工控通訊不再昂貴複雜　EtherCAT走入微控制器

XMC4300能以極低成本實現EtherCAT，同時確保產品品質，以及至少可維持至2031年的長期可用性。此外，也提供免費整合式開發環境(IDE)，專為EtherCAT應 用及XMC環境量身打造。

配合工業4.0的腳步，全球數位化浪潮也襲捲到生產部門，諸如感應器和致動器的測量與控制、自我診斷和遠端診斷，以及機器之間的大量資料需求，都已形 成重大挑戰。只要和自動化工程師討論機器及現場層級的通訊，就會明白EtherCAT是無法迴避的環節。這是因為傳統的現場匯流排系統如PROFIBUS與控制區域 網路(Controller Area Network, CAN)，逐漸面臨技術上的限制，其問題出在頻寬不足。

然而，業者仍在等待即時乙太網路系統的全面普及。眾多原因之一，是由於缺少如乙太網路/IP或標準PROFINET RT的時序決定機制，或是不夠成熟，一如 PROFINET IRT的情況。 相較之下，EtherCAT自2004年起未曾變動，重要性卻絲毫未減；相反地，雖然各項功能都已獲得強化，最初生產的裝置仍在相同網路與最新產品進行通訊。此 外，EtherCAT也達到等時時序決定的最佳能力，範圍介於低三位數至兩位數奈秒(ns)。

到目前為止，EtherCAT與PROFINET及乙太網路/IP具有一項共同特性，亦即較高的採購與維護成本，而且整個產品生命週期皆是如此，一直以來缺乏必要的高 度整合電路。32位元微控制器XMC4800和XMC4300改變了這個情況，它們是第一批整合EtherCAT從屬控制器、快閃記憶體和類比/混合訊號矽智財(IP)的微控制 器，並且採用安謀國際(ARM)Cortex-M4處理器。

開發資源豐富　EtherCAT協定看俏

XMC4800的系統資源豐富，除EtherCAT通訊功能外，還可實作高效致動器技術或感測器的控制系統，因此在EtherCAT之外，兩具馬達的控制功能亦可實作； XMC4300非但不減損EtherCAT的效益，還能運作輸入輸出(I/O)模組等更簡單的致動器/感應器。XMC4800最多可支援六個CAN節點，新款XMC4300(圖1)則提供特 別實惠的雙CAN節點解決方案。

圖1　XMC4300以小型的LQFP-100封裝，提供安謀國際Cortex M4(144MHz)、EtherCAT和兩個CAN節點，以及各式各樣的周邊設備。

EtherCAT是一款乙太網路型現場匯流排系統，由Beckhoff及EtherCAT Technology Group(ETG)開發。這項開放式技術已列入IEC 61158、IEC 61784及ISO 15745-4等國際標準之中。此外，這款工業乙太網路系統不僅非常快速，也十分適合時間關鍵型的動作控制應用。常見應用包括包裝機、射出成形機、快速壓 床、電腦數值控制(CNC)加工中心機、機器人和液壓調節等。

EtherCAT從屬裝置取得所需資料，電訊報文(Telegram)則是由設備處理；同樣地，輸入資料是在處理期間插入電訊報文，而且只對報文造成數奈秒的延遲。乙 太網路框架在傳送及接收方向都會接觸眾多參與者的資料，因此可用資料比率提升到90%以上，充分發揮100BASE-TX的全雙工特性，可達到將近每秒200MB的有 效資料速率。 在非周期性通訊的協助下，將能針對參與者的組態和診斷來存取網路變數，這有賴於穩定可靠的郵件信箱通訊協定；而EtherCAT以這類郵件信箱通道為基礎， 可以決定不同的通訊規範：EtherCAT CAN應用程式通訊協定(CAN application protocol over EtherCAT, CoE)、依據IEC 61800-7-204的伺服驅動規範(SoE) 、EtherCAT乙太網路(Ethernet over EtherCAT, EoE)、EtherCAT安全協議(Safety over EtherCAT, FSoE)以及EtherCAT檔案存取(File access over EtherCAT, FoE)用於韌體更新。

在XMC4300/XMC4800微控制器中，EtherCAT IP核心的基礎是高效Beckhoff ET1100搭配八個FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)、八個SyncManager及8KB 的處理資料動態隨機存取記憶體(DRAM)；相較於其他解決方案，這可以讓所有指定的通訊協定在XMC4300和XMC4800微控制器上同時執行。

以XMC4300/XCM4800實作

相較於採用其他微控制器、現場可編程閘陣列(FPGA)或特定應用積體電路(ASIC)的傳統解決方案，使用XMC4300/XCM4800實作EtherCAT非常簡單，且仍節省空 間與成本。不需要外部驅動或石英時脈脈衝產生器等額外元件，就可以使用EtherCAT從屬控制器。

採用XMC4300/XMC4800的系統解決方案，可高度整合多種快閃記憶體與類比/混合訊號IP，比其他微控制器解決方案更能節省電路板空間和元件成本，例如ASIC 和FPGA解決方案在整合及效能方面相比之下便有所不足(圖2)。另一方面，獨立的EtherCAT從屬控制器須要外接中央處理器(CPU)，也有其相應的限制。

圖2　XMC4300和XMC4800可實現高成本效益且生產力優異的EtherCAT設計，無須使用額外的驅動、石英時脈產生器或額外的微控制器。相較於類似的解決方案，可以節省更多元件成本與電路板空間。

有了XMC4300和XMC4800等元件，整合式鎖相迴路(PLL)就能為EtherCAT IP提供所需的25MHz週期。Cortex-M4處理器以144MHz執行整合式隨機存取記憶體(RAM) 或快閃驅動的程式碼，如此可以大幅減少終端產品的物料清單(BOM)，顯著降低成本。

不過，外接驅動器仍有一項顧慮，乍看之下可能忽略：整個生命週期都難以維護產品。驅動裝置製造商的技術是針對PC及行動運算產業而進行最佳化，導致技 術節點在5年之內過時而失去經濟效益，各種元件也因此停產。這種情形並不合乎工業設施的生命週期，因為機器的使用壽命通常在15年以上。

雖然所謂的「裝配、外型、功能」計畫採用新技術來製造元件，但是外型和功能的設計仍類似於舊產品，難以避免修改產品資料表，並須重新確認合規性。而 XMC4000微控制器系列的所有元件(包括XMC4300及XMC4800元件在內)，都保證提供至少可到2031年的長期可用性，可有效因應這項問題。

整合EtherCAT/致動器/感測器

除了EtherCAT從屬控制器外，高成本效益的新型XMC4300也整合眾多周邊設備，充分涵蓋各種合適的應用(圖3)。

圖3　XMC4300方塊圖

XMC4300不僅採用前述的Cortex-M4處理器、快閃驅動搭配256KB及128KB的RAM，也著重於通訊、致動器和感測器技術；雙CAN節點執行通訊作業時大多無須CPU 互動，即使各種CAN網路以不同傳輸速率執行交換，也是透過閘道模式而無須使用CPU。在混合CAN與EtherCAT的網路中，XMC4300可針對安裝提供簡潔的解決方 案，能夠透過數位媒體轉接器(Digital Media Adapter, DMA)傳輸，有效建立從CAN至EtherCAT的閘道。

此外，通用非同步收發傳輸器(UART)、串列周邊介面(SPI)、I2C及I2S等序列介面，則可透過可程式USIC介面進行實作。通用序列匯流排(USB)及SDIO(Secure Digital Input/Output)/SD(Secure Digital)/MMC(Multi Media Card)介面可連接大型記憶體。標準的TCP/IP乙太網路介面，可供以簡易方式執行(遠端)診斷 及維護。XMC4300也具備整合式發光二極體(LED)矩陣控制系統(8×8區段)，便於驅動LED陣列。

除了通訊介面外，整合類比及混合訊號IP則是另一項重要功能。XMC4300於感測器端提供兩個12位元類比數位轉換器(ADC)。在致動器技術方面，以一個計時器 單元控制全橋，兩個計時器單元用於半橋，以及兩個12位元數位類比轉換器(DAC)。因此也可以驅動馬達，並同時執行EtherCAT通訊。

XMC4300也適合實作I/O模組(圖4)。舉例來說，如果骨幹所需頻寬大於CAN匯流排或序列通訊協定範圍，XMC4300就是理想選擇。

圖4　I/O模組搭配EtherCAT骨幹匯流排以及實體(PHY)至PHY連接

從工廠自動化出發　

傳統的EtherCAT關鍵應用是工廠自動化，除此之外，這樣技術的其他應用仍不多見，尤其是同樣對於現場匯流排即時性要求較為嚴苛的領域，如營造機械、農 業車輛及堆高機等。這並不令人意外，因為過去的EtherCAT元件無法滿足品質與可靠性的要求。例如傳統汽車製造元件需要更大的溫度範圍，最高達125℃， 且須符合AEC-Q100標準，以證明其可靠性，而XMC4300及XMC4800都能滿足以上需求。

如果需要更高效能或更多連線功能，相容XMC4000系列之中的XMC4800系列，可提供最高2MB的快閃記憶體及352KB的RAM，以及更多的周邊設備和不同封裝。 XMC4300和XMC4800在腳位及程式碼方面均為相容。XMC4300和XMC4800系列總共能夠組成二十種產品，搭配不同的周邊設備、封裝、記憶體大小及溫度範圍。這 是全方位且可擴充的產品組合，適合於應用相關的EtherCAT實作。

善用開發板/IDE　加速開發進程

英飛凌(Infineon)提供合適的開發板及軟體開發工具，能夠以XMC4300立即啟動EtherCAT節點。XMC4300 Relax EtherCAT套件(圖5)包含XMC4300微控制器外加 內建除錯器、採用標準RJ45插入接頭的EtherCAT節點(外加選用PHY至PHY連接的排針)以及採用D-Sub 9插頭的CAN節點及USB介面。

圖5　以XMC4300 Relax EtherCAT套件迅速輕鬆打造EtherCAT節點

在軟體開發方面，該公司也免費提供DAVE開發環境，以及適用於低階驅動器的程式庫與應用程式。DAVE針對EtherCAT使用了Beckhoff的從屬堆疊程式碼(Slave Stack Code, SSC)。除了此項免費開發環境外，也有知名第三方製造商針對XMC4300和XMC4800系列提供商用EtherCAT從屬堆疊。

(本文作者為英飛凌產品經理)