EtherCAT背板方案：方芯半导体工业自动化领域的高速、高精度的通信解决方案

前言：EtherCAT背板方案是一种插拔式设计方案，ESC（EtherCAT从站控制器）之间通过底板信号线相互连接。底板信号线为所支撑的器件提供电源和数据信号。ESC芯片多级从站之间通过LVDS（低压差分信号）接口相连接，首端采用MII（介质独立接口）转LVDS接口与主站进行通信，此方案能够实现更高的带宽和更低的延迟。

1.方案概述

EtherCAT背板方案采用EtherCAT协议进行实时通信。主站（如PLC）通过背板电源数据板向从站（如I/O模块）发送数据帧，从站实时读取或写入数据。数据帧依次通过各个从站，每个从站仅处理自身相关数据，从而大幅减少通信延迟。

2.方案特点

• 硬件设计：背板方案使用LVDS进行EtherCAT数据通信，并在板级优化抗干扰能力。

• 拓扑选择：采用线性拓扑，确保数据通信路径最短，实现最小通信延迟。

• 同步机制：芯片内部集成分布式时钟功能，确保多设备时间一致性。

• 诊断功能：集成链路监测、错误计数器等功能，便于快速故障定位。

• 热插拔功能：耦合器模块网络端口支持带电插拔，避免影响其他系统功能模块。

3.背板方案模块说明

3.1 FCE1100耦合器模块

（1）FCE1100_KSZ8721_2MII_LVDS开发板

FCE1100_KSZ8721_2MII_LVDS模块

基于EtherCAT从站控制芯片FCE1100制作的工业以太网开发板。开发板设计了外挂EEPROM芯片，用于XML文件配置的写入与存储。选用KSZ8721BLI芯片作为以太网收发器。FCE1100配置了两个MII接口和一个LVDS接口，LVDS通信通过金手指与底板插槽连接，与后级ESC从站模块进行EtherCAT通信。开发板电源支持5V和3.3V两种供电规格，与底板适配。与主站接口选用最常见的RJ45网卡接口，方便用户快速灵活地应用在各种工业自动化场景中。 

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（2） FCE1200_KSZ8721_MII0_LVDS1开发板

FCE1200_KSZ8721_MII0_LVDS1模块

基于EtherCAT从站控制芯片FCE1200制作的工业以太网开发板。开发板设计了外挂EEPROM芯片，用于XML文件配置的写入与存储。选用KSZ8721BLI芯片作为以太网收发器。FCE1200配置了一个MII接口和一个LVDS接口，LVDS通过金手指与底板插槽连接，与后级模块进行EtherCAT通信。电源支持5V和3.3V两种供电规格，与底板适配。与主站接口选用最常见的RJ45网卡接口，方便用户快速灵活地应用在各种工业自动化场景中。

3.2 级联模块

（1）FCE1200_LVDS开发板

FCE1200_LVDS模块

模块集成了EtherCAT从站控制芯片FCE1200。开发板外挂一颗EEPROM芯片，用于存储描述信息和初始化配置FCE1200芯片，EEPROM通过I2C接口与FCE1200通信。FCE1200使用LVDS与前级和后级ESC模块进行通信，在此开发板上LVDS通过金手指与底板插槽连接，实现从站级联拓扑。同时在金手指端设计了5V和3.3V两种供电方式，使客户端可以实现不同的电源场景测试。

（2）FCE1302_LVDS_STM32F103开发板

FCE1302_LVDS_STM32F103模块

模块集成了EtherCAT从站控制芯片FCE1302和微控制单元STM32F103。开发板外挂一颗EEPROM芯片，用于存储描述信息和初始化配置FCE1302芯片，EEPROM通过I2C接口与FCE1302通信。FCE1302通过SPI接口与微控制器STM32F103RCT6建立连接，数据传输速率最高可达20M，开发板上预留了JTAG接口用于STM32F103RCT6的程序烧录。

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FCE1302包含两个通信端口，分别命名为端口0和端口1，两个端口均使用LVDS与前级和后级ESC模块进行通信，在此开发板上LVDS通过金手指与底板插槽连接，实现从站级联拓扑。同时在金手指端设计了5V和3.3V两种供电方式，使客户端可以实现不同的电源场景测试。

3.3 通信底板

EtherCAT背板通讯底板模块

背板方案通信底板是一种承载多个模块（如I/O、耦合器）的物理基板，提供电源和通信通道，设计可搭载5台从站设备并支持板级级联。电源模块通过左上角插槽为底板提供5V和3.3V两种供电规格，并设有相关指示灯。通过跳线帽可对“电源A”和“电源B”进行配置，“电源A”可选择5V或3.3V输入，“电源B”可选择3.3V或悬空。各种灵活的供电方式使客户端可以实现不同的电源场景测试。

4.核心优势

• 超高实时性：EtherCAT背板方案具备极高的实时性能，能够实现设备间的高精度协同控制与实时通信。

• 简化布线：背板集成电源和通信线路，无需复杂外部电缆，减少故障点，提升可靠性。

• 灵活扩展：模块化设计上，耦合器端预留扩展网口用于热插拔，可动态增减从站设备（主站端需添加设备），适应产线快速调整。

• 兼容性：支持多种拓扑（星型、线型、树型），并可与其他以太网协议共存。

EtherCAT背板方案通过模块化背板架构，在工业自动化领域实现了高速、高精度、易扩展的通信需求。其低延迟、高同步性特点尤其适合复杂控制系统，同时降低布线成本和维护难度，是未来智能工厂的核心技术之一。