電感式傳感器在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域是比較常見(jiàn)的一類傳感器，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量裝置中，用于小量程位移量的精密測(cè)量。由于電感傳感器所產(chǎn)生的原始信號(hào)為電壓模擬信號(hào)，因此在電感傳感器的使用過(guò)程中，必須要匹配相應(yīng)的電感傳感器信號(hào)處理器，對(duì)電感傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作，最終將測(cè)得信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算，因此電感傳感器信號(hào)處理器是應(yīng)用電感傳感器系統(tǒng)的必備模塊。隨著中國(guó)通訊技術(shù)的快速更迭以及物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模建設(shè)，電感傳感器市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。特別是在新能源汽車、智能家居、5G通信等新興領(lǐng)域，電感傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。智研咨詢數(shù)據(jù)顯示2023年我國(guó)電感傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到135億元，同比增長(zhǎng)7.14%。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電感傳感器信號(hào)處理器大多是獨(dú)立的信號(hào)處理單元，通過(guò)傳統(tǒng)的RS232串口、USB接口等方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。這些工作模式存在數(shù)據(jù)傳輸慢和傳輸距離有限的缺點(diǎn)，且相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)處理單元接入其它測(cè)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)困難，存在擴(kuò)展性與兼容性較差的缺點(diǎn)。無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前智能檢測(cè)領(lǐng)域數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向。EtherCAT是德國(guó)倍福公司（Beckhoff）于2003年提出的一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的全雙工、幀交換式的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。EtherCAT作為一種新型工業(yè)總線技術(shù)，由于其延遲低、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于CNC數(shù)控機(jī)床、伺服驅(qū)動(dòng)器、流程行業(yè)DCS 系統(tǒng)、半導(dǎo)體設(shè)備等。選用當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域普遍應(yīng)用的EtherCAT總線技術(shù)作為接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于EtherCAT總線技術(shù)的電感信號(hào)處理器，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，且具有很好的可擴(kuò)展性和兼容性，通過(guò)網(wǎng)線傳輸可方便地接人各類EtherCAT控制及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

基于EtherCAT電感信號(hào)處理器系統(tǒng)

基于EtherCAT總線型電感傳感器信號(hào)處理器由電感信號(hào)輸人接口模塊、電感信號(hào)處理模塊、EtherCAT通信模塊等主要功能模塊組成。外部電感系統(tǒng)通過(guò)專用接口接入處理模塊，當(dāng)信號(hào)處理模塊處于工作狀態(tài)時(shí)，可以將電感傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)經(jīng)LVDT電感信號(hào)采集芯片處理得到原始電壓模擬信號(hào)后傳輸給后續(xù)處理電路，處理電路首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，過(guò)濾掉外部信號(hào)干擾，得到穩(wěn)定可靠的單端電感模擬信號(hào)，再將單端電感模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，進(jìn)一步提高信號(hào)的抗干擾性，最終經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量的電感傳感器信號(hào)，并通過(guò)SPI接口與EtherCAT總線控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最終通過(guò)EtherCAT接口將信號(hào)傳輸給后續(xù)的總線系統(tǒng)。

▲基于EtherCAT電感信號(hào)處理器方案框圖

電感信號(hào)輸入接口模塊

電感信號(hào)接口電路是外部電感傳感器與信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)接的輸入接口。采用專用LVDT(低壓可變差接變壓器)芯片作為主驅(qū)動(dòng)芯片，在工作狀態(tài)下通過(guò)可配置的激勵(lì)電路激發(fā)電感傳感器內(nèi)部的電感線圈工作，同時(shí)當(dāng)電感傳感器的內(nèi)部鐵芯偵測(cè)到外部位移變化時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化電壓信號(hào)，主驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)這部分電感信號(hào)進(jìn)行采集處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓模擬量信號(hào)，傳輸給后續(xù)處理電路向。

電感信號(hào)處理模塊

電感信號(hào)處理模塊由于經(jīng)電感信號(hào)輸人接口電路所采集的原始電壓模擬量信號(hào)強(qiáng)度較弱，且伴隨著原始信號(hào)雜波，不適于后續(xù)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸和精度處理，因此需要對(duì)原始電感信號(hào)進(jìn)行一系列信號(hào)處理，即電感信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)。按信號(hào)處理順序劃分，信號(hào)處理模塊由濾波放大電路、信號(hào)差分轉(zhuǎn)換電路和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3個(gè)模塊組成，最后轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號(hào)通過(guò)SPI串行總線傳給后續(xù)EterCAT總線主控芯片。

▲電感信號(hào)處理電路系統(tǒng)框圖

EtherCAT通信模塊

EtherCAT通信模塊是電感傳感器信號(hào)處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)EterCAT總線通信功能的核心部分。EtherCAT從站控制電路通過(guò)SPI接口從模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片獲得電感信號(hào)，然后通過(guò)EtherCAT輸入輸出網(wǎng)絡(luò)接口接人EtherCAT總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與總線控制器和其它總線設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，充分發(fā)揮EtherCAT總線系統(tǒng)配置靈活、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。電感傳感器信號(hào)處理器系統(tǒng)通信的整個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的報(bào)文處理都在從站控制器ESC內(nèi)部的硬件中完成，因此通信網(wǎng)絡(luò)的性能并不取決于從站配備的微處理器和其性能。EEPROM通過(guò)I2C與ESC相連，保存從站的描述文件和配置信息。EtherCAT從站控制微處理器作為從站系統(tǒng)控制板中的主控器件，負(fù)責(zé)處理整個(gè)從站系統(tǒng)的控制任務(wù)，如主從站之間的過(guò)程數(shù)據(jù)的通信控制、微控制器與ESC之間的數(shù)據(jù)通信及對(duì)其他部件的控制任務(wù)等。通過(guò)對(duì)從站協(xié)議控制器ESC的操作，來(lái)完成對(duì)電感傳感器等現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備的控制功能，同時(shí)對(duì)電感傳感器等設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣取得的現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)寫入到從站控制芯片ESC中并供給工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的主站設(shè)備讀取。

▲電感信號(hào)處理器EtherCAT通信控制電路結(jié)構(gòu)圖

碼靈半導(dǎo)體電感信號(hào)處理器EtherCAT通信解決方案

通信模塊的核心是從站控制器ESC，其提供的數(shù)據(jù)接口可以連接EtherCAT總線和從站應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)處理 EtherCAT 通信數(shù)據(jù)幀，是實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用集成芯片。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT 從站控制器芯片為電感信號(hào)處理器系統(tǒng)EtherCAT通信帶來(lái)高效、緊湊、高性價(jià)比的全新解決方案。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖碼靈半導(dǎo)體CF110x系列產(chǎn)品獲得德國(guó)倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過(guò)ETG官方的一致性測(cè)試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)置8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU），用于對(duì)邏輯地址操作向物理地址的位映射轉(zhuǎn)換過(guò)程。8個(gè)同步管理器（SM），用來(lái)對(duì) ESC 中的 DPRAM 進(jìn)行管理配置，用以實(shí)現(xiàn)主站和從站間的連續(xù)的可靠性通信數(shù)據(jù)交換。內(nèi)置64位分布式時(shí)鐘（DC），可實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs），以實(shí)現(xiàn)主站和從站間通訊和管理的實(shí)時(shí)同步。產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口，可選擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個(gè)電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

與市面上ET1100等EtherCAT從站控制器產(chǎn)品相比，碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片的功能更豐富，配置更加靈活，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有工作穩(wěn)定、功耗低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，支持SPI接口與前端AD芯片實(shí)現(xiàn)芯片間通信，QFN的針腳封裝便于手工焊接、小批量生產(chǎn)與維修，且可與單片機(jī)接口相連，構(gòu)成小型總線控制系統(tǒng)，整體成本和易用性的優(yōu)勢(shì)明顯。