【EtherCAT分析】一、EtherCAT从站硬件分析

1、EtherCAT从站控制芯片

   EtherCAT从站控制芯片ESC是实现EtherCAT数据链路层协议的核心，它处理EtherCAT数据帧，并提供数据接口。从站控制器通常都有一个内部的DPRAM，并提供存取这些应用内存的接口范围：

1）串行SPI（串行外围接口）：主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如MCU芯片STM8/32、DSP等。

2）8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。

3）32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU。

    ESC由德倍福自动化有限公司提供，包括ASIC芯片和IP-Core。倍福提供的ASIC专用芯片有ET1100和ET1200。

     也有多家制造商根据倍福提供的IP-Core，通过价格低廉的FPGA，也可实现从站控制器的功能，包括MicroChip的LAN9252、英飞凌XMC4800芯片、亚信ASIX AX58100。

     目前使用最多的还是ET1100和LAN9252，ET1100相对而言价格较贵，且无内置PHY；但其FMMU、SyncMagager、RAM性能都优于LAN9252。在初始学习，不考虑成本情况下，选择ET1100作为倍福公司的EtherCAT从站控制芯片，毕竟EtherCAT是倍福提出的，且主站TwinCAT也是倍福公司的，兼容性会更好。当然不同方案的整体思路是一致的，学习好一种ESC方案后，切换到另外一种ESC芯片还是很方便的。

2、ET1100芯片介绍

  ET1100芯片是倍福公司推出的EtherCAT从站控制器专用芯片。它最多支持4个数据收发端口，每个端口都可以处于打开或者闭合状态。每个ET1100芯片有8个现场总线管理单元、8个同步管理单元、4K控制寄存器、8K过程数据存储器和64位的分布时钟。ET1100能够直接作为32位数字量输入输出站点，或者通过过程数据接口与微处理器连接，组成具有复杂功能的从站设备。ET1100的结构图如图所示。

ET1100芯片有一些特定的引脚可以复用为配置引脚，在从站上电时，这些引脚的电平由ET1100作为配置信息锁存，信号被锁存后，引脚可以用作其他用途，引脚信号的方向也可以改变。配置引脚的方法是外接上拉或者下拉电阻，外接上拉电阻时，配置为1；外接下拉电阻时，配置为0。有些配置引脚在配置阶段结束以后，会被用作状态输出引脚来外接LED灯，如果配置为1，则引脚输出为0时LED点亮，如果配置为0，则引脚输出为1时LED点亮。ET1100的引脚配置表如表所示。

3、基于ET1100+STM32的EtherCAT从站设计

   EtherCAT硬件电路设计分为2个部分：应用层微处理器电路设计、数据链路层电路设计。这里数据链路层采用倍福公司提供的ET1100从站控制芯片，应用层控制器采用STM32单片机，这里采用串行SPI方式进行通讯。系统整体的硬件框架如下图所示。

   应用层控制器采用STM32处理器，它通过SPI实现与ET1100数据交换，并实现EtherCAT应用层协议。链路层电路的核心为ET1100，它能处理EtherCAT数据帧，并为从站设备提供数据接口。晶振用于给ET1100提供时钟信号，EEPROM用于存储从EtherCAT主站下载的配置信息。ET1100芯片只支持MII（介质独立接口）的以太网物理层PHY器件，本设计中，选用与ET1100兼容的KS8721BL芯片作为PHY芯片。主站发来的数据，通过网络RJ45连到EtherCAT从站，经过H1102隔离变压芯片隔离变压后，经过KS8721BL芯片后到达ET1100进行相应处理。