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EtherCAT 从站学**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。处理EtherCAT 数据帧并为从属控制设备提供数据接口。

ESC的结构如图3-2所示，主要具有以下功能： 1）集成数据帧传输处理单元，通信性能不再局限于从微处理器的性能。每个电调最多可提供4个数据收发端口。 ESC对主站传输EtherCAT数据帧的操作称为ECAT帧操作。 2）高达64K字节的双端口存储器DPRAM存储空间（包括4K字节的寄存器空间和1至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进行访问。物理设备接口称为PDI（物理设备接口）。 3）可作为数字输入/输出芯片独立运行，无需微处理器控制，具有通信状态机处理能力，提供高达32位的数字输入/输出。 4）配备FMMU逻辑地址映射功能，提高数据帧利用率。 5) DPRAM由存储同步管理器通道SyncManager(SM)管理，保证应用数据的一致性和安全性。 6) 集成的分布式时钟功能向微处理器提供高精度的中断信号。 7) 提供EEPROM访问，存储ESC和应用配置参数，并定义从机信息接口（SII）。 ESC可提供24个数据发送和接收端口，每个端口都可以发送和接收以太网数据帧。如图3-3所示，ESC内部数据帧的传输顺序是固定的。正常情况下，数据从端口0进入电调，按照端口3端口1端口0的顺序发送。当ESC检测到某个端口没有外部连接时，自动关闭该端口，数据自动环回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是一种标准的以太网物理层接口，采用外部物理层芯片，单端口传输时延约为500ns。 EBUS是使用LVDS标准定义的数据传输标准。它可以直接与ESC芯片连接，不需要额外的物理层芯片，从而避免了物理层的额外传输延迟。一个端口的传输延迟约为100ns。 EBUS的最大传输距离仅为10米，适合连接相对较近的I/O设备或伺服驱动器。

3.2.2 LAN9252 概述实现EtherCAT 从站需要专用的从站控制器芯片，该芯片与从站的复杂程度无关。从站实现方案有两种从站控制芯片选择：IP核方案和ASIC方案。 1）IP-Core方案的从站控制器可以采用可配置功能的EtherCAT IP核来实现，通过EtherCAT IP核实现EtherCAT与从站之间的数据传输。通过设置数据传输方式，可以根据不同特性的产品需求，实现多种通信需求。 Beckhoff在设计Ether CAT IP核时，没有实例化FPGA资源，没有依赖专用FPGA的特殊功能，也不需要进行针对性的改动，具有广泛的适用性。应用。因此，配置EtherCAT的IP核来实现从控制器以满足不同需求的解决方案更适合FPGA。 IP核虽然相对复杂，但可配置性高、应用范围广、资源环境和FPGA性能要求低、覆盖面广。然而，它是为了适应特定FPGA的配置而设计的，不能直接与其他FPGA一起使用。目前，主流FPGA设计厂商都有自己设计的EtherCAT IP核，但需要较高的许可费用，并且不适合中小型应用。 2）ASIC解决方案在ASIC解决方案的早期，市场上几乎所有的EtherCAT从站控制器芯片（ET1100、ET1200等）都是由Beckhoff制造的。由于EtherCAT的普及，许多厂商都推出了自己的ESC芯片，例如Renesas的R-IN32M3-EC、TI的AM335x、Microchip的LAN9252等。目前我们主要使用LAN9252作为从电调芯片，其与ET1100相比的特性如表3-1所示。

ET1100最多支持4个MII，但由于端口资源有限，在使用4个MII接口时，不能使用并行总线接口，只能使用SPI串行接口。因此，当使用并行总线接口时，只有两个MII接口可用：LAN9252和ET1100。通常只有四个同步管理器，其中SM0和SM1用作邮箱读写通道，SM2和SM3用作PDO周期性数据读写通道。 LAN9252的内部功能框图如图3-4所示。 ESC 包含三个MII 标准以太网物理层接口，其中两个具有内部PHY。每个端口都具有自动环回和转发功能，用于发送和接收以太网数据帧，允许您灵活构建不同的拓扑。其中，IIC接口可配备EEPROM，用于存储XML设备描述文件；LED接口可通过灯光闪烁频率反映当前ESC的工作状态；分布式时钟接口可连接EtherCAT从微处理器MCU中断引脚可连接多个EtherCAT从站命令输出和采样输入的时间同步，并使用PDI（并行数据接口）接口连接LAN9252与微处理器MCU进行通信。