EtherCAT科普系列（13）：EtherCAT技术在电感信号处理器领域的应用

电感式传感器在计量检测领域是比较常见的一类传感器，广泛应用于各种测量装置中，用于小量程位移量的精密测量。由于电感传感器所产生的原始信号为电压模拟信号，因此在电感传感器的使用过程中，必须要匹配相应的电感传感器信号处理器，对电感传感器的信号进行采集、处理、模数转换等操作，最终将测得信号传输给计算机并进行相应的分析计算，因此电感传感器信号处理器是应用电感传感器系统的必备模块。随着中国通讯技术的快速更迭以及物联网、智慧城市等相关产业的大规模建设，电感传感器市场需求持续增长。特别是在新能源汽车、智能家居、5G通信等新兴领域，电感传感器的应用越来越广泛。智研咨询数据显示2023年我国电感传感器市场规模达到135亿元，同比增长7.14%。目前市场上常见的电感传感器信号处理器大多是独立的信号处理单元，通过传统的RS232串口、USB接口等方式与计算机进行通信。这些工作模式存在数据传输慢和传输距离有限的缺点，且相对独立的信号处理单元接入其它测控平台、数据处理平台困难，存在扩展性与兼容性较差的缺点。无法适应当前智能检测领域数字化、智能化的发展方向。EtherCAT是德国倍福公司（Beckhoff）于2003年提出的一种基于标准以太网技术的全双工、帧交换式的实时工业以太网现场总线。EtherCAT作为一种新型工业总线技术，由于其延迟低、拓扑结构灵活等特点，目前已被广泛应用于CNC数控机床、伺服驱动器、流程行业DCS 系统、半导体设备等。选用当前工业领域普遍应用的EtherCAT总线技术作为接口技术，实现基于EtherCAT总线技术的电感信号处理器，具有数据传输速度快、稳定性好的优点，且具有很好的可扩展性和兼容性，通过网线传输可方便地接人各类EtherCAT控制及数据处理平台。

基于EtherCAT电感信号处理器系统

基于EtherCAT总线型电感传感器信号处理器由电感信号输人接口模块、电感信号处理模块、EtherCAT通信模块等主要功能模块组成。外部电感系统通过专用接口接入处理模块，当信号处理模块处于工作状态时，可以将电感传感器信号实时经LVDT电感信号采集芯片处理得到原始电压模拟信号后传输给后续处理电路，处理电路首先对信号进行放大、滤波处理，过滤掉外部信号干扰，得到稳定可靠的单端电感模拟信号，再将单端电感模拟信号转换为差分信号，进一步提高信号的抗干扰性，最终经过模数转换得到数字量的电感传感器信号，并通过SPI接口与EtherCAT总线控制芯片进行数据通信，最终通过EtherCAT接口将信号传输给后续的总线系统。

▲基于EtherCAT电感信号处理器方案框图

电感信号输入接口模块

电感信号接口电路是外部电感传感器与信号处理系统对接的输入接口。采用专用LVDT(低压可变差接变压器)芯片作为主驱动芯片，在工作状态下通过可配置的激励电路激发电感传感器内部的电感线圈工作，同时当电感传感器的内部铁芯侦测到外部位移变化时，将产生对应的变化电压信号，主驱动芯片对这部分电感信号进行采集处理，形成标准的正弦电压模拟量信号，传输给后续处理电路向。

电感信号处理模块

电感信号处理模块由于经电感信号输人接口电路所采集的原始电压模拟量信号强度较弱，且伴随着原始信号杂波，不适于后续信号的远程传输和精度处理，因此需要对原始电感信号进行一系列信号处理，即电感信号处理模块的设计。按信号处理顺序划分，信号处理模块由滤波放大电路、信号差分转换电路和AD模数转换电路3个模块组成，最后转换后的数字量信号通过SPI串行总线传给后续EterCAT总线主控芯片。

▲电感信号处理电路系统框图

EtherCAT通信模块

EtherCAT通信模块是电感传感器信号处理器系统实现EterCAT总线通信功能的核心部分。EtherCAT从站控制电路通过SPI接口从模数转换芯片获得电感信号，然后通过EtherCAT输入输出网络接口接人EtherCAT总线系统，实现与总线控制器和其它总线设备的数据互联，充分发挥EtherCAT总线系统配置灵活、兼容性强的优点。电感传感器信号处理器系统通信的整个过程中，网络数据的报文处理都在从站控制器ESC内部的硬件中完成，因此通信网络的性能并不取决于从站配备的微处理器和其性能。EEPROM通过I2C与ESC相连，保存从站的描述文件和配置信息。EtherCAT从站控制微处理器作为从站系统控制板中的主控器件，负责处理整个从站系统的控制任务，如主从站之间的过程数据的通信控制、微控制器与ESC之间的数据通信及对其他部件的控制任务等。通过对从站协议控制器ESC的操作，来完成对电感传感器等现场工业设备的控制功能，同时对电感传感器等设备的实时数据进行采样，并将采样取得的现场反馈数据写入到从站控制芯片ESC中并供给工业现场控制系统的主站设备读取。

▲电感信号处理器EtherCAT通信控制电路结构图

码灵半导体电感信号处理器EtherCAT通信解决方案

通信模块的核心是从站控制器ESC，其提供的数据接口可以连接EtherCAT总线和从站应用程序，负责处理 EtherCAT 通信数据帧，是实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成芯片。码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT 从站控制器芯片为电感信号处理器系统EtherCAT通信带来高效、紧凑、高性价比的全新解决方案。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图码灵半导体CF110x系列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），用于对逻辑地址操作向物理地址的位映射转换过程。8个同步管理器（SM），用来对 ESC 中的 DPRAM 进行管理配置，用以实现主站和从站间的连续的可靠性通信数据交换。内置64位分布式时钟（DC），可实现EtherCAT从站的高精度同步（<< 1μs），以实现主站和从站间通讯和管理的实时同步。产品支持三种数据接口（PDI）-数字I/O，SPI和8/16 位uC接口，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。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

与市面上ET1100等EtherCAT从站控制器产品相比，码灵半导体CF110x系列芯片的功能更丰富，配置更加灵活，经过优化设计，具有工作稳定、功耗低、抗干扰性强的优点，支持SPI接口与前端AD芯片实现芯片间通信，QFN的针脚封装便于手工焊接、小批量生产与维修，且可与单片机接口相连，构成小型总线控制系统，整体成本和易用性的优势明显。