EtherCAT现场总线协议之神奇伺服驱动器硬件方案
在设计EtherCAT总线伺服驱动器的硬件方案时,开发者面临多种选择:(1)纯粹的网络控制器,不带有脉冲、模拟信号或液晶显示等外围设备。所有指令和操作都通过EtherCAT总线进行,可以采用ESC+DSP+FPGA(CPLD)、FPGA(IP核)+DSP或单一FPGA(软核/硬核+IP)组合。关键协议处理单元(KPA从站协议)通常被加载到DSP、软核或硬核中,技术挑战在于FPGA中的IP核心与软核技术以及内部高速总线的应用和调试难度。
另一种方案是将传统驱动器与网络集成,使其同时支持EtherCAT和传统脉冲、模拟量输入输出。这类方案可能包括ESC+DSP+FPGA(CPLD)、FPGA(IP核心)+DSP或者ARM微控制器加上ESC。主流的 EtherCAT ESC 器件包括倍福公司的ET1100/ET1200,Microchip 的LAN9252,以及赫优讯的Netx51/52等。
此外,一些集成CPU及ESC功能的一体化解决方案,如TI AM335X系列、英飞凌XMC4800系列以及瑞萨电子RZ/T系列,也逐渐成为行业标准。不论采取哪种方式构建EtherCAT伺服驱动器,其重要决策点如下:
对于IP核心来说,从站IP核心可以理解为替代了ET1100/ET1200类型的产品,但它仍然需要配合KPA从站协议栈来实现完整从站功能,而不仅仅是硬件接口实现。
在使用FPGAs时,常见的是通过配置如FieldbusMemoryManagementUnits (FMMUs)、SyncManagers, DCsupport 和 PDI 等功能来实现 EtherCAT 功能,并且可以通过两种方式配置:一种是在 FPGA 上集成 ESC 和一个软核微控制器,然后利用 FPGA 内部总线与主机交互;另一种则是只用 FPGA 实现 EtherCAT 功能部分,然后通过 SPI 或并行总线连接到外部主机。此外,基于 FPGAs 的 ZYNQ 类型硬质内核也可用于高性能应用。
综上所述,无论是 DSP、ARM 还是一些简单如 51 或 AVR 单片机,都属于微控制器家族。在这些微控制器中加入 ESC 组件,就形成了复杂级别较高的从站,它们需要执行更复杂任务,与 ESC 之间进行通信以遵循特定的从站协议,以便访问数据。无论这种ESC是否是一个真实存在的地理位置还是 IP 核形式,只要该微控制器正确地装载了适当版本的 KPA 从站协议,并确保良好的通信机制,便能正常工作。而具体实施过程中,与 EtherCAT 数据帧无关,因为这项工作由专门负责这一事务的小芯片执行。在实际应用中,只需确保本地处理单元能够有效地与之沟通即可,这一点并不受当前使用的是真实物理设备还是逻辑抽象层面的差异影响。