【導讀】zaiguoquershinianli，gongyexitongdetongxinfangshifashenglejudabianhua。congzheyibianhuazhongwomenkeyikanchu
，xuduogongsicongjiyuxianchangzongxiandexitongzhuanxiangjiyuyitaiwangdetongxinxitong。jiyuyitaiwangdegongyetongxinfazhanshitouxunmeng
，yujihuijixujiasu
，fenxijigouMarketsandMarkets的最新研究發現，工業以太網的總體市場份額預計將從2020年的92億美元增長到2026年的137億美元，在研究期間的複合年增長率為7.3%。

zaiguoquershinianli，gongyexitongdetongxinfangshifashenglejudabianhua。congzheyibianhuazhongwomenkeyikanchu，xuduogongsicongjiyuxianchangzongxiandexitongzhuanxiangjiyuyitaiwangdetongxinxitong。jiyuyitaiwangdegongyetongxinfazhanshitouxunmeng
，yujihuijixujiasu
，fenxijigouMarketsandMarkets的最新研究發現
，工業以太網的總體市場份額預計將從2020年的92億美元增長到2026年的137億美元
，在研究期間的複合年增長率為7.3%。

gongyeyitaiwangzaixiangduijiaoduandeshijianneizhanjulerucidadeshichangfene，zhebingbulingrenyiwai。jinguanjiyuxianchangzongxiandexitongyijingguogaijin，danrengrancunzaiyixiebuzu。cileixitongfeichangshihejiandandekongzhigongneng，dansuizheyuelaiyueduodezhizaoshangzhiliyushixiangongye4.0戰略，這些不足變得難以克服。最明顯的缺點是速度，尤其是對於需要極其複雜且精確控製的應用
，例如機器人。

基於以太網的實現顯然是一種不錯的選擇。以太網可輕鬆提供足夠的帶寬來應對絕大多數工業用例，即使是要求最苛刻的工業4.0應ying用yong。這zhe是shi一yi種zhong業ye界jie熟shu知zhi的de標biao準zhun，具ju備bei成cheng本ben效xiao益yi且qie在zai世shi界jie各ge地di廣guang泛fan應ying用yong。此ci標biao準zhun非fei常chang靈ling活huo，適shi合he許xu多duo不bu同tong的de應ying用yong，尤you其qi是shi能neng夠gou以yi低di成cheng本ben的de方fang式shi將jiang舊jiu現xian場chang總zong線xian分fen支zhi輕qing鬆song集ji成cheng到dao以yi太tai網wang主zhu幹gan。在zai實shi現xian和he維wei護hu方fang麵mian，並bing不bu缺que少shao使shi用yong過guo並bing了le解jie以yi太tai網wang技ji術shu的de工gong程cheng師shi。工gong業ye4.0要求在工業操作和IT之間建立可靠的連接，因此具有基於相同標準的通信係統非常實用。但是
，在IT係統中采用的以太網具有不確定性，而這是控製係統中最重要的要求之一。

為滿足這一要求
，許多製造商和組織著手開發一種基於以太網且適用於工業應用的標準。這些新標準中最常用的是以太網TSN、以太網/IP、PROFINET和EtherCAT。從最初開發之時起，其中的每個協議和其他較小型或專有係統都具有其自身適用的地理或技術場景。

所有協議都有各自的優缺點。通常，它們采用在IT中應用的以太網概念，並相應調整來提供實時操作。其中一種工業以太網EtherCAT（用於控製自動化技術的以太網）的實現方式略有不同
，它保留了標準以太網物理層並在其基礎上構建了全新的確定性協議。此協議使用主機控製器，它是惟一允許創建EtherCATzhendeqijian。zhendechangdushizhongxiangtong，bingqiewangluoshangdemeigeqijianjiediandouyouzhuanyongdezhenkexunzhiquyu。dangzhenzaiwangluozhongchuanshushi
，meigejiedianxuanzekongzhishujubingzaiqijingguoshizaiqifenpeidekongjianzhongdiuqihuifuxinxi，zhendeyanshibuchaoguoyingjianchuanshuyanshi
，tongshitigongjiejin100 Mbps線路速度的最大有效數據速率。

在其他工業以太網實現中
，執行幀檢查
、執行CRC檢查和遍曆協議棧可能需要數百微秒。EtherCAT的設計僅需125 µs即可完成整個過程。更快的速度帶來了更強的係統響應能力，而這又有助於提高整個控製應用的效率和安全性。EtherCAT器件節點也比其他工業以太網實現簡單得多，隻需要在合適的單片機上運行的協議棧代碼（SSC），這進一步降低了係統的複雜性和成本。

但是，EtherCAT的應用並不是最容易實現的。對於設計人員而言，最困難的障礙是滿足周期時間的要求。許多製造商（尤其是使用電機的製造商）希望以每秒8,000次循環（即125 µs的周期時間）實現控製算法。盡管EtherCAT係(xi)統(tong)很(hen)容(rong)易(yi)達(da)到(dao)這(zhe)一(yi)數(shu)字(zi)，但(dan)實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming)十(shi)分(fen)困(kun)難(nan)
，而(er)且(qie)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)的(de)軟(ruan)件(jian)編(bian)寫(xie)和(he)優(you)化(hua)工(gong)作(zuo)。此(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)成(cheng)本(ben)也(ye)十(shi)分(fen)高(gao)昂(ang)，在(zai)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)旁(pang)邊(bian)放(fang)置(zhi)現(xian)成(cheng)的(de)DIN導軌EtherCAT控製器可能要花費數百美元。但是，定製設計的實現隻需不超過十倍的費用。

全新解決方案

自2012年以來，Microchip一直致力於耕耘EtherCAT市場，於2015年推出了首款EtherCAT器件控製器（ESC）LAN9252。事實證明，Microchip進入該市場獲得了成功
，同時也收集到市場中存在的痛點的反饋。此外
，Microchip還發現，用戶希望通過一種更容易的方式來滿足周期時間和一係列功能的要求，允許其在實現基礎上增加價值，並且能更深入地了解EtherCAT的工作方式。

這些反饋促使Microchip開發了第二代ESC解決方案，並於2020年9月推出。LAN9253和LAN9254器件是3端口ESC，配有雙集成以太網PHY，支持全雙工100BASE-TX收發器和100 Mbps操作。

Microchip在全新ESC中zhong進jin行xing的de最zui重zhong要yao改gai進jin是shi對dui設she計ji進jin行xing了le定ding製zhi
，允yun許xu設she計ji人ren員yuan在zai軟ruan件jian優you化hua極ji少shao的de情qing況kuang下xia滿man足zu周zhou期qi時shi間jian目mu標biao。此ci外wai，新xin器qi件jian還hai通tong過guo縮suo短duan設she計ji時shi間jian和he減jian少shao所suo需xu的deBoM簡化了EtherCAT節點的實現。常規EtherCAT實現使用ESC、單片機和EEPROM
，EEPROM托管ESC的配置。Microchip開發了一種可高效仿真EEPROM的技術。ESC使用函數調用直接從主機單片機獲取指令且不會影響性能，因此無需物理EEPROM。

新的IC還hai設she計ji了le減jian少shao定ding時shi所suo需xu晶jing體ti數shu量liang的de功gong能neng。許xu多duo工gong業ye設she計ji將jiang多duo軸zhou控kong製zhi器qi用yong於yu機ji器qi人ren等deng應ying用yong。這zhe些xie設she計ji可ke能neng需xu要yao最zui多duo六liu個ge不bu同tong的de控kong製zhi器qi電dian路lu來lai操cao作zuo一yi個ge多duo軸zhou機ji械xie臂bi。以yi前qian，每mei個ge電dian路lu都dou需xu要yao對dui應ying的de晶jing體ti來lai定ding時shi。而er在zai新xin的deIC中，采用了一種使用單晶體精確複製六個電路的時鍾係統和抖動衰減器的方法
，無需另外五個晶體，因此有助於進一步降低係統成本。

這兩款器件還提供了其他功能
，可簡化EtherCAT係統的實現和操作。EtherCAT協議設計為不在物理層進行診斷，因此用戶隻有在開始出現CRC錯誤和其他問題時才會知道故障，例如電纜降級。Microchip的設計能夠隨時監控電纜的狀況，允許用戶在出現問題之前發現故障，這是工業4.0的一個關鍵原則。

LAN9253采用QFN封裝，盡可能地複製了LAN9252封裝的引腳排列，允許客戶利用設計提供的改進，並進行最小程度的重新設計。LAN9254具有16個額外的I/O引腳
，允許ESC作為簡單的控製器工作，無需單片機。由於器件節點使用的幀區域和傳輸延時已知，因此ESC中的位可以映射到幀和32個I/O線路中的偏移，從而允許現場設備直接連接到EtherCAT網絡。

許多客戶要求我們包括控製器來提供一體化ESC解決方案。今年
，Microchip推出了LAN9255
，其中增加了Cortex-M4F單片機。MCU具有足夠的速度來滿足EtherCAT的(de)要(yao)求(qiu)
，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)用(yong)作(zuo)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)應(ying)用(yong)處(chu)理(li)器(qi)。處(chu)理(li)器(qi)的(de)浮(fu)點(dian)單(dan)元(yuan)有(you)助(zhu)於(yu)處(chu)理(li)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)算(suan)法(fa)，例(li)如(ru)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)所(suo)需(xu)的(de)算(suan)法(fa)。此(ci)外(wai)，還(hai)添(tian)加(jia)了(le)支(zhi)持(chi)SNMP版本3代碼的以太網套接字，允許設計人員在將操作技術連接到IT係統時獲得更高的靈活性。

結論

Microchip的LAN9253和LAN9254無需相關支持組件，同時簡化了軟件優化流程並增加了分析網絡的能力，因此可以更容易地實現和維護EtherCAT節點
，縮短消耗時間並降低成本。新的LAN9255 IC進一步推動了這一趨勢，它無需外部主機控製器，並且為開發人員提供了采用單一封裝的EtherCAT節點和現場控製解決方案。利用Microchip MPLAB® X Harmony框架
，可以在一個易於使用的用戶環境中編寫和優化通信與控製軟件
，從而進一步縮短上市時間。

本文中探討的所有器件現在都已批量生產，並由Microchip設計驗證服務提供支持：https://www.microchip.com/en-us/products/high-speed-networking-and-video/ethernet/ethercat-technology-solutions

圖1. 展示Microchip產品所發揮作用的典型EtherCAT®係統

圖2. LAN9255評估板（EVB-LAN9255）允許工程師使用集成的Cortex® M4F單片機與EtherCAT®器件控製器進行開發

（來源：Microchip，作者：USB和網絡部戰略營銷高級經理Ian Saturley）

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