这两年工业控制领域会经常听到“EtherCAT”这个词语，它是Ethernet for Control Automation Technology的缩写，也就是专门针对工业控制自动化的需求（比如更低的延迟、更便宜的硬件成本，以及更便于布线等等）而量身打造的通信协议。
这几年EtherCAT的发展速度非常快，据ETG最新的数据，除模块化I/O设备外，ETG估计全球EtherCAT节点数量为5910万个，近期增长尤为明显。自2014年以来，EtherCAT节点数量增长呈指数级增长，仅2022年就增加了1840万个节点。它在整个工业网络市场中的占比也在逐年快速提升，根据HMS Networks的统计，在2019年时，EtherCAT在整个工业网络中的占比为7%，到2022年，已经增长至12%。
01 EtherCAT为何会成为工业市场的宠儿？
EtherCAT技术是德国的倍福自动化（Beckhoff）开发，处于EtherCAT技术协会（ETG）框架之下，是一项开放但不开源的技术，任何相关设备的开发，都需要向其获取相关授权。
这就意味着每一个人都可以使用、实施，并获利于该技术，还意味着EtherCAT实施应该是兼容的，任何人不应为防止他人使用而改变这种技术。其实，EtherCAT是国际标准(IEC61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)。
一般来说，一个EtherCAT网络，由一个主站（Master）与多个从站（Slave）所组成，就如同上面的架构图所示，一个网络中只能有一个主站，由这个主站负责跟所有的从站沟通，不同于传统的通信协议，比如Modbus/TCP是属于一问一答的方式，会造成网络数据包的增加，数据延迟也较长，这就像是传统的小吃摊面店一样，老板跑进跑出又要煮菜又要端菜，效率很低。
EtherCAT是一个环状的网络，类似回转寿司的概念。 EtherCAT主站发送一个报文，报文经过所有节点。 EtherCAT从站设备高速动态地（on the fly）读取寻址到该节点的数据，并在数据帧继续传输的同时插入数据。 这样数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时。 当某一网段，或者分支上的最后一个节点检测到开放端口（无下一个从站）时，利用以太网技术的全双工特性，将报文返回给主站。 EtherCAT 报文的最大有效数据利用率达 90% 以上，而由于采用全双工特性，有效数据利用率理论上高于 100 MBit/s。
EtherCAT 主站是网段内唯一能够主动发送 EtherCAT 数据帧的节点，其他节点仅传送数据帧。这一设想是为了避免不可预知的延时，从而保证 EtherCAT 的实时性能。由于主站采用标准的以太网介质访问控制器（MAC），无需额外的通信处理器。因此，任何集成了以太网接口的硬件平台都可以实现 EtherCAT 主站，而与所使用的实时操作系统或应用软件无关。
EtherCAT 从站设备采用 EtherCAT 从站控制器（ESC）在硬件中高速动态地（on the fly）处理 EtherCAT 数据帧，不仅使网络性能可预测，而且其性能独立于具体的从站设备实施方式。
那么，如何获得授权呢？ETG的解释是对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的样本）：其授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此ESC供应商需要一个许可，而设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。这个授权一般都需要从EtherCAT的专利方Beckhoff获得。
就目前来看，获得Beckhoff授权的厂商并不多，而且大部分都是海外半导体厂商。不过近几年，随着国内EtherCAT市场的增长，情况开始有所改善。下面我们来看看市场上主要有哪些国产EtherCAT从站解决方案。
02 EtherCAT从站解决方案
EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片（ESC）。ESC可以是ASIC、FPGA，或集成有该协议标准的微控制器。对于简单的EtherCAT从站设备，甚至无需额外的微控制器，其输入输出可直接与ESC连接。对于比较复杂的从站设备，微控制器性能会略微影响其通信性能，多数情况下，一个8位的微控制器就足够了。
授权则需要从EtherCAT的专利方Beckhoff获得。目前EtherCAT的从站控制器实施可以从亚信电子、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、ADI（收购了Trinamics）、瑞萨电子、Intel以及 AMD（收购了Xilinx）获取。
任何一个EtherCAT从站，无论是IO模块，还是伺服电机，都需要ESC来实现EtherCAT通信。一般来说，ESC可分为以下几种：
一是ASIC芯片形式的ESC ：开发1个从站就需要购买1个ESC，50个从站就需要50个ESC。比如Beckhoff的ET1100、ET1200；Hilscher的netX500、netX51、netX52、netX100；ADI的TMC8462；HMS的Anybus NP40等等。
采用此类ESC开发EtherCAT从站的一般形式是一个微控制器配合一个ESC，再加上外接的PHY等器件完成。有些ESC，比如ET1100在没有微控制器作为主控的情况下也可以作为一个简单的EtherCAT从站，但只能实现最基础的IO点功能。
这类的ESC一般是BGA或QFN封装，连接微控制器的PDI接口一般是串口或并口方式，比如SP、I2C、UART等，其中SPI最为常见。每一种ESC的SM通道一般都不少于4个，因为4个SM通道能够满足80%以上的应用了。每一种ESC都带有2个或2个以上的MII接口（介质独立接口），用于与物理层的PHY进行数据通信。有的ESC如ET1100附带其独有的E-BUS接口，其作用与MII接口相同，E-BUS属于LVDS形态的以太网数据传输方式，可开发成背板总线形式的EtherCAT通信接口，而非普通网络接口，从而节省网络变压器，RJ45接口和线缆等。
这种开发方式最为普遍，开发难度相对较低，但后期的生产成本相对较高，且性能方面不如FPGA+IP Core形式的从站。
二是IP Core形式的ESC ，此类ESC以IP Core的形式存在，开发任何数量的从站，都只需要开发者购买过一次IP Core即可。如Beckhoff的ET1810/1811/1812（for Altera FPGA）和ET1851/1816/1817（for Xilinx FPGA）。
采用这类ESC开发EtherCAT从站属于FPGA方案，即FPGA+IP Core。FPGA方案主要又可分为两种，一种是FPGA同时实现微处理器（软核）+ESC（IP Core）的功能，另一种是FPGA只实现ESC的功能，再通过PDI接口连接到外部的微处理器主控。
IP Core形式的ESC最主要的特点在于SM通道，FMMU通道，分布时钟DC等都是可配置的，而芯片形式都是固定不可配的，这意味着开发者可以最大程度地优化整个方案的资源分配。同时，FPGA不仅可使用MII接口与PHY通信，而且可采用其独有的RMII接口（精简介质独立接口）与PHY通信。
这种开发方式的开发难度相对较高，但后期的生产成本低，且性能强大，灵活性高。
三是集成了PHY的ESC解决方案 ，比如亚信电子的AX58100、AX58200与AX58400；Microchip的LAN9252、LAN9253、LAN9254。
四是主控集成了ESC ，性能优势更高。比如英飞凌的XMC4300、XMC4800；瑞萨电子的RZ/N2L、RZ/T2M、RX72M等。
这几年国内EtherCAT芯片技术也是发展迅速，前几年，国产ESC芯片基本很少见，现在也逐渐出现了一些国产芯片的EtherCAT从站芯片与解决方案。接下来我们看看基于国产芯片的EtherCAT从站解决方案。
| 亚信电子AX58X00系列EtherCAT从站解决方案
2018年，亚信电子（ASIX Electronics Corporation）推出了第一代大中华地区的EtherCAT从站控制器芯片AX58100，2019年推出新一代小封装的AX58200 2/3端口EtherCAT从站专用通信SoC后，2021年该公司再度推出配备Arm Cortex-M系列高效能双核微控制器的EtherCAT从站控制器芯片AX58400。
其中，AX58100是一款2/3端口EtherCAT从站控制器，整合两个百兆以太网PHY，并支持一些额外的控制接口，例如32个数位控制I/O、脉冲宽度调变（PWM）、增量（ABZ）/霍尔编码器、SPI Master等，让客户可以不需要额外微控制器，就能轻松地将AX58100设计在各种EtherCAT现场总线产品应用中。AX58100同时支持Local Bus与SPI Slave过程数据接口（PDI），连接到传统现场总线产品的微控制器，就可以轻松地支持EtherCAT从站功能。
AX58200是一款2/3端口EtherCAT从站专用通信SoC，以Arm Cortex-M4F微控制器为核心，内置的EtherCAT从站控制器，整合两个百兆以太网PHY，并支持含RMII接口与硬件加密引擎的10/100 Mbps百兆以太网MAC、高速USB OTG与SPI/UART/I2C/I2S/CAN/PWM等各种通信接口。这些方案可适用于各种实时工业自动化控制产品相关应用，如马达/运动控制、数位I/O控制、传感器数据采集、机器人转轴控制、EtherCAT转IO-Link主站网关与EtherCAT Junction从站模块等。
AX58400则是一款2/3端口EtherCAT从站双核微控制器，采用基于意法半导体STM32H755微控制器的系统级封装（SiP）。配备Arm Cortex-M系列中的480MHz Arm Cortex-M7内核，与可并行运作的240MHz Arm Cortex-M4内核；内建大容量的2MB双区块（Dual Bank）闪存与1MB SRAM。具备AES/TDES/HASH/HMAC硬件加密引擎，与ROP/PCROP/Anti-tamper信息安全硬件技术，并支持丰富的通信控制介面，如支持MII/RMII的10/100 Mbps百兆以太网MAC、高速USB 2.0 OTG、LCD-TFT显示控制器、DCMI数字摄像头介面、JPEG硬件编解码器等。
AX58400 EtherCAT从站控制器（ESC），配备9 KB RAM、8个现场总线存储器管理单元（FMMUs）、8个同步管理器与64位元分布式时钟，并集成两个可同时支持光纤和铜线网络应用的百兆以太网PHY，可与所有支持标准EtherCAT通信协定（如CoE/FoE/VoE等）的系统相互连结运作。可适用于各种实时工业自动化控制产品应用，如马达/运动控制、数字信号I/O控制、传感器数据采集、机器人转轴控制、EtherCAT转IO-Link主站网关、EtherCAT转Modbus TCP网关、EtherCAT Junction从站模块等。
| 川土微电子EtherCAT从站控制器
川土微电子在2021年年底，推出了CA-IF1100 EtherCAT从站控制器用于支持EtherCAT通信，实现EtherCAT现场总线与从站设备之间的连通。该器件通过其三个数据接口：数字I/O、SPI和16位微控制器，无需额外的微控制器即可实现一个简单的数字模块。
该芯片具有64位分布式时钟，可实现EtherCAT从站之间的精确同步(<100ns)。该器件作为通用解决方案适用于任何类型的EtherCAT设备，最多可支持四个EtherCAT端口。
根据公开资料，该芯片具有3个现场总线存储器管理单元(FMMU)、4个同步管理器(SyncManager)、8KB过程存储器RAM与用户存储器RAM、供电电源可选择1路电源供电、采用了10mm x 10mm 128引脚BGA封装。
| 基于FPGA芯片的EtherCAT从站方案
为了满足广大工业控制用户应用需求，紫光同创联合卓电科技共同推出了基于紫光同创FPGA芯片的EtherCAT从站方案。
据悉，基于紫光同创FPGA芯片+MCU实现EtherCAT从站，FPGA芯片可通过网口与主站连接实现协议接收分发，Ebus接口预留从站短距离互联。此外，FPGA芯片还可以通过控制模块和内部EtherCAT通信，并通过FSMC接口实现与MCU的数据通信。相对于传统ASIC从站方案，FPGA芯片可控性更加广泛。
该方案优势是优势是EtherCAT从站IP仅占用资源10k左右，FPGA芯片剩余资源可作它用，相比传统ASIC方案更具价格优势，而且相比传统ASIC从站，IO扩展更加灵活，根据选择不同封装FPGA可获得更多IO使用。此外，硬件布局布线上更加灵活，传统方案需要ASIC+FPGA，该方案只需一块FPGA芯片，节省板卡空间和布局布线。
其实，除了前面提到的案例，国内也有不少初创企业加入到了EtherCAT从站控制器芯片的开发当中，比如在今年中电港举办的第五届中国芯应用创新设计大赛决赛中，北京六岳微电子科技有限责任公司就带来了其对标AX58100从站控制器芯片的产品E101及其在步进电机同步控制系统中的应用。不过，该公司的芯片还处于小批量试产阶段，目前还没有量产。
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