i.MX RT1180是恩智浦最近推出的一款高性能跨界處理器，其中包含了300MHz的Arm Cortex-M33核以及800MHz的Arm Cortex-M7核，集成了多種網(wǎng)絡(luò)功能如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 交換機(jī)、EtherCAT SubDevice控制器等。同時(shí)，芯片內(nèi)部集成了先進(jìn)的電源管理模塊，便于降低復(fù)雜的外部電源設(shè)計(jì)，并且還提供了多種外部存儲接口和豐富的外設(shè)。

工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)將以太網(wǎng)技術(shù)延伸至工業(yè)控制場景，主要應(yīng)用于工廠自動化、過程自動化、智能倉儲與物流、能量管理等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：

更高帶寬的傳輸速度，更好的兼容性

工業(yè)以太網(wǎng)傳輸速率可達(dá)100Mbps至10Gbps，支持大帶寬數(shù)據(jù)傳輸，且兼容IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，易于與云端、ERP系統(tǒng)對接；而傳統(tǒng)工業(yè)總線傳輸速率較低 (通?！?Mbps)，協(xié)議封閉，跨系統(tǒng)集成困難。

支持遠(yuǎn)距離傳輸與強(qiáng)拓展性

以太網(wǎng)通過交換機(jī)可擴(kuò)展傳輸距離 (單段超100米)，支持大規(guī)模組網(wǎng)。

高實(shí)時(shí)性

工業(yè)以太網(wǎng)通過實(shí)時(shí)協(xié)議 (如EtherCAT、Profinet) 解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)的傳輸延遲問題，實(shí)時(shí)性接近傳統(tǒng)總線，同時(shí)支持多設(shè)備并發(fā)通信。

低維護(hù)成本

以太網(wǎng)硬件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，且維護(hù)方便 (持熱插拔、遠(yuǎn)程診斷)，傳統(tǒng)總線設(shè)備專用性強(qiáng)，硬件與協(xié)議定制成本高，升級維護(hù)復(fù)雜。

更強(qiáng)的靈活性與開放性

工業(yè)以太網(wǎng)支持IP協(xié)議，可直接接入互聯(lián)網(wǎng)，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 融合；傳統(tǒng)總線協(xié)議封閉，需網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換才能與外部網(wǎng)絡(luò)通信，難以適應(yīng)智能化升級需求。

迄今為止，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線新接入節(jié)點(diǎn)達(dá)到76%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線，是未來現(xiàn)場總線的趨勢。

基于i.MX RT1180的EtherCAT+伺服控制

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)，即“以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)”，是由德國Beckhoff公司研發(fā)的一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開放架構(gòu)。它突破傳統(tǒng)以太網(wǎng)局限，數(shù)據(jù)幀經(jīng)各節(jié)點(diǎn)時(shí)，能高速動態(tài)讀寫數(shù)據(jù)并插入新數(shù)據(jù)，帶寬利用率超90%。

EtherCAT幾乎支持所有拓?fù)?，周期時(shí)間短、同步精度高，從站處理器無需處理以太網(wǎng)封包，所有程序資料由從站控制器硬件處理，能滿足工業(yè)自動化短數(shù)據(jù)更新時(shí)間、低通訊抖動和低成本硬件的要求，在機(jī)器控制、測量系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

目前i.MX RT1180基于內(nèi)置的EtherCAT subdevice controller已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了EtherCAT的EOE, COE, FOE等功能。

內(nèi)置EtherCAT subdevice controller，相比于常規(guī)的外置控制器，擁有更低的成本，更高的PDI傳輸速度。恩智浦基于片內(nèi)EtherCAT控制器設(shè)計(jì)了基于單顆i.MX RT1180芯片的EtherCAT+伺服電機(jī)控制方案，并通過一臺滑臺絲桿的齒輪對接，對該方案的性能進(jìn)行了展示。

該方案主站既可以利用TwinCAT實(shí)現(xiàn)，也可以使用SOEM進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這里，選取了SOEM作為主站，其同步周期為250μs。從站節(jié)點(diǎn)基于CiA402協(xié)議完成數(shù)據(jù)處理，參考設(shè)計(jì)共有兩個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制兩個(gè)電機(jī)，所有節(jié)點(diǎn)均運(yùn)行在csp模式，單片i.MX RT1180最多可以支持四電機(jī)加現(xiàn)場總線方案。

基于單片i.MX RT1180芯片的EtherCAT+伺服電機(jī)控制方案框圖

下圖給出了具體從站節(jié)點(diǎn)的方案圖，主要分為兩個(gè)部分：

EtherCAT通訊總線負(fù)責(zé)收發(fā)主設(shè)備的電機(jī)指令及反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)。該部分由Cortex-M33核、片內(nèi) EtherCAT 子設(shè)備控制器和外部PHY芯片協(xié)同實(shí)現(xiàn)。PHY芯片通過 RMII接口連接子設(shè)備控制器，將RJ45的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，再與Cortex-M33核一起完成協(xié)議棧處理。

電機(jī)控制部分，該部分由M7核完成，M7擁有更高的主頻，更高的算力，因此將用于實(shí)時(shí)性要求更高的電機(jī)控制應(yīng)用。

i.MX RT1180非常適合工業(yè)通信應(yīng)用， 了解該高性能跨界處理器更多詳情，請瀏覽產(chǎn)品官網(wǎng)>>

i.MX RT1180從站節(jié)點(diǎn)方案框圖

具備多種以太網(wǎng)方案

i.MX RT1180除了能夠支持EtherCAT現(xiàn)場總線外，還支持SN、Profinet等幾乎所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

i.MX RT1180支持多種以太網(wǎng)方案

支持多種編碼器接口協(xié)議

工業(yè)自動化對電機(jī)的控制精度要求十分嚴(yán)格，不同的應(yīng)用場景需要應(yīng)用不同的編碼器規(guī)格，不同的編碼器都需要對應(yīng)的一套編碼器解碼外設(shè)，而i.MX RT1180可以通過靈活的FLEXIO外設(shè)模擬各種各樣的編碼器接口，僅僅需要四個(gè)引腳即可模擬市面上絕大部分的編碼器協(xié)議，能夠方便客戶節(jié)省成本與硬件設(shè)計(jì)資源，達(dá)到一套硬件電路適配多種編碼器的功能。

總結(jié)與展望

i.MX RT1180支持多種工業(yè)網(wǎng)路總線 (TSN、EtherCAT、Profinet等)，最高支持單芯片四電機(jī)控制的外設(shè)資源，多種多樣的外部存儲接口與通訊外設(shè)接口，主頻高達(dá)800MHz的M7核能夠及時(shí)完成繁重的電機(jī)處理任務(wù)，可以說該芯片非常適合工業(yè)自動化領(lǐng)域。

i.MX RT1180已加入恩智浦長期供貨計(jì)劃，承諾供貨至少15年，讓客戶后顧無憂。

本文作者

陶楷文 (Kevin Tao)，恩智浦半導(dǎo)體MCU系統(tǒng)應(yīng)用工程師，他專注于i.MX RT及DSC系列電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域，憑借在系統(tǒng)應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)的豐富經(jīng)驗(yàn)，為客戶提供了多種多樣的電機(jī)控制相關(guān)解決方案。