EtherCAT科普系列（11）：EtherCAT技术在数据采集系统领域的应用

数据采集是从物理对象中挖掘有价值的信息的过程。数据采集系统先将待测物理量通过传感器转换为合适的电信号（电压或电流），电信号经过预处理（缩放或滤波等）后传输到终端设备，经过进一步的转换处理（模数转换等），终端设备便得到被测物理量的实际值。
数据采集系统在工业现场应用比较广泛，主要实现对现场设备的数据获取和处理。共研网数据显示，受到国内智能制造等领域政策支持的推动，以及下游应用领域如电力、石化、燃气、轨道交通等行业对数据采集系统需求的持续增长。2023年，我国数据采集与监视控制系统市场规模达到149.1亿元，同比增长3.47%。

▲工业数据采集系物案例（来源：物通博联）工业现场的环境日渐复杂，需要统一采集并监控的物理量也日渐增多，数据采集的实时性要求日渐提高。而这些物理量的测量位置往往是分散的，有些节点之间的传输线路比较长，这必然会引起系统的可靠性与实时性的降低。所以发展实时性更高、同步性更好、带宽更宽的数据采集系统是行业的必然趋势。工业以太网近年在工业控制领域被广泛关注。倍福公司提出的EtherCAT技术，是一种开放式实时以太网，使用标准的以太网技术，可以在30us内通过双绞线或光纤电缆处理1000个数字量IO，也确定了以太网性能的新标准。同时在EtherCAT 技术中，当报文经过设备时，能够实现数据的输人和读取，而报文仅有几纳秒的延迟在实时性上具有巨大的优势。使用EtherCAT组网，可以摆脱对交换机的依赖，这极大地降低了成本与人力。基于EtherCAT的数据采集系统，具有较高的传输速度，实时性和可靠性，且系统成本较低，在工业现场具有良好的应用前景。

基于EtherCAT数据采集系统

基于EtherCAT数据采集系统主要由两部分组成：主站和从站。主站由带有标准网卡的PC机构成，其中标准网卡集成了以太网通信控制器和物理数据收发器，物理层传输介质可选100BASE-TX或100BASE-FX，物理层芯片PHY实现数据的编码、译码及收发。从站完成系统的通信，实际应用的控制，数据采集等功能。EtherCAT从站主要由从站控制器（ESC）、从站控制微处理器、物理层器件、PDI接口配置电路及其他应用层器件构成。从站控制器实现数据链路层协议，通过帧处理单元实现对 EtherCAT 以太网数据帧的处理。从站控制器通过过程数据接口(PDI)实现与从站微处理器的数据交换，从站微处理器从 EtherCAT从站控制器中读取相应的控制数据完成对应用层其他设备的控制任务。主站通过从站的双端口存储区域实现对从站应用数据的交换。

▲典型基于EtherCAT数据采集系统结构图

基于EtherCAT数据采集卡从站

基于EtherCAT数据采集卡从站不仅实现与主站PC的网络通信，还完成对设备层仪器的实时控制和数据采集，在整个网络中起到承上启下的作用。结合实际应用需要，针对应用层任务的不同需要设计不同的从站，保证各类设备顺利接入EtherCAT网络。

▲典型基于EtherCAT数据采集卡从站结构图

基于EtherCAT数据采集卡从站的功能就是将传感器传上来的信号，发送给系统主站。但是传感器传上来的只是模拟电压信号，必须先要经过调整处理才能进行后续操作，调整处理主要包括电压偏置，信号放大，低通滤波和AD转换，因此就要有模拟信号处理模块。要将转换好的数字量发送给系统主站，必须要按照EtherCAT的协议规范，搭建物理层和数据链路层电路，这样就必须要有EtherCAT网络通模块。模拟信号处理模块和EtherCAT网络通信模块要想协同工作，必须要有个逻辑控制单元去控制它们，因此就必须要有微处理器控制模块。电路板上许多心片需要的电压都不一致，为满足它们的电源需求就必须要有电源管理模块。任何输出标准电压信号的传感器都可以接到系统从站上，电压信号首先进入从站的模拟借号输入端口，在依次经过电压偏置、信号放大、低通滤波操作之后送入 A/D 转换器，转换成数字量。A/D转换器再通过SPI串行总线将这个数字量发送给微处理器，微处理器又通过 SP1总线将这个数字量发送给ESC(从站控制器)芯片。ESC是 EtherCAT从站网卡的数据链路层芯片，它可以将这个数字量封装后通过PHY（物理层）芯片写入到 EtherCAT数据帧的指定位置，这个数字量会随着报文被发送给主站，主站通过解析报文，就会获得这个数字量。

▲典型数据采集模块结构框图

码灵半导体EtherCAT数据采集系统解决方案

EtherCAT 通信模块的核心是从站控制器ESC。为了保证EtherCAT技术标准的统一，ESC控制器必须要获得ETG联盟的授权。目前EtherCAT 从站主要有两种设计方案：一种是基于ETG授权IP-Core开发的ASIC 芯片，并搭配合适的微处理器。另外一种是使用授权 IP-Core将 EtherCAT 通信功能集成到设备控制 FPGA 。从兼顾成本和功能的角度，目前大多数EtherCAT从站解决方案采用的是ASIC芯片方式。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

CF110x系列是码灵半导体推出的一款专门用于处理 EtherCAT 数据链路层通讯的ASIC芯片。CF110x系列最多可以提供3个数据收发端口，支持 100 Mbit/s的全双工通信，使从站能够灵活的实现各种拓扑结构。内置8个FMMU单元，具有FMMU逻辑地址映射功能；内置8个SM通道，方便对芯片内存区域组织管理；支持 4KB寄存器空间、8KB过程数据存储空间；支持64位分布时钟，为微处理器提供高精度的中断信号。CF110x系列支持众多的PDI引脚，可以在没有应用层微处理器的情况下直接驱动32路数字IO信号，也可以使用外部微处理器访问，构建复杂的EtherCAT从站。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

CF110x系列在EtherCAT数据采集系统中的应用优势特点：

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 Cortex-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。目前，对数据采集系统的研发向着网络化和高速化的方向发展，把EtherCAT工业以太网总线技术引人数据采集系统，大大提高了数据的传输速率以及传输的实时性和可靠性，同时也使得各采集点的信号采集模块具有精确的同步性能。基于码灵半导体CF110x系列EtherCAT芯片实现的EtherCAT总线技术对数据采集系统产品化具有重要意义。