電感式傳感器在計量檢測領域是比較常見的一類傳感器，廣泛應用于各種測量裝置中，用于小量程位移量的精密測量。由于電感傳感器所產(chǎn)生的原始信號為電壓模擬信號，因此在電感傳感器的使用過程中，必須要匹配相應的電感傳感器信號處理器，對電感傳感器的信號進行采集、處理、模數(shù)轉換等操作，最終將測得信號傳輸給計算機并進行相應的分析計算，因此電感傳感器信號處理器是應用電感傳感器系統(tǒng)的必備模塊。隨著中國通訊技術的快速更迭以及物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等相關產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模建設，電感傳感器市場需求持續(xù)增長。特別是在新能源汽車、智能家居、5G通信等新興領域，電感傳感器的應用越來越廣泛。智研咨詢數(shù)據(jù)顯示2023年我國電感傳感器市場規(guī)模達到135億元，同比增長7.14%。目前市場上常見的電感傳感器信號處理器大多是獨立的信號處理單元，通過傳統(tǒng)的RS232串口、USB接口等方式與計算機進行通信。這些工作模式存在數(shù)據(jù)傳輸慢和傳輸距離有限的缺點，且相對獨立的信號處理單元接入其它測控平臺、數(shù)據(jù)處理平臺困難，存在擴展性與兼容性較差的缺點。無法適應當前智能檢測領域數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向。EtherCAT是德國倍福公司（Beckhoff）于2003年提出的一種基于標準以太網(wǎng)技術的全雙工、幀交換式的實時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。EtherCAT作為一種新型工業(yè)總線技術，由于其延遲低、拓撲結構靈活等特點，目前已被廣泛應用于CNC數(shù)控機床、伺服驅(qū)動器、流程行業(yè)DCS 系統(tǒng)、半導體設備等。選用當前工業(yè)領域普遍應用的EtherCAT總線技術作為接口技術，實現(xiàn)基于EtherCAT總線技術的電感信號處理器，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，且具有很好的可擴展性和兼容性，通過網(wǎng)線傳輸可方便地接人各類EtherCAT控制及數(shù)據(jù)處理平臺。

基于EtherCAT電感信號處理器系統(tǒng)

基于EtherCAT總線型電感傳感器信號處理器由電感信號輸人接口模塊、電感信號處理模塊、EtherCAT通信模塊等主要功能模塊組成。外部電感系統(tǒng)通過專用接口接入處理模塊，當信號處理模塊處于工作狀態(tài)時，可以將電感傳感器信號實時經(jīng)LVDT電感信號采集芯片處理得到原始電壓模擬信號后傳輸給后續(xù)處理電路，處理電路首先對信號進行放大、濾波處理，過濾掉外部信號干擾，得到穩(wěn)定可靠的單端電感模擬信號，再將單端電感模擬信號轉換為差分信號，進一步提高信號的抗干擾性，最終經(jīng)過模數(shù)轉換得到數(shù)字量的電感傳感器信號，并通過SPI接口與EtherCAT總線控制芯片進行數(shù)據(jù)通信，最終通過EtherCAT接口將信號傳輸給后續(xù)的總線系統(tǒng)。

▲基于EtherCAT電感信號處理器方案框圖

電感信號輸入接口模塊

電感信號接口電路是外部電感傳感器與信號處理系統(tǒng)對接的輸入接口。采用專用LVDT(低壓可變差接變壓器)芯片作為主驅(qū)動芯片，在工作狀態(tài)下通過可配置的激勵電路激發(fā)電感傳感器內(nèi)部的電感線圈工作，同時當電感傳感器的內(nèi)部鐵芯偵測到外部位移變化時，將產(chǎn)生對應的變化電壓信號，主驅(qū)動芯片對這部分電感信號進行采集處理，形成標準的正弦電壓模擬量信號，傳輸給后續(xù)處理電路向。

電感信號處理模塊

電感信號處理模塊由于經(jīng)電感信號輸人接口電路所采集的原始電壓模擬量信號強度較弱，且伴隨著原始信號雜波，不適于后續(xù)信號的遠程傳輸和精度處理，因此需要對原始電感信號進行一系列信號處理，即電感信號處理模塊的設計。按信號處理順序劃分，信號處理模塊由濾波放大電路、信號差分轉換電路和AD模數(shù)轉換電路3個模塊組成，最后轉換后的數(shù)字量信號通過SPI串行總線傳給后續(xù)EterCAT總線主控芯片。

▲電感信號處理電路系統(tǒng)框圖

EtherCAT通信模塊

EtherCAT通信模塊是電感傳感器信號處理器系統(tǒng)實現(xiàn)EterCAT總線通信功能的核心部分。EtherCAT從站控制電路通過SPI接口從模數(shù)轉換芯片獲得電感信號，然后通過EtherCAT輸入輸出網(wǎng)絡接口接人EtherCAT總線系統(tǒng)，實現(xiàn)與總線控制器和其它總線設備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，充分發(fā)揮EtherCAT總線系統(tǒng)配置靈活、兼容性強的優(yōu)點。電感傳感器信號處理器系統(tǒng)通信的整個過程中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的報文處理都在從站控制器ESC內(nèi)部的硬件中完成，因此通信網(wǎng)絡的性能并不取決于從站配備的微處理器和其性能。EEPROM通過I2C與ESC相連，保存從站的描述文件和配置信息。EtherCAT從站控制微處理器作為從站系統(tǒng)控制板中的主控器件，負責處理整個從站系統(tǒng)的控制任務，如主從站之間的過程數(shù)據(jù)的通信控制、微控制器與ESC之間的數(shù)據(jù)通信及對其他部件的控制任務等。通過對從站協(xié)議控制器ESC的操作，來完成對電感傳感器等現(xiàn)場工業(yè)設備的控制功能，同時對電感傳感器等設備的實時數(shù)據(jù)進行采樣，并將采樣取得的現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)寫入到從站控制芯片ESC中并供給工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的主站設備讀取。

▲電感信號處理器EtherCAT通信控制電路結構圖

碼靈半導體電感信號處理器EtherCAT通信解決方案

通信模塊的核心是從站控制器ESC，其提供的數(shù)據(jù)接口可以連接EtherCAT總線和從站應用程序，負責處理 EtherCAT 通信數(shù)據(jù)幀，是實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用集成芯片。碼靈半導體推出的CF110x系列EtherCAT 從站控制器芯片為電感信號處理器系統(tǒng)EtherCAT通信帶來高效、緊湊、高性價比的全新解決方案。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖碼靈半導體CF110x系列產(chǎn)品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權，已通過ETG官方的一致性測試認證，符合EtherCAT通信協(xié)議標準。內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU），用于對邏輯地址操作向物理地址的位映射轉換過程。8個同步管理器（SM），用來對 ESC 中的 DPRAM 進行管理配置，用以實現(xiàn)主站和從站間的連續(xù)的可靠性通信數(shù)據(jù)交換。內(nèi)置64位分布式時鐘（DC），可實現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs），以實現(xiàn)主站和從站間通訊和管理的實時同步。產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口，可選擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

與市面上ET1100等EtherCAT從站控制器產(chǎn)品相比，碼靈半導體CF110x系列芯片的功能更豐富，配置更加靈活，經(jīng)過優(yōu)化設計，具有工作穩(wěn)定、功耗低、抗干擾性強的優(yōu)點，支持SPI接口與前端AD芯片實現(xiàn)芯片間通信，QFN的針腳封裝便于手工焊接、小批量生產(chǎn)與維修，且可與單片機接口相連，構成小型總線控制系統(tǒng)，整體成本和易用性的優(yōu)勢明顯。