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MCU邁大步 EtherCAT實現更容易
以XMC4800為例

【作者: Hairuo Qiu】   2016年05月20日 星期五

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EtherCAT結合了同步確定、頻寬及抗干擾性的最高要求,是其他即時乙太網路通訊協定未具備的。此外,EtherCAT 的發展相當穩定,沒有任何不接續: IP 核心的功能擴充,且相容於先前的版本。儘管如此,EtherCAT 的市場接受度仍不及其他Fieldbus系統 (如 CAN)。XMC4800 MCU可提供改變上述情況的基礎。因為它以較低的建置成本、更高的產品品質和長期的可用性 (至少到2027 年) 的前提下,提供了 EtherCAT 功能,並且還有專為 EtherCAT 應用與元件本身所設計的免費整合開發環境。


工業通訊的發展現況

全球數位化正大舉進軍製造業,並以大量資料的形式帶來極大的影響,包括來自感測器與致動器的測量與控制資料、本地與遠端診斷的資料,以及在機器間傳送的資料等。如果向自動化技術人員諮詢有關機器與現場層級的通訊,他們將回覆 EtherCAT 是一項既定的標準。另一方面,傳統的現場匯流排系統 (如 Profibus 與 CAN),皆已面臨其技術上的限制。它們無法處理如此龐大的資料量。它們缺少頻寬。雖然工業 4.0 的發展路線尚未明確,但可以肯定地說,資料量將不會減少。


令人訝異的是,即時乙太網路系統至今仍未能獲得普遍接受度。驅動器、PLC及 I/O 模組的製造商對此提出各種理由。對於乙太網路/IP,Rockwell Standard 等公司大多認為其受限於缺少決定能力,最好可達到低個位數微秒範圍內的週期時間。但西門子的標準 Profinet 至少在其 RT 設計中也有類似的限制。同時,眾所皆知,同步 Profinet IRT 尚未成熟。它花費多年才進展到目前的最終版本 2.3,中間版本彼此間皆不具備相容性,而且 2.3 版是否真能成為最終版本仍有待觀察。


另一方面,EtherCAT 自 2004 年起就不曾變更。最早的裝置能與位於相同網路上的最新產品進行通訊,儘管所有新功能都是在這段期間中新增的。EtherCAT亦可達到最佳的同步決定能力,範圍從三位數到低兩位數微秒範圍。到目前為止,EtherCAT 與 Profinet 及乙太網路/IP 僅有一項共同的特性,亦即較高的採購與維護成本,而且整個產品生命週期皆需要維護成本。這是因為到目前為止尚未有高度整合的電路。XMC4800 是第一款整合 EtherCAT 從屬控制器與類比/混合訊號 IP 的MCU,它採用 ARM Cortex M4 處理器。


以 TI Sitara、FPGA 或 ASIC 為基礎的既有解決方案進行比較,即可顯示以 XMC4800 實作 EtherCAT 是多麼容易。XMC4800 無需額外元件如外部記憶體或石英鐘產生器即可啟動 EtherCAT 從屬控制器。內建的 PLL 供應 EtherCAT IP 所需的 25MHz 時脈。程式碼由 ARM Cortex M4 處理器以 144 MHz 從內建的 RAM 或快閃記憶體執行。藉由較少材料清單 (BOM) 所減少的成本是顯而易見的。


過去設計EtherCAT系統,最大的問題大概就是系統成本相對高昂,所以即便EtherCAT面世已有不短的時間,但要有一定的普及率還是有一定的難度,因此,解決成本問題,EtherCAT要普及,似乎就不是太大的問題了。


圖1 :  EtherCAT 的各種實作概要。XMC4800 無需額外的記憶體、石英鐘脈衝產生器或MCU即可建立 EtherCAT。它可同時節省元件成本及 PCB 空間。(Source:英飛凌)
圖1 : EtherCAT 的各種實作概要。XMC4800 無需額外的記憶體、石英鐘脈衝產生器或MCU即可建立 EtherCAT。它可同時節省元件成本及 PCB 空間。(Source:英飛凌)

而外部記憶體則容易有些問題,特別是乍見下不那麼明顯的部分,亦即產品在整體生命週期中,更不容易進行維護。記憶體製造商針對 PC 與行動運算產業進行技術最佳化,這意味著一個技術節點在五年後就變得過時且不符合經濟效益。結果就是元件將遭到淘汰。如此將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。即使採用「裝配、外型、功能」計劃,以新製造技術生產的記憶體模組以舊有外型與功能為基礎,仍無法避免修改產品資料表,同時也必須重新確認是否符合規範, XMC4000 MCU產品範圍內的所有裝置皆保證長期的可用性,至少可至 2027 年,進而解決此問題。


EtherCAT 加上致動器與感測器

除了EtherCAT從屬控制器之外,XMC4800 還內建多項周邊裝置以涵蓋所有應用,如方塊圖所示 (圖 2)。



圖2 :  XMC4800 是第一個將 EtherCAT 節點整合至標準 ARM Cortex MCU並包含快閃記憶體與類比/混合訊號 IP 的產品。它是第一款溫度範圍最高達 125°C 並取得 AEC-Q100 認證的 EtherCAT 節點。(Source:英飛凌)
圖2 : XMC4800 是第一個將 EtherCAT 節點整合至標準 ARM Cortex MCU並包含快閃記憶體與類比/混合訊號 IP 的產品。它是第一款溫度範圍最高達 125°C 並取得 AEC-Q100 認證的 EtherCAT 節點。(Source:英飛凌)

XMC4800 除具備上述 ARM Cortex M4 處理器之外,並配備最多 2 MB 快閃記憶體以及最多 352 KB RAM,特別著重於通訊以及致動器與感測器。沒有其他以 Cortex-M 為基礎的元件提供六個 CAN 節點,可將 256 個訊息物件彙整為傳送/接收 FIFO,進行通訊時幾乎無需 CPU 介入。即使在不同的 CAN 網路之間進行交換,並在閘道模式中使用不同的傳輸速率,也無需使用運算核心。XMC4800 提供簡潔的解決方案,可在混合 CAN 與 EtherCAT 的網路中進行實作,可供透過 DMA 傳輸有效地建立從 CAN 至 EtherCAT 的閘道 (圖 3)。



圖3 :  EtherCAT 與 CAN 可在 XMC4800上同時運行,甚至可做為閘道器,無需專屬的 EtherCAT-ASIC、外部記憶體或石英鐘脈衝產生器。(Source:英飛凌)
圖3 : EtherCAT 與 CAN 可在 XMC4800上同時運行,甚至可做為閘道器,無需專屬的 EtherCAT-ASIC、外部記憶體或石英鐘脈衝產生器。(Source:英飛凌)

六個序列介面 (UART、SPI、雙與四 SPI、I2C 及 I2S) 可透過可程式 USIC 介面進行實作。平行介面 (EBU) 與 USB 及 SDIO/SD/MMC 介面可供連接大量儲存裝置。正規的 TCP/IP 乙太網路介面提供簡易的本地或遠端診斷與維護方式。除了上述通訊介面之外,並整合類比與混合訊號 IP。它配備四個 12 位元 A/D 轉換器、四個 delta-sigma 解調器,以及位於感測器側的兩個編碼器介面。針對致動器,它具備兩個計時器單元,可控制兩個完整的全橋,四個計時器單元用於半橋,以及兩個 12 位元 D/A 轉換器。如此將可透過解析器或編碼器最多控制兩個馬達,包括位置偵測,同時執行 EtherCAT 通訊。(圖 4)



圖4 :  XMC4800 最多可結合兩個馬達,包括位置偵測與 EtherCAT。(Source:英飛凌)
圖4 : XMC4800 最多可結合兩個馬達,包括位置偵測與 EtherCAT。(Source:英飛凌)

耐用的設計與品質將開啟全新市場

傳統的 EtherCAT 應用是在工廠自動化。目前這項技術尚未在其他領域發揮影響力,這項領域對於現場匯流排仍有較高的即時性要求:營造機械、堆高機及農業運輸車輛等。這並不令人意外,因為過去的 EtherCAT 元件無法滿足品質與可靠性的要求。如同傳統的汽車結構,元件必須能在最高 125°C 的廣大環境溫度範圍中運作,並且需要 AEC-Q100 認證以證明其可靠性。


XMC4800 是第一款符合上述需求的 EtherCAT 元件。但是這些領域與汽車結構有一項不同之處:XMC4800 沒有 PPAP (Production Part Approval Process,生產零件核准程序),表示它不適用於客車。XMC4800 MCU系列目前共有 18 種裝置,各自具備不同的記憶體容量、封裝 (LQFP100、LQFP144 及 LFBGA196),以及溫度範圍 (最高 85°C 及最高 125°C)。所有 XMC4800 元件的程式碼皆相容於所有 XMC4000 MCU,其腳位亦相容於各自的封裝。


(本文作者為英飛凌科技股份有限公司產品行銷經理)


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