高整合MCU精簡組件數量　EtherCAT實作快速上手

EtherCAT是乙太網路式的現場匯流排系統，於2003年推出，2007年達到標準化。系統提供了高速的資料傳輸率，用EtherCAT節點在運行中期間處理主機送出的電報。

EtherCAT的從屬裝置在電報通過裝置時，會擷取要送給它們的資料。同樣地，所欲輸入的資料，會在電報通過時插進電報裡。如此只會對電報造成數奈秒(ns)的延遲。電報在每一從站只有3位元的硬體延遲。至於運作期間的處理，則由從站使用EtherCAT從屬控制器(ESC)。不論是特殊應用積體電路(ASIC)、現場可編程閘陣列(FPGA)、獨立交換器或微處理器(MPU)的形式，都能運作自如。

EtherCAT是由倍福(Beckhoff)與EtherCAT Technology Group(ETG)所開發而成，屬於開放式的技術，扎根於IEC 61158和IEC 61784國際標準以及ISO 15745-4。此種高速工業乙太網路系統，最適用於注重時間的動作控制應用層面上。常見應用包括包裝機、射出成形機、快速壓床、電腦數值控制(CNC)加工中心機、機器人和液壓控制等。

EtherCAT採取分散式的時脈系統(DC)以精準同步機群內的所有節點，比1微秒(μs)更為準確。

在用戶的組態和診斷方面，則可以使用非週期性通訊，存取網路可用的變數，這就有賴於穩定可靠的郵件信箱通訊協定。至於EtherCAT以此郵件信箱通道為基礎，可以決定多種不同的通訊規範：EtherCAT CAN應用程式通訊協定(CAN application protocol over EtherCAT, CoE)、依據IEC 61800-7-204的伺服驅動規範(SoE)、EtherCAT乙太網路(Ethernet over EtherCAT, EoE)、EtherCAT安全協議(Safety over EtherCAT, FSoE)以及EtherCAT檔案存取(File Access over EtherCAT, FoE)用於韌體更新。高效率的EtherCAT實作，理當要能平行處理多種不同的協定。

EtherCAT高效實作 兼具效能表現及穩定度

即時乙太網路在整體的工業通訊市場內的市占率不斷成長，目前達到約40%之多。然而，即使擁有了數種即時乙太網路系統，驅動系統、電力線通訊(PLC)和輸入輸出(I/O)模組製造商的眼前仍然橫有阻礙：首先是缺乏有週期時間的時序決定機制，最好可以低到個位數微秒範圍。除此之外，有時候協定尚未完全開發，而實作的成本效益不彰。

另一方面，EtherCAT自2004年起就未有變化。最早出現的裝置，仍能與位於相同網路上的最新產品進行通訊，儘管從以前到現在升級了許多功能。不只如此，EtherCAT從三位數低到兩位數微秒的範圍內，在同步運作的時序決定機制下表現得可圈可點。困難在於如何符合成本效益，簡便地進行EtherCAT的實作。

時至今日，相應的高度整合、已優化微處理器，仍然可遇不可求。32位元微控制器XMC4800及XMC4300，則改變了這樣的情況。該系列微控制器不僅搭載安謀國際(ARM)的Cortex-M4處理器，更是首見配備了整合式EtherCAT從屬控制器，再加上晶片快閃記憶體(Flash Memory)和類比/混合訊號IP的微控制器。

相較於使用微處理器、FPGA或ASIC的傳統解決方案，使用XMC4300和XCM4800實作EtherCAT不但更簡單，也更節省空間和成本。使用EtherCAT從屬控制器，就無需外部記憶體或石英鐘產生器等額外組件。

相較傳統解決方案 所需組件數量更少

採用XMC4800與XMC4300的系統解決方案，高度整合了多種快閃記憶體與類比/混合訊號IP，比其他微處理器解決方案更能節省外部組件的數量，進而省下更多印刷電路板(PCB)的空間和成本(圖1)。ASIC和FPGA解決方案在整合和效能方面有所不足，而獨立的EtherCAT從屬控制器須要外接中央處理器(CPU)，也有其相應的限制。

圖1 由於採用EtherCAT從屬控制器，使用XMC4300與XMC4800控制器時，無需外部記憶體或石英鐘產生器這類額外的組件。

XMC4300與XMC4800內建的鎖相迴路(PLL)便可供應EtherCAT IP所需的25MHz時脈。程式碼由ARM的Cortex M4處理器以144MHz直接從內建的隨機存取記憶體(RAM)或快閃記憶體執行。

使用外部記憶體須要考量到另一個因素：整個生命週期中產品維護上的困難。記憶體製造商會配合個人電腦和行動運算產業，優化自身的技術，結果導致晶片常常在幾年內即告停產。如此情況並不符合工業系統的生命週期，基本上這些系統中的機器壽命至少是15年以上。XMC4300與XMC4800考慮到這一點，XMC4000系列的所有微控制器也不例外，並一律提供長期可供貨的保證，至少可至2031年。

獨立EtherCAT交換器 可能導致延遲發生

獨立的EtherCAT交換器，經常被當作EtherCAT從屬節點實作上的替代品。以XMC4300與XMC4800微控制器實作，亦提供超越這類解決方案的多項優勢，因為獨立的交換器上並未內建CPU(圖2)。因此，如果需要實現EtherCAT從站，還必須另行外接記憶體和時脈產生器。

圖2 XMC4300/XMC4800實作及專用EtherCAT交換器比較圖

在資料流量方面，以XMC微控制器為基礎的系統解決方案表現也很優異，新解決方案的資料會透過內部的32位元匯流排在EtherCAT IP與CPU之間傳輸資料，最高可達144MHz。

相較之下，獨立EtherCAT交換器搭配外部CPU要透過序列介面來交換資料，因此匯流排寬度一般為8位元或16位元。除此之外，可能經過多工處理的資料或位址的傳輸和設定/保留時間，導致了進一步的延遲。 在評估EtherCAT解決方案之際，基礎的EtherCAT IP也是很重要的考量點。XMC4300與XMC 4800使用Beckhoff ET1100以及所有整合式系統的功能。包括八個現場匯流排記憶體管理單元(FMMU)、八個主動低同步針腳(SYNC)管理器、8kB資料RAM以及分散式時脈系統(64位元)。

相較之下，其他解決方案可能會以ET1200為基底，其僅為ET1100的子集，只有三個FMMU、四個SYNC管理器以及4kB資料RAM。這也會拖累系統資源，而導致上述所有EtherCAT協定(CoE、FoE、FSoe和EoE)無法完全同時執行。

整合式Beckhoff控制器 EtherCAT運作更順暢

除了EtherCAT從屬控制器外，XMC4300與XMC4800還提供眾多周邊設備，如圖3∼4所示。

XMC4800擁有豐富的系統資源，除了EtherCAT通訊外，還可達到高效能的致動器和感應器在控制方面的實作。舉例而言，除了EtherCAT外，其還可實行雙馬達的控制，位置監控(POSIF介面)也包括在內。

圖3 XMC4300方塊圖。ARM Cortex-M4與EtherCAT節點透過144MHz時脈的連線進行通訊。

圖4 XMC4800方塊圖。該晶片延伸的周邊多達六個CAN節點、四個類比數位轉換器，且快閃記憶體多達2MB。

XMC4300在EtherCAT方面與XMC4800不相上下，但僅能控制較單純的致動器和感應器，如I/O模組。除了上述的ARM Cortex-M4處理器外，XMC4300還擁有256kB的快閃記憶體和128kB的RAM，特別著重於通訊以及致動器和感應器。其也提供了兩個控制區域網路(CAN)節點，隨後的通訊盡可能無須CPU互動。即使在閘道模式中，以不同的傳輸速率在不同的CAN網路之間進行交換，而不使用運算引擎介入，狀況亦是如此。在混合CAN與EtherCAT的網路中，XMC4300可針對安裝提供簡潔的解決方案，能夠透過數位媒體轉接器(DMA)傳輸，有效建立從CAN至EtherCAT的閘道。

此外，還有序列介面通用非同步收發傳輸器(UART)、序列周邊介面(SPI)、I2C和I2S，可由USIC可程式介面進行實作。另外有通用序列匯流排(USB)介面和安全數位輸入輸出(SDIO)/SD/MMC介面可供連接大量儲存裝置。TCP/IP乙太網路介面可供以簡易方式執行(遠端)診斷及維護。加上XMC4300具背整合式發光二極體(LED)矩陣控制(8×8區段)可控制LED陣列。

除了通訊介面外，整合類比及混合訊號IP也值得矚目。舉例而言，XMC4300配備兩個12位元類比數位轉換器(ADC)。針對致動器，它內建有計時器單元，可控制一個完整的全橋，兩個計時器單元用於半橋，以及兩個12位元數位類比轉換器(DAC)。如此便能控制馬達，同時讓EtherCAT通訊平行運作。

XMC4300最適合用於實作I/O模組。舉例說明，如果骨幹所需頻寬大於CAN匯流排或序列協定可提供的量，則XMC4300就是理想選擇(圖5)。採用LQFP100封裝的XMC4300提供兩種版本，溫度範圍分別為-40∼85℃及-40∼125℃。

圖5 I/O模組搭配EtherCAT骨幹匯流排及實體(PHY)至實體連接

如果需要更好的效能或更多的連線功能，相容的XMC4000系列之中，XMC4800系列可提供最高2MB的快閃記憶體及352kB的RAM，還有更多的周邊設備和不同封裝。除了記憶體容量更大外，與XMC4300系列的關鍵差異在於有六個CAN節點、一個外部記憶體介面(EBU)、四個12位元類比數位轉換器、總共六個計時器(XMC4300為三個)、一個整合式定位介面(POSIF)、以及四個Delta Sigma調解器。XMC4800衍生版本分為LQFP-100、LQFP-144與LQFP-196封裝。

XMC4300與XMC4800的針腳和程式碼均相容。同樣地，XMC4300及XMC4800系列總共能夠組成二十種產品，搭配不同的周邊設備、封裝、記憶體容量及溫度範圍，因此為應用相關的EtherCAT實作提供了全方位的產品系列。

若是須要立即以XMC4300與XMC4800微處理器設置EtherCAT節點，也有開發板和相對應的軟體開發工具。XMC4300 Relax EtherCAT套件包含XMC4300微處理器，並內建有除錯器、採用標準RJ45接頭的EtherCAT節點(外加選用PHY至PHY連接的排針)以及採用九極D-Sub插頭的CAN節點及USB埠。至於XMC4800系列，也提供有開發板的XMC4800 Relax EtherCAT套件(圖6)。

圖6 迅速輕鬆地以XMC4800 Relax EtherCAT套件設置EtherCAT節點

開發板/軟體工具襄助　EtherCAT開發時程加快

在軟體開發方面，有免費的DAVE開發環境可用，以及適用於低階驅動器的程式庫與應用程式。此外，DAVE針對EtherCAT使用Beckhoff的從屬堆疊程式碼(Slave Stack Code, SSC)。除了免費的開發環境外，亦提供知名的第三方製造商的商用EtherCAT從屬堆疊。

兩款套件均成功通過EtherCAT技術群組的一致性測試。因此證明XMC型的EtherCAT解決方案可順暢地與所有領先的工業控制系統(EtherCAT主機)一同運作。

符合製造業環境要求 EtherCAT晶片後勢看好

傳統上，EtherCAT主要應用在工廠自動化，以及所有要求現場匯流排提供即時需求的應用方式，而工程機械以及農用車輛和工業卡車也包含在內。不過，到目前為止，EtherCAT晶片在品質和可靠性上時常無法達到必要標準，例如在汽車製造業中，晶片必須要能承受更廣的溫度範圍，須高達125℃，該二款晶片通過AEC-Q100標準可證明其可靠性。

(本文作者任職於英飛凌)