Контроллеры EtherCAT с точки зрения Microchip Technology
Йен Сатерли (Ian Saturley), Microchip Technology
В статье кратко рассматриваются основные требования к промышленным интерфейсам, в т.ч. к технологии промышленного Ethernet. Показаны преимущества EtherCAT перед другими интерфейсами. На конкретном примере описаны преимущества трех новых контроллеров EtherCAT компании Microchip Technology.
Введение
За последние 20 лет в промышленных системах связи произошли серьезные изменения. Многие производители стали отказываться от интерфейсов, базирующихся на Fieldbus, в пользу интерфейсов, основу которых составляет Ethernet. Ожидается, что рост Ethernet-интерфейсов продолжится и впредь. Аналитики компании MarketsandMarkets прогнозируют, что ежегодные темпы роста рынка этих интерфейсов составят 7,3% до 2026 г.
Таким образом, никого не должно удивлять, что промышленный Ethernet за относительно короткий период занял внушительную долю рынка. Разумеется, были усовершенствованы и Fieldbus-интерфейсы, но следует иметь в виду, что технология Fieldbus разрабатывалась для решения относительно простых задач по управлению и не подходит для передачи больших объемов информации, которые необходимы для реализации стратегии Индустрии 4.0. Особенно явно проявляются недостатки Fieldbus в приложениях, где требуется быстродействие и точное управление, например в робототехнике.
Реализация интерфейсов на базе Ethernet решает указанные проблемы за счет достаточной пропускной способности. Ее, как правило, хватает для самых сложных примышленных систем Индустрии 4.0. В настоящее время технология Ethernet используется по всему миру, она отлично отработана, и ее применение не вызывает проблем.
Следует учесть, что особых трудностей с переходом от Fieldbus к Ethernet не возникнет: цепи Fieldbus легко и без больших затрат подключаются к каналам Ethernet. Массовость использования Ethernet поддерживается большим числом специалистов, способных обслуживать и внедрять промышленные Ethernet-системы. Поскольку концепция Индустрии 4.0 подразумевает надежную связь между промышленными процессами и информационными технологиями, целесообразно использовать в обоих случаях один и тот же стандарт. К сожалению, применяемый в ИТ Ethernet не детерминирован, а это недопустимо в промышленных приложениях.
Этот недостаток побудил компании приступить к разработке нового стандарта на основе Ethernet, пригодного для использования в промышленных приложениях. В результате появилось несколько стандартов, каждый из которых нашел свою нишу. Наиболее употребительными стали Ethernet TSN, EtherNet/IP, PROFINET и EtherCAT. У всех протоколов имеются и достоинства, и недостатки. Все протоколы, кроме EtherCAT, используют физический уровень EtherNet из ИТ и адаптируют его для работы в режиме реального времени. Разработчики EtherCAT (EtherNet для Control Automation Technology) пошли другим путем. Они полностью сохранили физический уровень стандартного EtherNet и на его основе (поверх него) создали совершенно новый детерминированный протокол.
Протокол использует хост-контроллер, и только у него есть разрешение на создание кадра EtherCAT. Этот кадр всегда имеет фиксированную длину, каждый узел сети имеет свою адресуемую область кадра. По мере поступления кадра к устройствам каждый узел принимает свои данные и формирует ответ в выделенной ему области.
Таким образом, передача кадра в сети происходит практически без задержки, если не считать задержку распространения и обработки сигналов на физическом уровне узла. В общей сложности, все операции выполняются не более чем за 125 мкс, тогда как в других протоколах это интервал достигает сотен микросекунд. Максимальная скорость передачи данных в EtherCAT достигает 100 Мбит/с.
Поскольку в промышленных приложениях время реакции критично, увеличение скорости передачи данных увеличивает эффективность и безопасность. К преимуществам EtherCAT перед остальными промышленными Ethernet относится и простота использования – дополнительно требуется только указатель кода стека (SSC), который можно реализовать на самом простом микроконтроллере.
Но все же не следует думать, что применение EtherCAT не потребует усилий. Камнем преткновения может послужить соблюдение требований по длительности цикла. Например, при управлении электроприводом от EtherCAT может потребоваться быстродействие вплоть до 8000 циклов в секунду; при этом длительность цикла составит 125 мкс. EtherCAT без особых проблем обеспечивает такую скорость, но от разработчика требуется написать оптимальный код, не вносящий задержку. В других случаях требуются стандартный контроллер EtherCAT, устанавливаемый на DIN-рейку рядом с объектом управления.
Решение Microchip
Компания Microchip занимается разработкой EtherCAT с 2012 г. В 2015 г. в производственной линейке появился первый EtherCAT-контроллер LAN9252. Его дебют оказался успешным и позволил получить опыт работы в этом сегменте рынка. В частности, разработчики компании увидели, что пользователям требуется простой способ соблюдения временных характеристик цикла и функции, позволяющие отслеживать фазы выполнения цикла.
Благодаря полученным отзывам, компания разработала еще две микросхемы контроллеров LAN9253 и LAN9254, которые выпустила в сентябре 2020 г. Это трехпортовые контроллеры с интегрированными Ethernet PHY и полнодуплексным приемопередатчиком 100BASE-TX с максимальной скоростью передачи данных 100 Мбит/с. Самым важным усовершенствованием в этих контроллерах является решение, упрощающее оптимизацию ПО для выдержки временных показателей цикла.
Кроме того, использование новых контроллеров заметно упрощает разработку аппаратного обеспечения и сокращает число внешних компонентов. Еще одним преимуществом новых контроллеров является отсутствие памяти EEPROM с конфигурацией хоста. Новые контроллеры используют вызов функции для считывания инструкций непосредственно от микроконтроллера хоста, не влияя на его производительность.
Использование контроллеров LAN9253 и LAN9254 упрощает построение времязадающих схем. Рассмотрим пример управления многокоординатными роботами манипуляторами. В этом случае может понадобиться до шести контроллеров EtherCAT. Каждому контроллеру прежде требовалась своя микросхема синхронизации. При использовании контроллеров LAN9253 и LAN9254 задача упрощается. Поскольку в них интегрированы аттенюаторы джиттера и повторители сигналов синхронизации, шести контроллерам требуется всего лишь одна микросхема синхронизации. Пример характерного использования контроллеров в промышленном приложении приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Пример использования контроллеров LAN9253 и LAN9254 в промышленном
К описанным функциональным возможностям новых контроллеров добавим еще введение диагностики физического уровня. Напомним, что изначально протокол EtherCAT не предусматривал такую возможность и пользователи могли судить о возникших неисправностях, например об ухудшении характеристик кабеля, только когда получали ошибки контрольной суммы CRC. В новых контроллерах предусмотрена диагностика состояния кабеля, что позволит устранить неисправность еще до того, как она станет серьезной проблемой.
Микросхема контроллера LAN9253 выпускается в корпусе QFN и совместима по выводам с предыдущим контроллером первого поколения LAN9252. Таким образом, выполнить замену и тем самым улучшить характеристики устройства можно без доработки печатной платы. ИС LAN9254 имеет 16 дополнительных линий ввода/вывода, что в ряде случаев позволяет использовать только LAN9254 и отказаться от дополнительного микроконтроллера. Поскольку область кадра и задержка распространения для каждого сетевого устройства известны, 32 линии ввода/вывода можно сопоставить с битами соответствующей области, благодаря чему сетевой узел сможет подключиться непосредственно к сети EtherCAT.
И, наконец, несколько слов о самой последней новинке Microchip. В 2021 г. компания выпустила контроллер LAN9255 с интегрированным процессорным ядром Cortex-M4F. Применение такого контроллера позволит не только удовлетворить всем требованиям стандарта EtherCAT и обеспечить максимальное быстродействие, но и использовать LAN9255 в качестве микроконтроллера приложений для управления промышленными объектами. В LAN9255 также добавлена поддержка протокола SNMP версии 3, что заметно увеличивает его функциональность, например упрощает подключение к ИТ-системам.
Выводы
Контроллеры LAN9253 и LAN9254 существенно облегчили внедрение и техническую поддержку узлов EtherCAT. Они сократили затраты времени на обслуживание и стоимость за счет меньшего числа используемых компонентов, упростили разработку ПО и добавили возможность диагностики. Новой контроллер LAN9255 устраняет необходимость в хост-микроконтроллере, управляя и EtherCAT, и прикладными задачами.
Использование программных продуктов Microchip MPLAB X Harmony Framework заметно ускоряет время вывода продукции на рынок, позволяя создавать и оптимизировать ПО не только для EtherCAT, но и для решения прикладных задач управления. Для разработки и отладки решения на базе LAN9255 компания предлагает оценочную плату EVB-LAN9255 (см. рис. 2).
Рис. 2. Оценочная плата EVB-LAN9255
MCA858