前言：EtherCAT背板方案是一種插拔式設計方案，ESC（EtherCAT從站控制器）之間通過底板信號線相互連接。底板信號線為所支撐的器件提供電源和數(shù)據(jù)信號。ESC芯片多級從站之間通過LVDS（低壓差分信號）接口相連接，首端采用MII（介質獨立接口）轉LVDS接口與主站進行通信，此方案能夠實現(xiàn)更高的帶寬和更低的延遲。

1.方案概述

EtherCAT背板方案采用EtherCAT協(xié)議進行實時通信。主站（如PLC）通過背板電源數(shù)據(jù)板向從站（如I/O模塊）發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站實時讀取或寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀依次通過各個從站，每個從站僅處理自身相關數(shù)據(jù)，從而大幅減少通信延遲。

方芯半導體EtherCAT背板方案

2.方案特點

硬件設計：背板方案使用LVDS進行EtherCAT數(shù)據(jù)通信，并在板級優(yōu)化抗干擾能力。

拓撲選擇：采用線性拓撲，確保數(shù)據(jù)通信路徑最短，實現(xiàn)最小通信延遲。

同步機制：芯片內部集成分布式時鐘功能，確保多設備時間一致性。

診斷功能：集成鏈路監(jiān)測、錯誤計數(shù)器等功能，便于快速故障定位。

熱插拔功能：耦合器模塊網絡端口支持帶電插拔，避免影響其他系統(tǒng)功能模塊。

3.背板方案模塊說明

3.1 FCE1100耦合器模塊

（1）FCE1100_KSZ8721_2MII_LVDS開發(fā)板

FCE1100_KSZ8721_2MII_LVDS模塊

基于EtherCAT從站控制芯片FCE1100制作的工業(yè)以太網開發(fā)板。開發(fā)板設計了外掛EEPROM芯片，用于XML文件配置的寫入與存儲。選用KSZ8721BLI芯片作為以太網收發(fā)器。FCE1100配置了兩個MII接口和一個LVDS接口，LVDS通信通過金手指與底板插槽連接，與后級ESC從站模塊進行EtherCAT通信。開發(fā)板電源支持5V和3.3V兩種供電規(guī)格，與底板適配。與主站接口選用最常見的RJ45網卡接口，方便用戶快速靈活地應用在各種工業(yè)自動化場景中。

FCE1100：對標倍福ET1100國產EtherCAT從站芯片絕對優(yōu)勢？

（2） FCE1200_KSZ8721_MII0_LVDS1開發(fā)板

FCE1200_KSZ8721_MII0_LVDS1模塊

基于EtherCAT從站控制芯片F(xiàn)CE1200制作的工業(yè)以太網開發(fā)板。開發(fā)板設計了外掛EEPROM芯片，用于XML文件配置的寫入與存儲。選用KSZ8721BLI芯片作為以太網收發(fā)器。FCE1200配置了一個MII接口和一個LVDS接口，LVDS通過金手指與底板插槽連接，與后級模塊進行EtherCAT通信。電源支持5V和3.3V兩種供電規(guī)格，與底板適配。與主站接口選用最常見的RJ45網卡接口，方便用戶快速靈活地應用在各種工業(yè)自動化場景中。

3.2 級聯(lián)模塊

（1）FCE1200_LVDS開發(fā)板

FCE1200_LVDS模塊

模塊集成了EtherCAT從站控制芯片F(xiàn)CE1200。開發(fā)板外掛一顆EEPROM芯片，用于存儲描述信息和初始化配置FCE1200芯片，EEPROM通過I2C接口與FCE1200通信。FCE1200使用LVDS與前級和后級ESC模塊進行通信，在此開發(fā)板上LVDS通過金手指與底板插槽連接，實現(xiàn)從站級聯(lián)拓撲。同時在金手指端設計了5V和3.3V兩種供電方式，使客戶端可以實現(xiàn)不同的電源場景測試。

（2）FCE1302_LVDS_STM32F103開發(fā)板

FCE1302_LVDS_STM32F103模塊

模塊集成了EtherCAT從站控制芯片F(xiàn)CE1302和微控制單元STM32F103。開發(fā)板外掛一顆EEPROM芯片，用于存儲描述信息和初始化配置FCE1302芯片，EEPROM通過I2C接口與FCE1302通信。FCE1302通過SPI接口與微控制器STM32F103RCT6建立連接，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達20M，開發(fā)板上預留了JTAG接口用于STM32F103RCT6的程序燒錄。

EtherCAT插片式I/O性價比不錯的一款方案—FCE1302 插片式I/O介紹

FCE1302包含兩個通信端口，分別命名為端口0和端口1，兩個端口均使用LVDS與前級和后級ESC模塊進行通信，在此開發(fā)板上LVDS通過金手指與底板插槽連接，實現(xiàn)從站級聯(lián)拓撲。同時在金手指端設計了5V和3.3V兩種供電方式，使客戶端可以實現(xiàn)不同的電源場景測試。

3.3 通信底板

EtherCAT背板通訊底板模塊

背板方案通信底板是一種承載多個模塊（如I/O、耦合器）的物理基板，提供電源和通信通道，設計可搭載5臺從站設備并支持板級級聯(lián)。電源模塊通過左上角插槽為底板提供5V和3.3V兩種供電規(guī)格，并設有相關指示燈。通過跳線帽可對“電源A”和“電源B”進行配置，“電源A”可選擇5V或3.3V輸入，“電源B”可選擇3.3V或懸空。各種靈活的供電方式使客戶端可以實現(xiàn)不同的電源場景測試。

4.核心優(yōu)勢

超高實時性：EtherCAT背板方案具備極高的實時性能，能夠實現(xiàn)設備間的高精度協(xié)同控制與實時通信。

簡化布線：背板集成電源和通信線路，無需復雜外部電纜，減少故障點，提升可靠性。

靈活擴展：模塊化設計上，耦合器端預留擴展網口用于熱插拔，可動態(tài)增減從站設備（主站端需添加設備），適應產線快速調整。

兼容性：支持多種拓撲（星型、線型、樹型），并可與其他以太網協(xié)議共存。

EtherCAT背板方案通過模塊化背板架構，在工業(yè)自動化領域實現(xiàn)了高速、高精度、易擴展的通信需求。其低延遲、高同步性特點尤其適合復雜控制系統(tǒng)，同時降低布線成本和維護難度，是未來智能工廠的核心技術之一。

審核編輯 黃宇