关于STM32开发ethercat从站的方案

2万 · 2020-6-18 08:42

一款基于 STM32 微处理器的 EtherCAT 工业以太网从站系
统。首先从协议角度阐述了 EtherCAT 技术特点,分析了系统实现的工作原理
和卓越性能；然后从设备角度分析了 EtherCAT 从站设备的构成，把整个
EtherCAT 从站分别从站微处理器部分 STM 模块和从站控制部分 ESC 模块两部
分，每一部分都从相应的核心芯片入手，着重介绍两者之间的接口设计，创
造性的使用 STM32 芯片特有的 FSMC 读写外部存储器机制操作 ESC 模块内存
区，并且依据这种特殊性能开发了基于 STM32 的 EtherCAT 从站系统，通过
STM32 微处理器完成对 EtherCAT 协议从站控制器的操作；最后通过对硬件寄
存器的测试，从站状态机的测试以及对主从站系统进行的联合调试三部分对
整个从站进行了详细调试和分析，从不同的角度验证了该 EtherCAT 从站系
统的功能，并通过数据分析阐述了该系统性能。

1万 · 2020-6-18 08:44

使用的是什么方案？话说这个有专门的PHY啊！

2万 · 2020-6-18 08:44

该 EtherCAT 从站系统是第一款基于 STM32 芯片开发的 EtherCAT 从站，
它充分发挥了 STM32 芯片的 Cortex-M3 内核低成本低功耗的特性，特别适用
于工业设计领域，同时该设计直接使用 STM32 特有 FSMC 机制读写 ESC 模块
内存，对系统性能有了很大提升。

2万 · 2020-6-18 08:45

東南博士发表于 2020-6-18 08:44
使用的是什么方案？话说这个有专门的PHY啊！

哦？您的意思是？有专门的ASIC吗？

1万 · 2020-6-18 08:45

wangjiahao88 发表于 2020-6-18 08:45
哦？您的意思是？有专门的ASIC吗？

是的！

比如AX58100;58200;很多专门的方案的！

2万 · 2020-6-18 08:45

東南博士发表于 2020-6-18 08:45
是的！

比如AX58100;58200;很多专门的方案的！

了解了解！

我这算是抛砖引玉了！

学习了！谢谢！

2万 · 2020-6-18 08:47

以太网技术自 20 世纪 70 年代诞生以来便受到众多先进自动化公司的关
注，其开放性和标准统一性是各公司关注的焦点，这些自动化公司开始将网
络技术应用到工业控制领域的伺服设备控制以及数据采集等多个方面。在国
外，许多知名自动化厂商都已将以太网技术的应用延伸到了工业控制的现场
当中[
2]，在国内，一些知名院校与知名企业合作，将以太网技术运用到工业
领域，浙江大学与浙江中控公司就曾联合推出过一款工业以太网系统，该系
统将以太网技术应用在了应用层，控制层以及设备层之间，通过这些方式实
现工业以太网系统在自动化领域的控制。

2万 · 2020-6-18 09:13

除此之外，欧美一些厂商在高性能的伺服控制和大规模数据采集等产品
和系统使用了工业以太网技术，国外的 EtherCAT 自动化产品已经进入国内，
并逐渐开拓市场，2012 年 6 月 20 日 EtherCAT 技术协会（ETG）参加了北京
国际自动化展，展示了成熟的产品及应用，引起了工控同仁的广泛关注，可
是我国对于 EtherCAT 工业以太网技术的研究仍处于初级阶段，因此对于
EtherCAT 技术的研究意义重大。

2万 · 2020-6-18 09:13

传统现场总线是一种特殊的通信网络，它与一般的计算机网络有很大的
不同，从面向对象来说，计算机网络是对图像、声音以及文字等大规模数据
的传输，而现场总线则是对开关或者阀门等指令与数据这些小规模数据的传
输，但是这些数据的传输稳定性要求很高，操作不当可能会威胁人身和设备
安全。另外，与计算机网络相比，现场总线传输数据的节点位置一般比较分
散，报文内容相对简短。同时，现场总线也是一套自控系统，与传统的集中
控制模式相比它的显著特点是通过网络信号传输数据，它采用开放式的解决
方案，把控制功能放到现场完成，形成分布式智能化的控制系统，这是一种
网络控制模式。图 1-1 对两种不同的控制模式进行了比较。

2万 · 2020-6-18 09:18

基于网络控制模式的现场总线控制系统和基于集中控制模式的一般控制
系统对比主要有以下两个突出优点:
(1)现场总线控制系统采用一条现场总线标准代替之前集中控制模式
中的数据信号、模拟信号及控制信号等传输线，使各种信号以同样标准传输，
减少了层次区分。
(2)现场总线控制系统终端采用智能现场设备把常用于集中控制系统
中的模拟设备换成了智能设备，这样的底层设备不仅具备了智能性，强大的
运算功能，还可以自主校验和特性补偿。

2万 · 2020-6-18 09:23

表 1-1 IEC61158 现场总线国际标准
种类  现场总线国际标准
类型 1  IEC 技术报告(即 FF 的 H1)
类型 2  Control Net(美国 Rockwell 公司支持)
类型 3  PROFIBUS(德国西门子公司支持)
类型 4  PNet(丹麦 Process Data 公司支持)
类型 5  FF HSE(Fisher Rosemount 公司支持)
类型 6  Swift Net(美国波音公司支持)
类型 7  WorldFIP(法国 Alstom 公司支持)
类型 8  Interbus(德国 Phoenix Contact 公司支持)

2万 · 2020-6-18 09:23

除了以上 8 种现场总线标准以外还通过了 IECTC17B 中的另外 3 种总线
标准，分别是智能分布系统 SDS，执行设备接口 ASI 和现场设备网络 DN 等。
除了以上 11 种现场总线国际标准，ISO 还有一个 ISO11898 的 CAN(Control
Area Network)。以上列举的仅仅是国际标准，除此之外还有欧洲标准，在各
大标准制定委员会制定标准的同时，一些世界知名的大的自动化公司都推出
了各自的总线标准，像日本的三菱公司，法国的施耐德公司等。
IEC61158 国际标准建立的目的是将现存的多种总线标准统一成一款通
用的标准，如果这样，那么一方面制造商可以比较方便的生产设备，另一方
面用户可以方便的选用适合功能的设备而不必受困于单一总线标准下的产
品。可是事实是各大公司并未因此而形成共识，结果依旧是群雄混战。大公
司经过多年的发展，由于各自的总线产品已经占据了一定的市场份额，并不
担心多种总线产品之间的不兼容会影响销售，而不改变的话则对用户选用设
备造成影响，用户无法真正根据自身成本和需要的考虑选用设备，而是更多
的依赖之前选用设备标准的要求，灵活性较差。这些已经阻碍工业控制和自
动化系统的进一步发展，传统的现场总线这种先天性不足亟需解决，于是世
界各大自动化公司纷纷把目标投向了应用广泛、互联方便的以太网技术，推
出各自的工业以太网技术。

2万 · 2020-6-18 09:24

2万 · 2020-6-18 09:25

2万 · 2020-6-18 09:27

表 1-2 IEC61158 工业以太网国际标准
种类  工业以太网国际标准
类型 1  FF HSE(美国 FF、Fisher-Rosemount 公司支持)
类型 2  PROFINET(德国 PI、Siemens 公司支持)
类型 3  TC-net(日本 Toshiba 公司支持)
类型 4  EtherCAT(德国 ETG、Beckhoff 公司支持)
类型 5  Ethernet PowerLink(奥地利 EPSG、B&R 支持)
类型 6  EPA(中国浙大中控等支持)
类型 7  Modbus-RTPS(美国 MODBUS、IDA 公司支持)
类型 8  VNET/IP(日本 Yokogawa 公司支持)
类型 9  SERCOS III(德国 IGS 公司支持)

2万 · 2020-6-18 09:45

工业以太网有三种实现方式，即 TCP/IP 方式、以太网方式、修改以太网
方式，其中，TCP/IP 的方式仍然采用传统的 TCP/IP 协议栈进行通信，通过
上层的合理调度减少数据传输过程中的不确定性，使用这种方式有
Mobus/TCP 和 Ethernet/IP 等协议，这种方式的数据传输实时性不高；以太网
的方式采用标准的以太网设备，这样传输普通的以太网数据仍然可以使用
TCP/IP 协议，而用于传输控制信号的过程数据则使用专门的协议传输，使用
这种方式的有 Ethernet Powerlink、PROFINet RT 和中国的 EPA（Ethernet for
Plant Automation）等协议，可以实现较高的实时性；修改以太网的方式采用
经过修改的以太网协议传输数据，而使用专门的硬件处理数据，使得响应时
间小于 1ms，它的实时数据和非实时数据也是分开传输的，彻底避免数据报
文冲突，使用这种方式的有 SERCOS-III、PROFINet IRT 和 EtherCAT 等协议，
EtherCAT 技术是由德国 BECKHOFF 自动化公司提出并实现的工业以太网技
术，是目前最快的工业以太网解决方案

2万 · 2020-6-18 09:46

一个完整的 EtherCAT 系统可以分为主站和从站两个部分，主站使用标
准以太网设备传输数据，从站使用专用的控制芯片处理数据，支持线形、树
形或星形等多种拓扑结构，具有超高的性能、灵活性和成本优势，EtherCAT
协议与普通的现场总线协议相比有以下特点：
（1） EtherCAT 具有广泛的适应性，无论是简单的 16 位微处理器还是
复杂的 PC 系统，只要控制单元带有普通的以太网控制器都可以构成
EtherCAT 主站。
（2） EtherCAT 是一种特殊的以太网协议，使用该协议的数据可以使用
常用的以太网设备，可以节省设备更新的成本。
（3） EtherCAT 可以灵活选择从站类型，无论是带有微处理器的复杂节
点还是只有 2 位 I/O 的简单节点可以用作 EtherCAT 从站。
（4） EtherCAT 数据传输速率高，由（2）知该协议数据符合标准的以
太网协议，可以通过标准的以太网进行数据传输，可以充分利用以太网带宽
进行用户数据的传输。
（5） EtherCAT 数据刷新周期短，使用专门的硬件处理数据，数据的刷
新周期很小，低于 100μs，可用于响应要求高的设备。
（6） EtherCAT 具有良好的同步性能，设备之间的同步由专用硬件的相
关寄存器完成，各个从站设备之间的时钟同步精度可以控制在 1μs 以内

2万 · 2020-6-18 14:59

德国 BECKHOFF 自动化公司开发有两种 ASIC 从站控制专用芯片，分别
是 ET1100 和 ET1200。专门为实现 EtherCAT 协议而定制的 AISC ET1100 和
ET1200 芯片为 EtherCAT 从站控制器的实现提供了一种结构紧凑、成本、性
能高的解决方案。这两款芯片都可以直接在硬件中处理 EtherCAT 数据帧，
因而可以确保整个硬件设备的高性能和实时性，而与任何下游从站微控制器
及相关软件无关。通过芯片最多可以提供的三种过程数据接口，包括数字量
I/O、SPI 和 8/16 为μC（ET1200 无该接口），EtherCAT ASIC 能够实现简单
的数字量模块，而不再需要微控制器或研发自带处理器的智能设备[
20]。这两
种芯片都带有分布式时钟功能，通过该功能能够实现 EtherCAT 从站小于 1
μs 的高精度同步。芯片供电电压为 3.3V；内核电压为 2.5V，由集成的同相
稳压器生成或者直接供电。
ET1100 是一种适用于任何类型的 EtherCAT 设备的通用解决方案；
ET1200 则特别适合于将 E-bus/LVDS（低压差分信号）作为内部接口的模块
化设备。由于这种芯片 ASIC 芯片结构紧凑，外部组件数量少，因此它们仅
需要极小的安装空间。
ET1100 芯片和 ET1200 芯片分别有各自适用的领域，ET1100 适用于对
于整个系统性能的要求高，并且结构复杂的设计中使用，而 ET1200 适用于
需要处理的控制指令少，要求的开发成本低，占用的系统空间少等的系统，
重点技术参数比较如表 2-1 所示。

2万 · 2020-6-18 15:02

表 2-1 ET100 和 ET1200 技术参数比较
技术参数  ET1100  ET1200
EtherCAT 端口数  4（最多 4*MII）  2（最多 1*MII）
FMMU  8  3
SYNC Manager  8  4
DPRAM  8KB  1KB
分布式时钟  有，64 位  有，64 位
过程数据接口  32 位数字量 I/O
SPI
8/16μC
16 位数字量 I/O
SPI
外壳（封装）  BGA128, 10*10mm  QFN48，7*7mm

2万 · 2020-6-18 15:03

ET1100 ASIC 外壳（BGA128）尺寸仅为 10x10mm。该芯片最多可支持 4
个 EtherCAT 端口。8KB 的双口内存（DPRAM）空间用于读写过程数据和参
数数据，可选择通过平行或串行数据总线寻址。另外，在使用该芯片实施操
作时可不使用控制器。在这种情况下，可最多直接连接 32 个数字量信号。
ET1200 ASIC 芯片是 ET1100 的小型变体，其 QFN48 外壳尺寸仅为 7x7mm，
芯片结构更为紧凑。设备带有 16 个数字量 I/O 接口和用于实现高精度同步的
分布式时钟硬件。通过快速串行接口（20Mbit/s）寻址 1KB 的 DPRAM。ET1200
有两个 EtherCAT 端口，其中一个可被用作 MII 来连接一个标准的物理层，
另一个端口用于 LVDS，因此 ET1200 特别适用于将 LVDS 用作内部总线物理
层的模块化设备。

关于STM32开发ethercat从站的方案

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