Компания GigaDevice представила два новых продукта для промышленной автоматизации: дискретный контроллер ведомого устройства GDSCN832 и высокопроизводительный микроконтроллер GD32H75E с встроенной поддержкой EtherCAT. Решения ориентированы на системы реального времени и предназначены для робототехники, сервосистем и автоматизированных производственных линий.
Протокол EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) был разработан в 2003 году как высокопроизводительный промышленный Ethernet-стандарт, оптимизированный для задач управления в реальном времени. Он обеспечивает детерминированную передачу данных с минимальной задержкой и поддерживает механизм распределённых часов (Distributed Clocks) с субмикросекундной точностью синхронизации — до десятков наносекунд. Это позволяет реализовывать высокоточную координацию многоосевых сервосистем.
Простая топология сети и гибкая конфигурация упрощают проектирование, монтаж и обслуживание оборудования, а также снижают нагрузку на центральный процессор, высвобождая ресурсы для реализации алгоритмов управления движением и диагностики.
В промышленной робототехнике применение EtherCAT® фактически является стандартом де-факто. Микросекундные задержки и наносекундная точность синхронизации необходимы для 6-осевых и более сложных манипуляторов, где требуется строго согласованная работа всех приводов. По открытым источникам, EtherCAT® широко используется ведущими производителями промышленных роботов (в том числе KUKA и FANUC) в задачах сварки, перемещения и окраски.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Требования к микроконтроллерам для EtherCAT систем
Для построения сервосистем с поддержкой EtherCAT® микроконтроллер должен обладать следующим набором характеристик:
Высокая вычислительная производительность — процессорное ядро класса ARM® Cortex®-M7 или эквивалентное, способное одновременно обслуживать стек связи в реальном времени и выполнять вычислительно ёмкие алгоритмы сервоуправления;
Достаточный объём памяти — оперативная память (RAM) для кэширования данных и выполнения программ, а также энергонезависимая память (NVM) для хранения прошивки и параметров системы;
Развитая периферия — таймеры высокого разрешения для управления положением, скоростью и моментом, а также АЦП для обработки сигналов обратной связи от датчиков;
Интегрированный EtherCAT IP (ESC) — встроенный контроллер ведомого устройства, который снижает сложность схемотехники, уменьшает нагрузку на CPU и оптимизирует пути передачи данных, повышая детерминизм и устойчивость системы.
Контроллер ведомого устройства GDSCN832
GDSCN832 является официально лицензированным контроллером ESC (Ethernet Slave Controller) от Beckhoff и представляет собой дискретное решение для построения узлов EtherCAT сети.
Сетевые интерфейсы и обработка данных:
Два встроенных порта Ethernet PHY и интерфейс MII для подключения внешнего PHY или MAC;
Каждый порт поддерживает полнодуплексный режим 100BASE-TX (100 Мбит/с);
8 блоков FMMU (Fieldbus Memory Management Unit) и 8 менеджеров синхронизации Sync Manager для повышения производительности и надёжности обмена данными;
8 КБ двухпортовой памяти (Dual-Port RAM);
64-битный модуль распределённых часов с точностью синхронизации лучше 1 мкс.
Интерфейсы подключения:
Поддержка 8- и 16-битных параллельных и последовательных интерфейсов;
Совместимость с SPI, QSPI и OSPI (до 100 МГц);
Режим синхронизации EXMC.
Микроконтроллер GD32H75E
Серия GD32H75E представляет собой высокоинтегрированное решение, объединяющее всё необходимое для построения EtherCAT узла на одном кристалле.
Вычислительные возможности и память:
Ядро ARM® Cortex®-M7 с тактовой частотой до 600 МГц;
До 512 КБ TCM (Tightly Coupled Memory) для минимизации задержек доступа;
Общий объём SRAM на кристалле — до 1 МБ (включая TCM);
Объём Flash-памяти — от 1 МБ до 3,75 МБ.
Периферийные модули:
Встроенный EtherCAT® ESC;
3 контроллера CAN-FD;
2 интерфейса USB;
Высокопроизводительные цифровые фильтры (HPDF);
14-битный АЦП и 12-битный ЦАП;
Компараторы и другие вспомогательные модули.
Совмещение MCU, ESC, PHY и большого объёма памяти на одном кристалле позволяет уменьшить размер печатной платы и снизить себестоимость изделия.
Функциональная и информационная безопасность
Для промышленных приложений вопросы безопасности имеют критическое значение. Серия GD32H7 сертифицирована T?V Rheinland на соответствие стандарту IEC 61508 (функциональная безопасность). Аппаратная часть включает поддержку ECC для памяти, сторожевые таймеры, мониторинг напряжения и температуры. Также предоставляются программные библиотеки самотестирования (STL) для CPU, SRAM и Flash.
В части информационной безопасности микроконтроллеры GD32H75E поддерживают защиту кода, безопасную загрузку (Secure Boot), аппаратный генератор случайных чисел (TRNG), криптографический ускоритель и механизмы управления жизненным циклом безопасности, обеспечивая баланс между защищённостью и производительностью.
Эталонное решение для управления серводвигателями
На базе серии GD32H75E компанией GigaDevice разработано эталонное решение управления серводвигателями с поддержкой EtherCAT®. Решение использует стандартный профиль CiA 402, управляется через среду TwinCAT в режиме реального времени и применимо в станках с ЧПУ, роботах и автоматизированных производственных линиях.
Режимы управления:
Профилирование положения (PP) с применением трапецеидального планирования траектории для плавного движения и стабильной работы в установившемся режиме;
Циклическое синхронное положение (CSP);
30 режимов возврата в исходное положение (Homing), обеспечивающих адаптацию к различным механическим конфигурациям.
Дополнительные функции:
Наблюдатель скорости (Speed Observer) — алгоритм, обеспечивающий стабильную скорость и быстрый отклик системы при резких изменениях нагрузки;
Высокоточная выборка токов — использование ?-дельта модулятора совместно с модулем HPDF позволяет реализовать встроенную (in-line) выборку тока, повысить разрешение измерений, снизить уровень ЭМИ и улучшить качество управления двигателем.
Гибкость архитектурных решений
Параллельный выпуск дискретного ESC GDSCN832 и высокоинтегрированного MCU GD32H75E предоставляет разработчикам свободу выбора архитектуры. Можно реализовать решение, используя внешний контроллер EtherCAT с любым хост-процессором, либо выбрать компактное решение класса «система на кристалле». Такой подход позволяет подобрать оптимальный вариант для различных требований по интеграции, производительности и стоимости.
