种不同的总线（包括PROFIBUS、Modbus/RTU、DeviceNet、CAN等）；且互不兼容无法实现透明信息互访互联和以太网信息集成，不能实现现场设备层到管理层的无缝信息集成，难以满足企业综合自动化的发展要求。

工业以太网在传统现场总线发展受到制约后，快速发展成为了目前十分盛行的信息传输载体。其从根本上解决了传统现场总线的功能单一，兼容性差，难以标准化的缺点。不仅如此，相比传统现场总线，工业以太网传输速率大幅度增加，也因为其具备开放性则可以利用更多的软硬件资源。如今，实时工业以太网技术日趋成熟，已经逐步被应用在工业控制领域中。

在当前的工业以太网使用范围中，PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP和PowerLink这几种使用最为普遍，它们占据了工业以太网使用份额的75%以上。其中，EtherCAT以其可扩展性好、与以太网兼容性高、性能优越、技术支持广泛等优点成为工控领域传统控制方式的最佳替代方案之一，满足了工控领域高实时性、高可靠性的要求。

▲主流工业通信协议

目前，几乎所有工业控制设备都支持一种到多种通信协议，很难用一种通信协议替代所有的数据传输协议。多种通信标准具有的竞争与共存现象的存在，严重影响了系统的组态性和灵活性，也加大了后期系统的维护改造升级成本，对于系统的集中控制和管理也是十分不利的。

为了解决上述问题，在考虑各方的经济、技术利益，同时促进工业控制领域高速、有序发展的情况下，现场总线技术与以太网技术的融合成为了行业发展的必然趋势。想要完成两种技术的融合，其核心问题就是解决不同通信协议的转换问题。通过设计一款可以实现两种协议之间数据转换的协议转换器就可以达到现场总线技术与工业以太网顺利结合的目的。更进一步的形成一种由现场总线控制网络和以太网技术信息网络构成的新型混合网络，将在工业生产中发挥出更为重要的作用。

码灵半导体基于自研的CF110x系列ESC芯片开发了EtherCAT-Modbus/RTU协议转换器为上述问题的综合解决提供了一个切实可行的解决方案。该转换器利用工业以太网EtherCAT的扩展性、高速传输能力来提高Modbus/RTU总线规模，并提供额外的RS485接口，可以保护原有的设备投资。既实现了基于不同协议标准的两层通讯网络能够在同一个工业网络框架内共存，提高了控制系统的灵活性和兼容性，且无需淘汰原有设备，从而提高了现有设备的利用率，节约了投资，并能在既有网络基础上简化布线。

方案的优势特点

搭载了码灵半导体自主研发的CF1103A型号ESC芯片，内部集成了Cortex-M3内核的MCU。这一创新设计显著减少了对外部元件的依赖，从而有效降低了客户的元器件成本；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，完全符合标准的工业工作温度范围-40℃至+85℃；协议转换器将EtherCAT协议的数据包转换为Modbus协议，用户通过简单的参数配置快速完成设备和系统之间的连接，无需复杂的编程或深入的协议知识；在现有的工业网络中需要多种通信协议支持的复杂应用时，无需完全重新布线或更换设备，协议转换器确保了不同部分的顺畅通信，降低了客户升级和扩展网络的复杂性和成本。

▲方案框图

▲方案框实物图

Modbus/RTU现场总线协议和EtherCAT 工业以太网协议在物理层采用不同的规范,在数据链路层采用不同的介质访问方式。为了实现两种协议的转换，协议转换器需要满足两种协议物理层和数据链路层的要求。

借助CF1103A型号ESC芯片，只需少量的外围接口电路就可以达到设计的要求。同时CF1103A芯片内置MCU的FLASH存储器高达 512KB，基本上无需扩充程序存储器就能嵌入各种操作系统。

▲CF1103A产品结构框图

协议转换器采用 CF1103A芯片内置MCU作为主控芯片，负责与工业以太网接口模块和现场总线接口模块通讯，并负责两种协议应用层的转换工作。工业以太网接口模块采用CF1103A来处理 EtherCAT工业以太网协议，可以直接在硬件中处理EtherCAT 数据帧，实现 EtherCAT 物理层与数据链路层的所有功能，是系统中最关键的组成部分。

Modbus/RTU总线协议的接口通常采用 RS485 或RS232异步半双工接口。本方案通过 CF1103A芯片内置MCU的通用同步/异步串行接收/发送接口USART转换成半双工RS-485串口，完成对 Modbus/RTU总线协议数据的发送工作和接收工作。

主控MCU、工业以太网接口模块、现场总线通讯适配器模块、静态存储器之间通过协议转换器的内部总线连接。采用静态存储器( RAM)作为数据存储器存储从节点的过程数据，在主控MCU的RAM中划分EtherCAT报文和Modbus报文的存储缓冲区(包含各自的输入和输出缓冲区)。协议转换器从EtherCAT站收到的报文存入EtherCAT接收缓冲区，向EtherCAT站返回应答时从Modbus总线的接收缓冲区读取数据打包成EtherCAT应答报文的格式进行发送；协议转换器从EtherCAT接收缓冲区获取报文并存入Modbus报文发送缓冲区，依据数据帧/功能码进行发送分析，决定采用单次还是分次发送方式。

码灵半导体开发的协议转换器具有成本低、运行速度快、工作稳定等特点，完全满足系统的各项指标。在无需对原有Modbus/RTU网络做任何改动的情况下，能够实现其与EtherCAT协议之间信息的互联互通。

随着工业控制系统性能的提高，工业以太网在工业上的应用也会越来越广泛。现场总线作为一种相对成熟的工业控制网络,在相当长的时间内不会退出历史舞台。如何协调两者之间的关系，使两者充分发挥各自的长处，互为补充成为不可回避的问题。基于码灵半导体CF1103A型号ESC芯片开发的EtherCAT工业以太网和Modbus/RTU现场总线间的协议转换器既满足了设备层的要求，又实现了信息层和设备层的有机结合，使得基于不同协议标准的两层通讯网络能够在同一个工业网络框架内共存，提高了控制系统的灵活性和兼容性。这种网络构成方式必将拥有更为广阔的发展空间。

码灵半导体具有工业控制核心器件的全面支撑能力，凭借在产品技术创新、品质管控、稳定供货与本土化服务等方面的领先优势，在工业领域以优质EtherCAT产品及解决方案助力合作伙伴实现更多创新应用并取得了优异成绩，CF110x系列工业增强级EtherCAT从站控制器等产品已在远程IO、步进电机驱动器、伺服电机驱动器、变频器、工业机器视觉、工业通信模块/接口卡等方面获得行业标杆客户批量应用。目前，码灵半导体正在与更多工业领域伙伴携手，共同扩大合作生态圈，赋能我国工业数字化转型与升级发展。