數(shù)據(jù)采集是從物理對(duì)象中挖掘有價(jià)值的信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先將待測(cè)物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為合適的電信號(hào)（電壓或電流），電信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理（縮放或?yàn)V波等）后傳輸?shù)浇K端設(shè)備，經(jīng)過進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換處理（模數(shù)轉(zhuǎn)換等），終端設(shè)備便得到被測(cè)物理量的實(shí)際值。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較廣泛，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取和處理。共研網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，受到國(guó)內(nèi)智能制造等領(lǐng)域政策支持的推動(dòng)，以及下游應(yīng)用領(lǐng)域如電力、石化、燃?xì)?、軌道交通等行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)。2023年，我國(guó)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到149.1億元，同比增長(zhǎng)3.47%。

▲工業(yè)數(shù)據(jù)采集系物案例（來源：物通博聯(lián)）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境日漸復(fù)雜，需要統(tǒng)一采集并監(jiān)控的物理量也日漸增多，數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求日漸提高。而這些物理量的測(cè)量位置往往是分散的，有些節(jié)點(diǎn)之間的傳輸線路比較長(zhǎng)，這必然會(huì)引起系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性的降低。所以發(fā)展實(shí)時(shí)性更高、同步性更好、帶寬更寬的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是行業(yè)的必然趨勢(shì)。工業(yè)以太網(wǎng)近年在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。倍福公司提出的EtherCAT技術(shù)，是一種開放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，可以在30us內(nèi)通過雙絞線或光纖電纜處理1000個(gè)數(shù)字量IO，也確定了以太網(wǎng)性能的新標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)在EtherCAT 技術(shù)中，當(dāng)報(bào)文經(jīng)過設(shè)備時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸人和讀取，而報(bào)文僅有幾納秒的延遲在實(shí)時(shí)性上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。使用EtherCAT組網(wǎng)，可以擺脫對(duì)交換機(jī)的依賴，這極大地降低了成本與人力。基于EtherCAT的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有較高的傳輸速度，實(shí)時(shí)性和可靠性，且系統(tǒng)成本較低，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有良好的應(yīng)用前景。

基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：主站和從站。主站由帶有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的PC機(jī)構(gòu)成，其中標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡集成了以太網(wǎng)通信控制器和物理數(shù)據(jù)收發(fā)器，物理層傳輸介質(zhì)可選100BASE-TX或100BASE-FX，物理層芯片PHY實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼、譯碼及收發(fā)。從站完成系統(tǒng)的通信，實(shí)際應(yīng)用的控制，數(shù)據(jù)采集等功能。EtherCAT從站主要由從站控制器（ESC）、從站控制微處理器、物理層器件、PDI接口配置電路及其他應(yīng)用層器件構(gòu)成。從站控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過幀處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì) EtherCAT 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的處理。從站控制器通過過程數(shù)據(jù)接口(PDI)實(shí)現(xiàn)與從站微處理器的數(shù)據(jù)交換，從站微處理器從 EtherCAT從站控制器中讀取相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)完成對(duì)應(yīng)用層其他設(shè)備的控制任務(wù)。主站通過從站的雙端口存儲(chǔ)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)從站應(yīng)用數(shù)據(jù)的交換。

▲典型基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集卡從站

基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集卡從站不僅實(shí)現(xiàn)與主站PC的網(wǎng)絡(luò)通信，還完成對(duì)設(shè)備層儀器的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中起到承上啟下的作用。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，針對(duì)應(yīng)用層任務(wù)的不同需要設(shè)計(jì)不同的從站，保證各類設(shè)備順利接入EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。

▲典型基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集卡從站結(jié)構(gòu)圖

基于EtherCAT數(shù)據(jù)采集卡從站的功能就是將傳感器傳上來的信號(hào)，發(fā)送給系統(tǒng)主站。但是傳感器傳上來的只是模擬電壓信號(hào)，必須先要經(jīng)過調(diào)整處理才能進(jìn)行后續(xù)操作，調(diào)整處理主要包括電壓偏置，信號(hào)放大，低通濾波和AD轉(zhuǎn)換，因此就要有模擬信號(hào)處理模塊。要將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量發(fā)送給系統(tǒng)主站，必須要按照EtherCAT的協(xié)議規(guī)范，搭建物理層和數(shù)據(jù)鏈路層電路，這樣就必須要有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通模塊。模擬信號(hào)處理模塊和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信模塊要想?yún)f(xié)同工作，必須要有個(gè)邏輯控制單元去控制它們，因此就必須要有微處理器控制模塊。電路板上許多心片需要的電壓都不一致，為滿足它們的電源需求就必須要有電源管理模塊。任何輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的傳感器都可以接到系統(tǒng)從站上，電壓信號(hào)首先進(jìn)入從站的模擬借號(hào)輸入端口，在依次經(jīng)過電壓偏置、信號(hào)放大、低通濾波操作之后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器再通過SPI串行總線將這個(gè)數(shù)字量發(fā)送給微處理器，微處理器又通過 SP1總線將這個(gè)數(shù)字量發(fā)送給ESC(從站控制器)芯片。ESC是 EtherCAT從站網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)鏈路層芯片，它可以將這個(gè)數(shù)字量封裝后通過PHY（物理層）芯片寫入到 EtherCAT數(shù)據(jù)幀的指定位置，這個(gè)數(shù)字量會(huì)隨著報(bào)文被發(fā)送給主站，主站通過解析報(bào)文，就會(huì)獲得這個(gè)數(shù)字量。

▲典型數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案

EtherCAT 通信模塊的核心是從站控制器ESC。為了保證EtherCAT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，ESC控制器必須要獲得ETG聯(lián)盟的授權(quán)。目前EtherCAT 從站主要有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是基于ETG授權(quán)IP-Core開發(fā)的ASIC 芯片，并搭配合適的微處理器。另外一種是使用授權(quán) IP-Core將 EtherCAT 通信功能集成到設(shè)備控制 FPGA 。從兼顧成本和功能的角度，目前大多數(shù)EtherCAT從站解決方案采用的是ASIC芯片方式。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

CF110x系列是碼靈半導(dǎo)體推出的一款專門用于處理 EtherCAT 數(shù)據(jù)鏈路層通訊的ASIC芯片。CF110x系列最多可以提供3個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置8個(gè)FMMU單元，具有FMMU邏輯地址映射功能；內(nèi)置8個(gè)SM通道，方便對(duì)芯片內(nèi)存區(qū)域組織管理；支持 4KB寄存器空間、8KB過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；支持64位分布時(shí)鐘，為微處理器提供高精度的中斷信號(hào)。CF110x系列支持眾多的PDI引腳，可以在沒有應(yīng)用層微處理器的情況下直接驅(qū)動(dòng)32路數(shù)字IO信號(hào)，也可以使用外部微處理器訪問，構(gòu)建復(fù)雜的EtherCAT從站。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

CF110x系列在EtherCAT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(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 Cortex-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。目前，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)向著網(wǎng)絡(luò)化和高速化的方向發(fā)展，把EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)引人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率以及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)也使得各采集點(diǎn)的信號(hào)采集模塊具有精確的同步性能。基于碼靈半導(dǎo)體CF110x系列EtherCAT芯片實(shí)現(xiàn)的EtherCAT總線技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品化具有重要意義。