隨著全球經(jīng)濟(jì)數(shù)字化的加速推進(jìn)，各行各業(yè)對(duì)芯片的需求顯著增長(zhǎng)。自2021年起，由于疫情的影響以及地緣政治因素（例如美國(guó)對(duì)中芯國(guó)際的制裁），全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)能利用率有所下降，部分廠商被迫停工，這導(dǎo)致了工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)芯片的有效供給減少。加之中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)面臨人才短缺的問題，特別是在工控領(lǐng)域，芯片人才尤為稀缺，工業(yè)領(lǐng)域芯片在很大程度上依賴于國(guó)外供應(yīng)。在這樣的大環(huán)境下，方芯半導(dǎo)體專注于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的芯片研發(fā)，針對(duì)EtherCAT這一高速工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，方芯半導(dǎo)體其研發(fā)的一系列高性能ASIC芯片產(chǎn)品對(duì)標(biāo)倍福，打破其在國(guó)內(nèi)壟斷情況，這是值得高興的事情。據(jù)可靠消息到2023年，方芯半導(dǎo)體的EtherCAT從站控制器芯片出貨量已超過一百萬，成為國(guó)內(nèi)首家突破技術(shù)封鎖、擁有自主研發(fā)IP核心并能完全pin to pin對(duì)標(biāo)倍福產(chǎn)品的芯片設(shè)計(jì)公司，這也標(biāo)志著其在中國(guó)在工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域EtherCAT從站控制芯片研發(fā)方面邁出了重要的一步。

在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議領(lǐng)域三大主流的PROFINET、EtherNet/IP與EtherCAT的市場(chǎng)占有率分別占據(jù)顯著位置，依次為23%、21%與16%。相較之下，西門子公司所推崇的PROFINET工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，雖然借其強(qiáng)大的兼容性實(shí)時(shí)通信能力及廣泛的神態(tài)系統(tǒng)占據(jù)著最大的市場(chǎng)份額，也在工業(yè)界贏得了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，但這種全面性與強(qiáng)大性也帶來了配置與設(shè)置過程可能相對(duì)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，尤其是在追求極致性能與啟用高級(jí)功能時(shí)，對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)能力提出了更高要求。另一方面，羅克韋爾自動(dòng)化公司的EtherNet/IP協(xié)議，由于基于TCP/IP協(xié)議的設(shè)計(jì)使其能夠無縫融入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性與擴(kuò)展流程，然而，在面對(duì)實(shí)時(shí)性能要求極高的實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，EtherNet/IP或許略顯遜色。

圖片數(shù)據(jù)來源：HMS Networks,2024

EtherCAT從站控制器核心概念與ASIC芯片在從站控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原因

EtherCAT從站控制器（ESC）作為EtherCAT系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，是EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中基于硬件芯片實(shí)現(xiàn)的功能單元。這些芯片類型多樣，包括專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、微處理器及微控制器等。ESC負(fù)責(zé)處理包括周期性和非周期性數(shù)據(jù)在內(nèi)的讀寫操作，以及執(zhí)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線所需的后臺(tái)任務(wù)。雖然EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制器的運(yùn)行不依賴于特定硬件，但現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備層采用ESC芯片卻能提升應(yīng)用的性能。在EtherCAT的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中集成ASIC，實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)別的處理。這確保了網(wǎng)絡(luò)性能不會(huì)受到設(shè)備微控制器性能或其處理復(fù)雜軟件堆棧能力的限制。實(shí)時(shí)協(xié)議處理被直接集成到芯片中，從而取消了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接的管理需求。

在EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采用ASIC芯片，實(shí)現(xiàn)了在硬件層面直接處理EtherCAT協(xié)議相關(guān)任務(wù)的能力。這一設(shè)計(jì)使得網(wǎng)絡(luò)性能不再受限于設(shè)備內(nèi)微控制器的性能及其運(yùn)行復(fù)雜軟件堆棧的能力。通過將實(shí)時(shí)協(xié)議處理功能嵌入ASIC芯片，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無需管理復(fù)雜的以太網(wǎng)連接，從而實(shí)現(xiàn)了EtherCAT系統(tǒng)每30微秒更新1000個(gè)分布式輸入/輸出（I/O）點(diǎn)的高效率。在ESC中定義的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換”機(jī)制，通過簡(jiǎn)單的設(shè)備配置即可激活，并利用協(xié)議及特定芯片內(nèi)置的固有機(jī)制進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸。ESC在運(yùn)行過程中無需依賴IP堆棧，這與傳統(tǒng)的基于IP的以太網(wǎng)技術(shù)形成鮮明對(duì)比。在EtherCAT系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無需具備處理復(fù)雜IP以太網(wǎng)通信的能力，從而降低了處理器成本、空間占用、發(fā)熱量及功耗，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性。EtherCAT利用以太網(wǎng)的物理層特性，而無需在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)完整的七層開放系統(tǒng)互連（OSI）模型以太網(wǎng)堆棧。這一簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)不僅便于設(shè)備制造商的開發(fā)和EtherCAT系統(tǒng)的應(yīng)用，還強(qiáng)調(diào)了EtherCAT并非基于IP的協(xié)議特性。EtherCAT作為一種使用標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線，其配置和供電過程相對(duì)簡(jiǎn)單，無需對(duì)完整的以太網(wǎng)實(shí)施進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。此外，由于EtherCAT芯片供應(yīng)商提供的ESC在功能上具有高度的相似性，與其他基于以太網(wǎng)的技術(shù)相比，設(shè)備開發(fā)人員和系統(tǒng)用戶將享受到更為簡(jiǎn)化的編程過程。EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能大多內(nèi)置于硬件之中，用戶僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可使用。由于系統(tǒng)性能不再受到未知時(shí)序行為軟件堆棧的影響，因此其性能表現(xiàn)更為可預(yù)測(cè)和穩(wěn)定。

ESC提供的通用接口使得開發(fā)人員和用戶能夠以統(tǒng)一的方式利用EtherCAT設(shè)備，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的集成和維護(hù)工作。同時(shí)，由于所有EtherCAT設(shè)備均支持相同的診斷技術(shù)，這也極大地便利了系統(tǒng)的故障診斷過程。EtherCAT協(xié)議的單一版本特性確保了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配置的一致性和穩(wěn)定性，避免了因版本更新而帶來的潛在問題。此外，EtherCAT協(xié)議和ESC的運(yùn)行機(jī)制還支持新設(shè)備的無縫添加，無需擔(dān)心對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)造成不利影響。

使用FPGA或MCU作為從站控制芯片，對(duì)于一些基礎(chǔ)的從站設(shè)備而言，其成本依舊偏高。因此，選擇采用ASIC方案來實(shí)現(xiàn)EtherCAT，這將使得從站設(shè)備的連接成本降低。此外，以太網(wǎng)控制器并非為現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它們要求處理器功能強(qiáng)大。而為提取和傳遞過程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的EtherCAT ASIC，意味著對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)備而言，無需微處理器。通過相關(guān)耦合器提供的數(shù)字接口可直接連接至數(shù)字I/O。再有ASIC芯片，作為專用集成電路，在處理EtherCAT協(xié)議時(shí)能提供更高的性能和效率，ASIC芯片能完全處理EtherCAT幀，不受主機(jī)控制器性能的限制，從而提升通信效率。ASIC芯片通常具有較低的功耗特性，這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的工業(yè)應(yīng)用而言是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。低功耗設(shè)計(jì)有助于減少能源消耗并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。同時(shí)ASIC芯片能集成更多外設(shè)和功能模塊，這使得從站設(shè)備能實(shí)現(xiàn)更高的外設(shè)集成度和更復(fù)雜的控制功能。ASIC芯片由于是為特定應(yīng)用定制的，因此在長(zhǎng)期使用中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和可靠性。相比之下，盡管FPGA具有靈活性，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中可能會(huì)遇到配置丟失或更新的問題。另外ASIC芯片由于是專用設(shè)計(jì)，因此體積較小，可減少板卡空間適合于空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景。

方芯半導(dǎo)體推出的FCE1X00芯片系列

倍福公司推出的ASIC專用芯片包括ET1100等系列，這些芯片因其與EtherCAT技術(shù)的緊密聯(lián)系而受到眾多廠商的青睞。由于EtherCAT技術(shù)由倍福首創(chuàng)，并且其主站軟件TwinCAT同樣出自倍福，因此這些芯片在兼容性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但倍福芯片的高昂價(jià)格和較長(zhǎng)的供貨周期，使得許多廠商在國(guó)內(nèi)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中尋求成本效益更高的解決方案，以尋找國(guó)產(chǎn)替代品。方芯的FCE1100擁有自主研發(fā)的IP核心，并實(shí)現(xiàn)了與倍福芯片完全的pin to pin兼容性。正如文章開頭所述，如果僅方芯的FCE1100出貨量2023年可以達(dá)到100萬，也充分證明了其在市場(chǎng)上的成功和可靠性。

FCE1100封裝圖 倍福ET1100 VS 方芯FCE1100

倍福的ET1100芯片其EtherCAT從站控制器芯片ESC負(fù)責(zé)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并利用其雙端口存儲(chǔ)空間，該空間包含4KB的寄存器和69KB的過程數(shù)據(jù)空間，以實(shí)現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交換。方芯公司推出的FCE1100芯片是專為EtherCAT從站控制器設(shè)計(jì)的。此芯片支持最多4個(gè)數(shù)據(jù)傳輸端口，每個(gè)端口均可獨(dú)立開啟或關(guān)閉。FCE1100芯片內(nèi)建有8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線管理單元、8個(gè)同步管理單元、4K的控制寄存器、8K的過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及64位的分布式時(shí)鐘。該芯片能夠直接作為32位數(shù)字輸入輸出站點(diǎn)使用，或者通過過程數(shù)據(jù)接口與微處理器連接，形成具備復(fù)雜功能的從站設(shè)備。

在FCE1100芯片中，某些引腳具備雙重功能，它們既可作為普通引腳使用，也可在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)充當(dāng)配置引腳。在從站設(shè)備通電啟動(dòng)的瞬間，F(xiàn)CE1100會(huì)根據(jù)這些引腳的電平狀態(tài)來存儲(chǔ)配置信息。一旦配置信息被鎖存，這些引腳便可以轉(zhuǎn)作他用，并且其信號(hào)方向也可以相應(yīng)地調(diào)整。配置這些引腳的方法是通過連接外部的上拉或下拉電阻來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)連接外部上拉電阻時(shí)，引腳被配置為邏輯高電平（1）；而連接下拉電阻時(shí)，則被配置為邏輯低電平（0）。在配置階段完成后，部分配置引腳可能會(huì)被重新定義為狀態(tài)輸出引腳，用于連接LED指示燈。在這種情況下，如果引腳被配置為邏輯高電平（1），則當(dāng)引腳輸出低電平時(shí)LED燈會(huì)亮起；反之，如果引腳被配置為邏輯低電平（0），則當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)LED燈會(huì)亮起。FCE1100的引腳配置詳情如下表。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，芯片的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。FCE1100系列芯片的推出，不僅為國(guó)內(nèi)廠商提供了性價(jià)比更高的選擇，還推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。為了進(jìn)一步滿足市場(chǎng)需求，方芯半導(dǎo)體現(xiàn)已推出FCE1353/1354的產(chǎn)品對(duì)標(biāo)MicroChip的LAN9252/9253/9254系列芯片，芯片了集成以太網(wǎng)兩個(gè)電流型PHY，增加了在方案設(shè)計(jì)中接口速度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活性和功耗管理等方面的優(yōu)勢(shì)。小編在了解細(xì)節(jié)后，在和大家分享。

審核編輯 黃宇