EtherCAT从站学习笔记——3.2从站控制芯片ESC介绍

3.2.1 ESC主要功能

EtherCAT从站控制芯片ESC是实现EtherCAT数据链路层协议的专用集成电路芯片。它处理EtherCAT数据帧，并为从站控制装置提供数据接口。

ESC结构如图3-2所示，主要具有以下功能：

1) 集成数据帧转发处理单元，通信性能不受从站微处理器性能限制。每个ESC最多可以提供4个数据收发端口；主站发送EtherCAT数据帧操作被ESC称为ECAT帧操作。

2) 最大64K字节的双端口存储器DPRAM存储空间，其中包括4K字节的寄存器空间和1~60K字节的用户数据区，DPRAM可以由外部微处理器使用并行或串行数据总线访问，访问DPRAM的接口称为物理设备接口PDI(Physical Device Interface)。

3) 可以不用微处理器控制，作为数字量输入/输出芯片独立运行，具有通信状态机处理功能，最多提供32位数字量输入输出。

4) 具有FMMU逻辑地址映射功能，提高数据帧利用率。

5) 由储存同步管理器通道SyncManager(SM)管理DPRAM，保证了应用数据的一致性和安全性。

6) 集成分布时钟(Distribute Clock)功能，为微处理器提供高精度的中断信号。

7) 具有EEPROM访问功能，存储ESC和应用配置参数，定义从站信息接口(SII, Slave Information Interface)。

ESC可提供2~4个数据收发端口，每个端口都可以收发以太网数据帧。数据帧在ESC内部的传输顺序是固定的，如图3-3所示。通常，数据从端口0进入ESC，然后按照端口3→端口1→端口0的顺序依次传输。如果ESC检测到某个端口没有外部连接，则自动闭合此端口，数据将自动回环并转发到下一个端口。

ESC使用两种物理层接口模式：MII和EBUS。MII是标准的以太网物理层接口，使用外部物理层芯片，一个端口的传输延时约为500ns。EBUS是使用LVDS标准定义的数据传输标准，可以直接连接ESC芯片，不需要额外的物理层芯片，从而避免了物理层的附加传输延时，一个端口的传输延时约为100ns。EBUS最大传输距离只有1 0m，适用于距离较近的I／O设备或伺服驱动器之间的连接。

3.2.2 LAN9252介绍

实现EtherCAT从站必须要有专用的从站控制器芯片，这一点与从站的复杂与否无关。从站实现方案即从站控制芯片的选择方案有两种：IP-Core方案和ASIC方案。

1) IP-Core方案

从站控制器可由EtherCAT的IP核实现，其具备可配置的特性，通过EtherCAT的IP核实现EtherCAT和从站之间的数据传输。通过配置数据传输方式，可实现不同的通信需求，满足不同特性产品的需求。

倍福公司在设计Ether CAT 的 IP 核时没有实例化FPGA资源，未依靠专用FPGA的特殊功能，也不需要做针对性的修改也因为如此IP核在FPGA的应用上具备更广泛的适用性。因此，通过配置EtherCAT的IP核实现满足不同需求的从站控制器的方案，更适用于FPGA。IP核虽然相对复杂，但其具备较高的可配置性，适用范围广，对资源环境以及FPGA的性能要求不高，覆盖性范围广。但因适应特定 FPGA 而进行的配置是具有针对性的，不能直接用在不同的FPGA上。目前，主流的FPGA设计厂商都有自己所设计的EtherCAT IP核，但是需要昂贵的授权费，不适用于中小批量场合。

2) ASIC方案

早期市面上的EtherCAT从站控制器芯片几乎都是倍福公司的，比如ET1100，ET1200等。随着EtherCAT的普及，很多厂商都推出了自己的ESC芯片，例如瑞萨的R-IN32M3-EC，TI的AM335x，Microchip的LAN9252等。我司目前主要应用LAN9252作为从站ESC芯片，其与ET1100的特性比较见表3-1。

ET1100最多支持4个MII，但是由于端口资源有限，如果用4个MII接口就用不了并行总线接口，只能用SPI串行接口。所以采用并行总线接口，LAN9252和ET1100的MII接口都只能用两个。同步管理器一般都只用到4个，SM0和SM1作为邮箱读写通道，SM2和SM3作为PDO周期性数据读写通道。

如图3-4所示为LAN9252内部功能框图，ESC包含三个MII标准以太网物理层接口，其中两个设有内部PHY。每个端口都具有自动回环和转发功能，用以收发以太网数据帧，可以灵活得构成多种拓扑结构。其他接口中的IIC接口可以挂载EEPROM，用来存储XML设备描述文件；LED接口通过灯的闪烁频率 ，可以反映当前ESC的运行状态；分布式时钟接口，可以连到EtherCAT从站微处理器MCU的中断引脚上，实现多个EtherCAT从站命令输出好采样输入的时刻同步；PDI(Parallel Data Interface)接口用来连接LAN9252与微处理器MCU通信。