數(shù)據(jù)采集是所有工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，工廠規(guī)模越來越大，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)設(shè)備和系統(tǒng)側(cè)控制設(shè)備的距離較遠(yuǎn)時(shí)，為了節(jié)省電纜，達(dá)到分離控制與集中管理的目的，通常采用遠(yuǎn)程IO模塊(也稱分布式IO模塊)把現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)設(shè)備連接起來。遠(yuǎn)程IO模塊通過采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按照專用通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給主站或控制器。主站或控制器根據(jù)程序邏輯處理數(shù)據(jù)后，再通過通信介質(zhì)將控制信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)程IO模塊，遠(yuǎn)程IO模塊將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)來控制設(shè)備動(dòng)作。同時(shí)用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具體需要來配置的遠(yuǎn)程IO模塊，可很好地促進(jìn)各類工業(yè)控制系統(tǒng)達(dá)成分布式控制、集中式管理、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)、綜合成本優(yōu)化的目的。隨著工業(yè)自動(dòng)化和智能化的不斷發(fā)展，以及在智能電網(wǎng)、石油化工、軌道交通等領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，IO模塊市場(chǎng)也在不斷壯大。

然而要實(shí)現(xiàn)這種控制方式，需要使用通信網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程IO模塊與控制系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)作運(yùn)行。當(dāng)今世界主要有三種主流的工業(yè)通信技術(shù)，分別為現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)無線通信和工業(yè)以太網(wǎng)。其中工業(yè)以太網(wǎng)作為一種兼容了普通標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅克服了現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)無線通信的缺點(diǎn)和不足，而且解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)載荷較大的情況下難以滿足工業(yè)控制的高實(shí)時(shí)性需求的問題。近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)憑借其較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和開放性在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。

▲ 2024年全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額（數(shù)據(jù)來源：HMS Networks）

2003年由德國(guó)倍福自動(dòng)化公司提出的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)是一種具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高同步精度的工業(yè)以太網(wǎng)，其傳輸速率可以達(dá)到100Mbps，其擴(kuò)展版本EtherCAT G技術(shù)甚至可以達(dá)到1Gbps 的傳輸速率，在周期性過程數(shù)據(jù)通信過程中，1000個(gè) IO的更新時(shí)間僅需30us，每300us可以實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)的傳輸，完全可以滿足遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸延遲的高確定性和低抖動(dòng)性的需求。而且，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的搭建過程中不需要交換機(jī)、集線器等設(shè)備。因此，EtherCAT 在遠(yuǎn)程IO領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。歷經(jīng)多年的飛速發(fā)展，EtherCAT以其超高速、低成本、靈活易用和開放性的特點(diǎn)，獲得了遠(yuǎn)程IO領(lǐng)域的的廣泛認(rèn)可與支持。遠(yuǎn)程IO實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信的核心是從站控制器（ESC），其主要功能是負(fù)責(zé)主從站之間的協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)EtherCAT物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，是實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用集成芯片。為此，碼靈半導(dǎo)體全新推出的CF110x系列產(chǎn)品，能完美適配于各類遠(yuǎn)程IO應(yīng)用方案，為EtherCAT芯片市場(chǎng)、及整體解決方案帶來新的選擇和活力。

CF110x系列在遠(yuǎn)程IO應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

CF110x系列EtherCAT芯片豐富的資源和出色的性能指標(biāo)可滿足遠(yuǎn)程IO的各項(xiàng)功能需求，芯片的各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他方案。

CF110x系列應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

產(chǎn)品獲得德國(guó)倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過ETG官方的一致性測(cè)試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；

內(nèi)置8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個(gè)同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；

內(nèi)置64位分布式時(shí)鐘（DC），可實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；

可選擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個(gè)電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；

多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

EtherCAT實(shí)時(shí)IO模塊應(yīng)用方案

碼靈半導(dǎo)體調(diào)研分析了遠(yuǎn)程IO及其EtherCAT通信的功能需求，并對(duì)遠(yuǎn)程IO的各硬件模塊、協(xié)議棧軟件和應(yīng)用層軟件進(jìn)行深入研究，開發(fā)了一系列針對(duì)不同信號(hào)類型和產(chǎn)品形態(tài)的EtherCAT實(shí)時(shí)IO模塊的完整解決方案，包括模擬IO模塊、數(shù)字IO模塊、獨(dú)立式IO模塊、刀片式IO模塊及配套的耦合器等。

同時(shí)碼靈半導(dǎo)體開發(fā)了EtherCAT實(shí)時(shí)主站和IO從站搭建的EtherCAT實(shí)時(shí)IO主從控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，完成對(duì)該實(shí)時(shí)主從控制系統(tǒng)的功能測(cè)試、性能測(cè)試和可靠性測(cè)試。其中，系統(tǒng)功能測(cè)試主要包括IO通信功能測(cè)試、周期性過程數(shù)據(jù)通信測(cè)試和非周期性郵箱通信測(cè)試等；系統(tǒng)性能測(cè)試主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘同步性能測(cè)試、系統(tǒng)同步性能測(cè)試、系統(tǒng)抖動(dòng)測(cè)試和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試等；可靠性測(cè)試包括EMC、ESD、高低溫老化測(cè)試、可靠性測(cè)試等。經(jīng)過一系列嚴(yán)格完整的測(cè)試后，EtherCAT主站和各從站之間均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IO通信數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和郵箱數(shù)據(jù)的可靠傳輸，可以用于高實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合。

應(yīng)用案例①：16路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案

方案選用碼靈半導(dǎo)體CF1103A型號(hào)ESC芯片來實(shí)現(xiàn) EtherCAT 通信協(xié)議，執(zhí)行從站的數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)，完成對(duì) EtherCAT 通信數(shù)據(jù)幀的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。內(nèi)置的 Cortex-M3內(nèi)核的MCU用于執(zhí)行從站應(yīng)用層的控制任務(wù)?？梢灾τ脩粞杆賹?shí)現(xiàn)EtherCAT遠(yuǎn)程IO的應(yīng)用需求，提高生產(chǎn)效率?；贑F1103A實(shí)現(xiàn)的16路獨(dú)立式IO方案具有如下功能特性：

內(nèi)部集成了Cortex-M3內(nèi)核的MCU，可顯著減少了對(duì)外部元件的依賴，有效降低了用戶的材料成本和制造開支；

深入考慮了工業(yè)環(huán)境的苛刻要求，確保產(chǎn)品能在-40℃至+85℃的寬泛工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；

提供光耦隔離電路，大大增強(qiáng)了信號(hào)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的隔離效果和抗干擾能力。

▲16路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案框圖及實(shí)物

應(yīng)用案例②：32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案

方案采用碼靈半導(dǎo)體CF1106A型號(hào)ESC芯片，內(nèi)部集成了兩個(gè)電流型PHY，只需外加少量輔助器件就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，可顯著降低開發(fā)難度和開發(fā)成本?；贑F1106A實(shí)現(xiàn)的32路獨(dú)立式IO方案具有如下功能特性：

搭載CF1106A，內(nèi)部集成2個(gè)電流型PHY，顯著提升系統(tǒng)的抗干擾能力；

芯片高集成度顯著降低板載元件數(shù)量，芯片管腳數(shù)量少有效降低元器件和制造成本；

提供光耦隔離子板，確保復(fù)雜環(huán)境中的高抗干擾性能；

方案適應(yīng)-40℃至+85℃工業(yè)溫度范圍。

▲32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案框圖及實(shí)物

▲32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案實(shí)物

應(yīng)用案例③：刀片式IO應(yīng)用方案

方案搭載碼靈半導(dǎo)體CF1106B型號(hào)ESC芯片，具有高集成度、高性能、低功耗等特點(diǎn)，能夠助力用戶高效地實(shí)現(xiàn)EtherCAT刀片IO的應(yīng)用，滿足工業(yè)自動(dòng)化中的多樣化需求，并提升整體系統(tǒng)的性能和效率。基于CF1106B實(shí)現(xiàn)的刀片IO方案具有如下功能特性：

芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)電流型PHY，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能，確保了通信的穩(wěn)定性和可靠性；

芯片內(nèi)置32個(gè)數(shù)字IO功能，這種高度集成的設(shè)計(jì)使得數(shù)字IO模塊功能的實(shí)現(xiàn)變得更加迅速和簡(jiǎn)便，同時(shí)減少了對(duì)外部組件的依賴，有效降低了用戶成本；

方案板能夠在-40℃至+85℃的極端工作溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，完全符合工業(yè)領(lǐng)域的工作溫度標(biāo)準(zhǔn)；

提供光耦隔離電路，進(jìn)一步增強(qiáng)了信號(hào)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的隔離和抗干擾性能。

▲刀片式IO應(yīng)用方案框圖

▲刀片式IO（含耦合器）應(yīng)用方案實(shí)物

遠(yuǎn)程IO應(yīng)用方案開發(fā)與技術(shù)支持服務(wù)

針對(duì)遠(yuǎn)程IO開發(fā)，碼靈半導(dǎo)體提供完善的開發(fā)生態(tài)，客戶可快速上手，縮短開發(fā)周期，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)上市。CF110x系列完備的應(yīng)用開發(fā)生態(tài)包括開發(fā)評(píng)估板與開發(fā)工具軟件等軟硬件開發(fā)工具，技術(shù)文檔資料齊全，包含產(chǎn)品簡(jiǎn)介、數(shù)據(jù)手冊(cè)、用戶手冊(cè)、開發(fā)板設(shè)計(jì)源文件(含原理圖/PCB/BOM)、硬件設(shè)計(jì)指南、 SDK、產(chǎn)品測(cè)試報(bào)告等。有關(guān)遠(yuǎn)程IO方案解決方案更多的詳細(xì)技術(shù)信息，可聯(lián)系碼靈半導(dǎo)體技術(shù)或各授權(quán)代理商獲取。基于CF110x系列的遠(yuǎn)程IO方案目前已在大批量應(yīng)用，已獲得客戶的批量化驗(yàn)證，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。未來，碼靈半導(dǎo)體將繼續(xù)致力于開發(fā)性能更強(qiáng)大、更具性價(jià)比的解決方案，帶來更多創(chuàng)新的產(chǎn)品和終端應(yīng)用。