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Lan9253數(shù)據(jù)手冊

來源:
2025-08-07
類別:基礎(chǔ)知識
eye 1
文章創(chuàng)建人 拍明芯城

LAN9253 EtherCAT 從站控制器數(shù)據(jù)手冊

1. 簡介

1.1 LAN9253 概述

Microchip Technology 的 LAN9253 是一款高度集成的 EtherCAT 從站控制器 (ESC) 解決方案,專為工業(yè)自動化和控制應(yīng)用中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信而設(shè)計(jì)。它集成了 EtherCAT 協(xié)議所必需的所有核心功能,包括一個(gè)強(qiáng)大的 EtherCAT 從站控制器、兩個(gè)高性能的 10/100 Mbps 以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器,以及靈活的過程數(shù)據(jù)接口 (PDI)。LAN9253 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡化 EtherCAT 從站設(shè)備的開發(fā),降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性,同時(shí)提供卓越的性能和可靠性。它支持多種主機(jī)接口模式,包括 SPI 和并行總線接口,使得與各種微控制器和 FPGA 的連接變得簡單高效。其內(nèi)置的 PHY 使得外部磁性元件和連接器可以直接連接到設(shè)備,進(jìn)一步減少了外部組件的數(shù)量和 PCB 空間需求。這款芯片是構(gòu)建緊湊、高性能 EtherCAT 從站模塊的理想選擇,廣泛應(yīng)用于伺服驅(qū)動器、I/O 模塊、機(jī)器人、傳感器、執(zhí)行器以及其他需要精確時(shí)間同步和高速數(shù)據(jù)交換的工業(yè)設(shè)備中。

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1.2 主要特性

LAN9253 擁有多項(xiàng)關(guān)鍵特性,使其在 EtherCAT 從站應(yīng)用中脫穎而出。首先,其核心是一個(gè)功能完備的 EtherCAT 從站控制器,完全符合 EtherCAT 協(xié)議規(guī)范,支持所有 EtherCAT 功能,包括分布式時(shí)鐘 (DC)、同步管理器 (SyncManagers)、郵箱通信以及過程數(shù)據(jù)處理。這確保了設(shè)備能夠無縫地融入任何 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò),并實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制。其次,它集成了兩個(gè) 10/100 Mbps 全雙工以太網(wǎng) PHY,這些 PHY 具有自動協(xié)商、HP Auto-MDIX 和鏈路狀態(tài)檢測等功能,簡化了網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì),并提供了強(qiáng)大的電纜診斷能力,有助于快速定位網(wǎng)絡(luò)故障。此外,LAN9253 提供了靈活的過程數(shù)據(jù)接口 (PDI),支持 SPI (最高 50 MHz) 和并行總線 (8 位或 16 位) 模式,允許用戶根據(jù)微控制器的能力和應(yīng)用需求選擇最合適的接口,從而優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。芯片內(nèi)部集成了 8 KB 的雙端口 RAM,用于存儲 EtherCAT 過程數(shù)據(jù)和郵箱數(shù)據(jù),有效管理數(shù)據(jù)流。其低功耗設(shè)計(jì)和多種電源模式使其適用于對功耗敏感的應(yīng)用。最后,LAN9253 采用緊湊的封裝,并且支持工業(yè)級溫度范圍,確保在惡劣工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

LAN9253 的高性能和高集成度使其成為眾多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。在運(yùn)動控制系統(tǒng)中,如伺服驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)控制器,LAN9253 能夠提供高精度的分布式時(shí)鐘同步,確保多軸運(yùn)動的精確協(xié)調(diào),從而實(shí)現(xiàn)更平滑、更高效的運(yùn)動軌跡。在分布式 I/O 模塊中,無論是數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出還是特殊功能模塊,LAN9253 都能提供快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸,將現(xiàn)場設(shè)備無縫集成到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中。機(jī)器人技術(shù)是另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域,LAN9253 可以用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器、末端執(zhí)行器或傳感器接口,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各部件之間的高速通信和精確同步,提升機(jī)器人的響應(yīng)速度和協(xié)作能力。此外,在傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域,LAN9253 使得智能傳感器和執(zhí)行器能夠直接連接到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò),提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制能力。它還適用于機(jī)器視覺系統(tǒng)、過程控制設(shè)備樓宇自動化以及任何需要高性能、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信的工業(yè)自動化應(yīng)用。其靈活性和魯棒性使其能夠滿足工業(yè) 4.0 和智能制造對互聯(lián)互通和實(shí)時(shí)性的嚴(yán)苛要求。

2. 架構(gòu)概覽

2.1 內(nèi)部框圖解釋

LAN9253 的內(nèi)部架構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn) EtherCAT 協(xié)議的高效處理和靈活的數(shù)據(jù)接口。其核心是一個(gè)強(qiáng)大的 EtherCAT 從站控制器 (ESC),負(fù)責(zé)解析 EtherCAT 幀、處理 EtherCAT 協(xié)議棧、管理內(nèi)部存儲器以及與主機(jī)處理器進(jìn)行通信。ESC 內(nèi)部包含多個(gè)關(guān)鍵模塊,如 EtherCAT 處理單元、分布式時(shí)鐘單元、同步管理器以及各種 EtherCAT 寄存器。數(shù)據(jù)流通過 ESC 進(jìn)行路由和處理,確保數(shù)據(jù)按照 EtherCAT 規(guī)范進(jìn)行傳輸和同步。

在網(wǎng)絡(luò)接口方面,LAN9253 集成了兩個(gè)獨(dú)立的 10/100 Mbps 以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器。這兩個(gè) PHY 直接連接到 ESC,負(fù)責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并通過 RJ45 連接器發(fā)送到以太網(wǎng)電纜,同時(shí)接收來自網(wǎng)絡(luò)的模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供 ESC 處理。每個(gè) PHY 都包含自動協(xié)商、HP Auto-MDIX 和鏈路狀態(tài)檢測等功能,確保與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容性和可靠連接。PHY 模塊還集成了必要的線路驅(qū)動器和接收器,最大限度地減少了對外部磁性元件的需求。

主機(jī)處理器通過過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 與 LAN9253 進(jìn)行通信。PDI 支持多種模式,包括高速 SPI 接口和靈活的并行總線接口(8 位或 16 位)。SPI 接口提供了簡單的連接方式,適用于資源有限的微控制器;而并行總線接口則提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐量,適用于需要快速交換大量過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用。PDI 模塊負(fù)責(zé)將主機(jī)處理器的數(shù)據(jù)讀寫請求轉(zhuǎn)換為對內(nèi)部雙端口 RAM 和 EtherCAT 寄存器的訪問。

內(nèi)部雙端口 RAM (DPRAM) 是 LAN9253 架構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,容量為 8 KB。它允許 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)處理器同時(shí)訪問過程數(shù)據(jù)和郵箱數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。ESC 負(fù)責(zé)將從 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接收到的過程數(shù)據(jù)寫入 DPRAM,并將主機(jī)處理器寫入 DPRAM 的數(shù)據(jù)發(fā)送到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),郵箱通信也通過 DPRAM 進(jìn)行,允許主站和從站之間交換非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如配置參數(shù)、診斷信息等。

時(shí)鐘和復(fù)位管理單元負(fù)責(zé)為芯片內(nèi)部所有模塊提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號和正確的復(fù)位序列。電源管理單元則負(fù)責(zé)管理芯片的功耗,支持多種操作模式以優(yōu)化能效。此外,芯片還包含 EEPROM 接口,用于存儲設(shè)備配置信息和 EtherCAT 標(biāo)識符,使得設(shè)備在啟動時(shí)能夠自動加載配置。整個(gè)架構(gòu)旨在提供一個(gè)高性能、低延遲、易于集成的 EtherCAT 從站解決方案。

2.2 EtherCAT 從站控制器 (ESC) 核心

EtherCAT 從站控制器 (ESC) 是 LAN9253 的核心,它實(shí)現(xiàn)了 EtherCAT 協(xié)議的所有復(fù)雜功能,使得設(shè)備能夠作為一個(gè)全功能的 EtherCAT 從站運(yùn)行。ESC 的主要職責(zé)包括:識別和處理 EtherCAT 幀、管理過程數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)分布式時(shí)鐘 (DC) 同步、處理郵箱通信以及管理從站狀態(tài)機(jī)。

EtherCAT 幀處理: ESC 能夠識別 EtherCAT 幀的起始和結(jié)束,并解析其中的 EtherCAT 數(shù)據(jù)報(bào)。它根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的命令類型(如寫入、讀取、循環(huán)寫入/讀取等)和地址信息,將數(shù)據(jù)路由到內(nèi)部的相應(yīng)模塊或存儲器區(qū)域。對于過程數(shù)據(jù),ESC 能夠根據(jù) EtherCAT 主站的指令,將數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)寫入內(nèi)部 DPRAM,或從 DPRAM 讀取數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。這種硬件級的幀處理確保了極低的延遲和高吞吐量,這是 EtherCAT 實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。

過程數(shù)據(jù)管理: ESC 通過同步管理器 (SyncManagers) 來管理過程數(shù)據(jù)。SyncManagers 是一種靈活的機(jī)制,用于定義 DPRAM 中哪些區(qū)域用于過程數(shù)據(jù)交換(PDO)以及這些數(shù)據(jù)如何與 EtherCAT 幀和主機(jī)處理器進(jìn)行同步。ESC 能夠自動處理過程數(shù)據(jù)的輸入和輸出,無需主機(jī)處理器頻繁干預(yù),從而減輕了主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)。

分布式時(shí)鐘 (DC): 分布式時(shí)鐘是 EtherCAT 協(xié)議的一個(gè)核心特性,它允許網(wǎng)絡(luò)中的所有從站設(shè)備實(shí)現(xiàn)納秒級的時(shí)鐘同步。ESC 內(nèi)部集成了高精度的分布式時(shí)鐘單元,能夠接收并處理 EtherCAT 主站發(fā)送的同步幀,校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)鐘,并生成精確的同步事件(如 SYNC0 和 SYNC1)。這些同步事件可以用于同步外部硬件,如 ADC/DAC 采樣、PWM 輸出等,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高精度時(shí)間同步。

郵箱通信: 除了實(shí)時(shí)性要求高的過程數(shù)據(jù),EtherCAT 還支持郵箱通信,用于傳輸非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如設(shè)備配置、診斷信息、固件更新等。ESC 通過郵箱 SyncManagers 管理郵箱數(shù)據(jù),并提供一個(gè)緩沖區(qū)供主站和從站之間交換數(shù)據(jù)。常見的郵箱協(xié)議包括 CoE (CANopen over EtherCAT)、FoE (File over EtherCAT) 和 EoE (Ethernet over EtherCAT)。ESC 負(fù)責(zé)處理這些協(xié)議的底層機(jī)制,使得主機(jī)處理器可以通過簡單的讀寫操作來訪問郵箱數(shù)據(jù)。

從站狀態(tài)機(jī): EtherCAT 從站設(shè)備會經(jīng)歷一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)換,包括 INIT (初始化)、PRE-OPERATIONAL (預(yù)操作)、SAFE-OPERATIONAL (安全操作) 和 OPERATIONAL (操作)。ESC 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)狀態(tài)機(jī),負(fù)責(zé)管理這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并根據(jù)主站的指令或內(nèi)部事件進(jìn)行狀態(tài)切換。主機(jī)處理器可以讀取 ESC 的狀態(tài),并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。

總而言之,LAN9253 的 ESC 核心是一個(gè)高度優(yōu)化的硬件實(shí)現(xiàn),它承擔(dān)了 EtherCAT 協(xié)議的絕大部分復(fù)雜性,使得開發(fā)者能夠?qū)W⒂趹?yīng)用層面的開發(fā),而無需深入了解 EtherCAT 協(xié)議的底層細(xì)節(jié)。這大大加速了 EtherCAT 從站設(shè)備的開發(fā)周期,并確保了設(shè)備的互操作性和性能。

2.3 集成式以太網(wǎng) PHY

LAN9253 集成了兩個(gè)高性能的 10/100 Mbps 以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器,這是其高集成度設(shè)計(jì)的重要組成部分。這兩個(gè) PHY 模塊直接連接到 EtherCAT 從站控制器 (ESC),負(fù)責(zé)以太網(wǎng)信號的物理傳輸和接收,將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合在以太網(wǎng)電纜上傳輸?shù)哪M信號,反之亦然。這種集成設(shè)計(jì)顯著簡化了外部電路,減少了 PCB 面積和物料清單 (BOM) 成本。

每個(gè) PHY 都支持 10BASE-T 和 100BASE-TX 兩種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),并能夠自動協(xié)商(Auto-Negotiation)與連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的最佳連接速度和雙工模式(半雙工或全雙工)。這意味著 LAN9253 能夠自動適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,無需手動配置。自動協(xié)商功能確保了設(shè)備在連接到不同速度的以太網(wǎng)端口時(shí)仍能正常工作,提高了系統(tǒng)的靈活性和兼容性。

HP Auto-MDIX (自動媒體相關(guān)接口交叉) 是 PHY 的另一個(gè)重要特性。傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接需要區(qū)分直通線和交叉線,但有了 Auto-MDIX 功能,PHY 能夠自動檢測所連接電纜的類型,并相應(yīng)地調(diào)整其發(fā)送和接收引腳,從而無需使用特殊的交叉線纜,簡化了安裝和故障排除。無論是連接到集線器、交換機(jī)還是其他設(shè)備,用戶都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的直通線纜,大大提高了使用的便利性。

PHY 模塊還提供鏈路狀態(tài)檢測功能,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測以太網(wǎng)鏈路的連接狀態(tài)。當(dāng)鏈路建立或斷開時(shí),PHY 會生成相應(yīng)的狀態(tài)信息,供 ESC 和主機(jī)處理器讀取。這對于網(wǎng)絡(luò)診斷和故障恢復(fù)至關(guān)重要,系統(tǒng)可以根據(jù)鏈路狀態(tài)的變化來調(diào)整其行為,例如在鏈路斷開時(shí)觸發(fā)報(bào)警或切換到備用通信路徑。

此外,LAN9253 的集成 PHY 具有強(qiáng)大的電纜診斷能力。它能夠檢測電纜故障,如開路、短路、錯(cuò)對和反對等,并能估算故障發(fā)生的位置。這項(xiàng)功能對于工業(yè)現(xiàn)場的故障排除非常有價(jià)值,可以幫助維護(hù)人員快速定位電纜問題,減少停機(jī)時(shí)間。

為了確保信號完整性和電磁兼容性 (EMC),集成 PHY 內(nèi)部包含了必要的線路驅(qū)動器和接收器,并且設(shè)計(jì)時(shí)考慮了對外部磁性元件的需求。通常情況下,只需要少量的外部電容和電阻即可完成 PHY 的連接,而無需復(fù)雜的變壓器陣列。這不僅節(jié)省了空間,還降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

總的來說,LAN9253 的集成式以太網(wǎng) PHY 提供了穩(wěn)定、可靠、易于使用的網(wǎng)絡(luò)接口,極大地簡化了 EtherCAT 從站設(shè)備的設(shè)計(jì),并為工業(yè)應(yīng)用提供了必要的魯棒性和診斷能力。

3. 引腳描述

LAN9253 采用緊湊的封裝,其引腳功能經(jīng)過優(yōu)化,以提供 EtherCAT 從站控制器和雙以太網(wǎng) PHY 的所有必要接口。以下將詳細(xì)列出 LAN9253 的主要引腳及其功能、類型和復(fù)用功能。理解每個(gè)引腳的作用對于正確設(shè)計(jì)硬件電路至關(guān)重要。

3.1 電源和接地引腳

引腳名稱

類型

功能描述

VDD33A

電源

模擬 3.3V 電源輸入。為內(nèi)部模擬電路(如 PLL、ADC/DAC)供電。

VDD33D

電源

數(shù)字 3.3V 電源輸入。為內(nèi)部數(shù)字邏輯電路供電。

VDD12

電源

內(nèi)部 1.2V 核心電源輸出。通常需要外部去耦電容。

VDDIO

電源

I/O 接口電源輸入。為 PDI 接口(SPI/并行)和 GPIO 引腳供電,電壓范圍通常為 1.8V 至 3.3V。

VSS

接地

數(shù)字和模擬接地。所有接地引腳必須連接到公共接地平面。

VSS_ANA

接地

模擬接地。與數(shù)字接地隔離,以減少噪聲干擾,最終連接到公共接地。

詳細(xì)說明:LAN9253 具有多個(gè)電源引腳,旨在為不同的內(nèi)部功能提供獨(dú)立的供電,以優(yōu)化性能并降低噪聲。VDD33A 專用于模擬電路,確保 PLL 和 PHY 模擬部分的電源純凈度。VDD33D 為大部分?jǐn)?shù)字邏輯提供電源。VDD12 是芯片內(nèi)部穩(wěn)壓器產(chǎn)生的核心電壓,通常不需要外部供電,但需要適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙輥矸€(wěn)定其輸出。VDDIO 是可配置的 I/O 電源,其電壓決定了 PDI 接口的邏輯電平,這使得 LAN9253 能夠與不同電壓等級的主機(jī)處理器無縫連接。正確的電源去耦和接地布局對于芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和 EMC 性能至關(guān)重要。所有 VSS 和 VSS_ANA 引腳都必須牢固地連接到低阻抗的接地平面。

3.2 以太網(wǎng) PHY 接口引腳 (Port 0 & Port 1)

引腳名稱

類型

功能描述

RXD0P/N

I/O

Port 0 的差分接收數(shù)據(jù)對。連接到以太網(wǎng)磁性元件的 RX 側(cè)。

TXD0P/N

I/O

Port 0 的差分發(fā)送數(shù)據(jù)對。連接到以太網(wǎng)磁性元件的 TX 側(cè)。

RXD1P/N

I/O

Port 1 的差分接收數(shù)據(jù)對。連接到以太網(wǎng)磁性元件的 RX 側(cè)。

TXD1P/N

I/O

Port 1 的差分發(fā)送數(shù)據(jù)對。連接到以太網(wǎng)磁性元件的 TX 側(cè)。

LED0_LINK/ACT

輸出

Port 0 的鏈路/活動 LED 指示。高電平表示鏈路已建立,閃爍表示數(shù)據(jù)活動。

LED0_100

輸出

Port 0 的 100 Mbps 速度 LED 指示。高電平表示 100 Mbps 速度。

LED1_LINK/ACT

輸出

Port 1 的鏈路/活動 LED 指示。高電平表示鏈路已建立,閃爍表示數(shù)據(jù)活動。

LED1_100

輸出

Port 1 的 100 Mbps 速度 LED 指示。高電平表示 100 Mbps 速度。

詳細(xì)說明:LAN9253 集成了兩個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng) PHY,每個(gè) PHY 都提供一組差分?jǐn)?shù)據(jù)引腳 (RXD P/N, TXD P/N) 用于連接到外部以太網(wǎng)磁性元件(如網(wǎng)絡(luò)變壓器)。這些引腳是高速模擬信號,需要嚴(yán)格的差分走線和阻抗控制(通常為 100 歐姆)。為了確保信號完整性和 EMC 性能,建議在這些引腳附近放置共模扼流圈和 ESD 保護(hù)器件。LED 引腳用于驅(qū)動外部 LED,提供直觀的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示。這些 LED 指示有助于用戶快速了解網(wǎng)絡(luò)連接的速度和活動情況,是系統(tǒng)診斷的重要組成部分。

3.3 時(shí)鐘和復(fù)位引腳

引腳名稱

類型

功能描述

XTAL1

輸入

晶體振蕩器輸入。連接到外部晶體振蕩器或外部時(shí)鐘源。

XTAL2

輸出

晶體振蕩器輸出。連接到外部晶體振蕩器。

CLKOUT

輸出

可配置的時(shí)鐘輸出??捎糜跒橥獠课⒖刂破魈峁r(shí)鐘。

nRST

輸入

復(fù)位輸入(低電平有效)。當(dāng)此引腳為低電平時(shí),芯片被復(fù)位。

詳細(xì)說明:LAN9253 需要一個(gè)外部時(shí)鐘源來驅(qū)動其內(nèi)部操作,通常通過連接一個(gè) 25 MHz 的晶體振蕩器到 XTAL1 和 XTAL2 引腳來實(shí)現(xiàn)。也可以通過 XTAL1 引腳輸入外部時(shí)鐘源。CLKOUT 引腳可以輸出一個(gè)可配置的時(shí)鐘信號,方便為系統(tǒng)中的其他組件提供時(shí)鐘。nRST 引腳是芯片的硬件復(fù)位引腳,低電平有效。在系統(tǒng)上電或出現(xiàn)故障時(shí),通過拉低此引腳可以使芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),確保正確的初始化。復(fù)位信號的建立和保持時(shí)間需要滿足數(shù)據(jù)手冊中的時(shí)序要求。

3.4 過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 引腳

LAN9253 的 PDI 接口支持 SPI 和并行總線兩種模式,以下引腳的功能會根據(jù)所選模式而有所不同。

3.4.1 SPI 模式引腳

引腳名稱

類型

功能描述

SPI_CSn

輸入

SPI 片選信號(低電平有效)。用于選擇 LAN9253 進(jìn)行 SPI 通信。

SPI_CLK

輸入

SPI 時(shí)鐘輸入。主機(jī)處理器提供時(shí)鐘信號。

SPI_MOSI

輸入

SPI 主機(jī)輸出,從機(jī)輸入。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到 LAN9253。

SPI_MISO

輸出

SPI 主機(jī)輸入,從機(jī)輸出。LAN9253 發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)。

PDI_INTn

輸出

PDI 中斷輸出(低電平有效)。當(dāng)有事件發(fā)生時(shí),通知主機(jī)處理器。

SYNC0

輸出

分布式時(shí)鐘同步輸出 0。可用于同步外部事件。

SYNC1

輸出

分布式時(shí)鐘同步輸出 1。可用于同步外部事件。

詳細(xì)說明:在 SPI 模式下,LAN9253 作為 SPI 從機(jī),通過 SPI_CSn、SPI_CLK、SPI_MOSI 和 SPI_MISO 引腳與主機(jī)處理器進(jìn)行通信。SPI_CSn 必須在整個(gè)傳輸過程中保持低電平。SPI_CLK 的最高頻率可達(dá) 50 MHz,允許高速數(shù)據(jù)傳輸。PDI_INTn 是一個(gè)重要的中斷引腳,當(dāng) EtherCAT 從站控制器內(nèi)部發(fā)生特定事件(如數(shù)據(jù)更新、郵箱事件、錯(cuò)誤等)時(shí),該引腳會拉低,通知主機(jī)處理器進(jìn)行處理。SYNC0 和 SYNC1 是分布式時(shí)鐘的同步輸出,可以配置為在特定 EtherCAT 幀到達(dá)或特定時(shí)間間隔后觸發(fā),用于同步外部硬件。

3.4.2 并行總線模式引腳

引腳名稱

類型

功能描述

D[15:0]

I/O

16 位數(shù)據(jù)總線。用于傳輸數(shù)據(jù)。

A[2:0]

輸入

地址總線。用于選擇內(nèi)部寄存器或 DPRAM 地址。

nRD

輸入

讀使能信號(低電平有效)。當(dāng)此引腳為低電平時(shí),允許從數(shù)據(jù)總線讀取數(shù)據(jù)。

nWR

輸入

寫使能信號(低電平有效)。當(dāng)此引腳為低電平時(shí),允許向數(shù)據(jù)總線寫入數(shù)據(jù)。

nCS

輸入

片選信號(低電平有效)。用于選擇 LAN9253 進(jìn)行并行通信。

PDI_INTn

輸出

PDI 中斷輸出(低電平有效)。當(dāng)有事件發(fā)生時(shí),通知主機(jī)處理器。

SYNC0

輸出

分布式時(shí)鐘同步輸出 0??捎糜谕酵獠渴录?。

SYNC1

輸出

分布式時(shí)鐘同步輸出 1。可用于同步外部事件。

詳細(xì)說明:在并行總線模式下,LAN9253 支持 8 位或 16 位數(shù)據(jù)總線。D[15:0] 是雙向數(shù)據(jù)引腳,用于數(shù)據(jù)傳輸。A[2:0] 是地址引腳,用于選擇內(nèi)部寄存器或 DPRAM 地址空間。nRD 和 nWR 是讀寫控制信號,nCS 是片選信號。并行總線模式通常提供比 SPI 更高的數(shù)據(jù)吞吐量,適用于需要快速訪問大量過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用。PDI_INTn、SYNC0 和 SYNC1 的功能與 SPI 模式下相同。需要注意的是,并行總線模式下的引腳數(shù)量較多,對 PCB 走線和主機(jī)處理器的 GPIO 資源要求更高。

3.5 EEPROM 接口引腳

引腳名稱

類型

功能描述

EEPROM_SDA

I/O

EEPROM 數(shù)據(jù)線。連接到外部 I2C EEPROM 的 SDA 引腳。

EEPROM_SCL

輸出

EEPROM 時(shí)鐘線。連接到外部 I2C EEPROM 的 SCL 引腳。

詳細(xì)說明:LAN9253 內(nèi)置 EEPROM 控制器,支持通過 I2C 接口連接外部 EEPROM。EEPROM_SDA 和 EEPROM_SCL 引腳用于與外部 EEPROM 進(jìn)行通信,存儲 EtherCAT 設(shè)備配置數(shù)據(jù)(如 Vendor ID, Product Code, Revision Number, Serial Number 等)以及其他用戶自定義數(shù)據(jù)。芯片在上電復(fù)位后會自動從 EEPROM 加載配置信息。EEPROM 的正確配置對于 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的識別和設(shè)備功能至關(guān)重要。

3.6 配置引腳

引腳名稱

類型

功能描述

MODE_SEL0

輸入

模式選擇引腳 0。用于配置 PDI 模式(SPI/并行)。

MODE_SEL1

輸入

模式選擇引腳 1。用于配置 PDI 模式和并行總線寬度。

詳細(xì)說明:MODE_SEL0 和 MODE_SEL1 引腳在芯片上電復(fù)位時(shí)被采樣,用于配置 LAN9253 的過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 模式。通過不同的高/低電平組合,可以配置為 SPI 模式、8 位并行模式或 16 位并行模式。這些引腳通常通過外部電阻上拉或下拉到 VDDIO 或 VSS 來設(shè)置其電平。正確的模式選擇是確保芯片與主機(jī)處理器正確通信的第一步。

4. 電氣特性

LAN9253 的電氣特性是設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)必須嚴(yán)格遵循的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)定義了芯片在不同工作條件下的性能限制和行為。

4.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了芯片在任何情況下都不能超過的電壓、電流和溫度限制。超過這些限制可能會導(dǎo)致芯片永久性損壞。在設(shè)計(jì)過程中,必須確保所有外部信號和電源電壓都保持在這些額定值之內(nèi),即使在瞬態(tài)或故障條件下。

參數(shù)

最小值

最大值

單位

描述

VDD33A, VDD33D

-0.3

4.0

V

3.3V 模擬/數(shù)字電源電壓

VDDIO

-0.3

4.0

V

I/O 電源電壓

輸入引腳電壓

-0.3

VDDIO + 0.3

V

任何輸入引腳相對于 VSS 的電壓

輸出引腳電壓

-0.3

VDDIO + 0.3

V

任何輸出引腳相對于 VSS 的電壓

存儲溫度范圍

-65

+150

°C

芯片在非工作狀態(tài)下的存儲溫度

ESD 保護(hù) (HBM)

-

2000

V

人體模型靜電放電耐受電壓

ESD 保護(hù) (CDM)

-

500

V

充電器件模型靜電放電耐受電壓

詳細(xì)說明:絕對最大額定值是芯片的“生命線”,任何違反都可能導(dǎo)致不可逆的損壞。例如,VDD33A、VDD33D 和 VDDIO 的電壓范圍必須嚴(yán)格控制在 0.3V 到 4.0V 之間。對于輸入和輸出引腳,其電壓不能超過 VDDIO + 0.3V 或低于 -0.3V,這強(qiáng)調(diào)了在連接外部器件時(shí),邏輯電平兼容性的重要性。存儲溫度范圍規(guī)定了芯片在不通電情況下的安全存放溫度。ESD 保護(hù)等級表明了芯片對靜電放電的耐受能力,但在實(shí)際操作中,仍需采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施。設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終在這些限制之內(nèi)操作芯片,并考慮瞬態(tài)過壓或欠壓的可能性。

4.2 推薦工作條件

推薦工作條件定義了芯片在正常工作狀態(tài)下應(yīng)滿足的電壓、溫度和時(shí)鐘頻率范圍。在這些條件下,芯片能夠保證其所有電氣特性和功能規(guī)格。

參數(shù)

最小值

典型值

最大值

單位

描述

VDD33A, VDD33D

3.135

3.3

3.465

V

3.3V 模擬/數(shù)字電源電壓

VDDIO

1.71

-

3.465

V

I/O 電源電壓

工作溫度范圍

-40

-

+85

°C

工業(yè)級溫度范圍

晶體振蕩器頻率

-

25

-

MHz

外部晶體振蕩器頻率

SPI_CLK 頻率

-

-

50

MHz

SPI 接口時(shí)鐘頻率

詳細(xì)說明:推薦工作條件是確保芯片正常和可靠運(yùn)行的基準(zhǔn)。VDD33A 和 VDD33D 的推薦范圍是 3.135V 到 3.465V,這對應(yīng)于 3.3V ±5% 的標(biāo)準(zhǔn)容差。VDDIO 的范圍更廣,從 1.71V 到 3.465V,這使得 LAN9253 能夠與 1.8V、2.5V 或 3.3V 的主機(jī)處理器接口。工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C,表明 LAN9253 適用于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境。晶體振蕩器頻率必須為 25 MHz,這是芯片內(nèi)部 PLL 和 PHY 正常工作的必要條件。SPI_CLK 的最大頻率為 50 MHz,允許高速的 SPI 通信。在設(shè)計(jì)電源和時(shí)鐘電路時(shí),必須確保這些參數(shù)在推薦范圍內(nèi)。

4.3 直流電氣特性

直流電氣特性描述了芯片在靜態(tài)條件下(例如,輸入/輸出引腳的電壓、電流)的行為。這些參數(shù)對于確定引腳的驅(qū)動能力、輸入閾值和功耗非常重要。

參數(shù)

最小值

典型值

最大值

單位

描述

VIL

-0.3

-

0.3 * VDDIO

V

輸入低電平電壓

VIH

0.7 * VDDIO

-

VDDIO + 0.3

V

輸入高電平電壓

VOL

-

-

0.2 * VDDIO

V

輸出低電平電壓

VOH

0.8 * VDDIO

-

-

V

輸出高電平電壓

IIL

-

-

±10

μA

輸入低電平漏電流

IIH

-

-

±10

μA

輸入高電平漏電流

IDD33A

-

15

25

mA

3.3V 模擬電源電流 (典型值,無活動)

IDD33D

-

30

50

mA

3.3V 數(shù)字電源電流 (典型值,無活動)

IDDIO

-

5

10

mA

I/O 電源電流 (典型值,無活動)

詳細(xì)說明:輸入低電平電壓 (VIL) 和輸入高電平電壓 (VIH) 定義了芯片能夠正確識別邏輯“0”和邏輯“1”的電壓范圍。這些參數(shù)與 VDDIO 相關(guān),確保了與不同邏輯電平的主機(jī)處理器兼容。輸出低電平電壓 (VOL) 和輸出高電平電壓 (VOH) 表明了芯片輸出引腳在驅(qū)動負(fù)載時(shí)的電壓水平。輸出漏電流 (IIL/IIH) 反映了引腳在輸入狀態(tài)時(shí)的微小電流。電源電流 (IDD33A, IDD33D, IDDIO) 給出了芯片在典型無活動狀態(tài)下的靜態(tài)功耗,這些值會隨著芯片活動和負(fù)載的變化而增加。在設(shè)計(jì)電源和選擇外部器件時(shí),這些直流參數(shù)是必不可少的參考。

4.4 交流電氣特性 (時(shí)序圖和參數(shù))

交流電氣特性描述了芯片在動態(tài)條件下(例如,信號傳輸?shù)难舆t、建立時(shí)間、保持時(shí)間)的行為。這些參數(shù)對于確保高速接口(如 SPI 和并行總線)的正確時(shí)序至關(guān)重要。

由于交流電氣特性涉及大量的時(shí)序圖和表格,這里僅提供一個(gè)概述和示例,實(shí)際數(shù)據(jù)手冊中會包含詳細(xì)的時(shí)序圖和每個(gè)參數(shù)的詳細(xì)數(shù)值。

4.4.1 SPI 接口時(shí)序

SPI 接口的時(shí)序參數(shù)包括:

  • t_SCLK_period: SPI 時(shí)鐘周期。

  • t_CS_setup: 片選信號相對于時(shí)鐘的建立時(shí)間。

  • t_CS_hold: 片選信號相對于時(shí)鐘的保持時(shí)間。

  • t_MOSI_setup: MOSI 數(shù)據(jù)相對于時(shí)鐘的建立時(shí)間。

  • t_MOSI_hold: MOSI 數(shù)據(jù)相對于時(shí)鐘的保持時(shí)間。

  • t_MISO_delay: MISO 數(shù)據(jù)相對于時(shí)鐘的延遲時(shí)間。

詳細(xì)說明:SPI 接口的時(shí)序圖會詳細(xì)展示 SPI_CLK、SPI_CSn、SPI_MOSI 和 SPI_MISO 信號之間的相對時(shí)間關(guān)系。例如,在 SPI_CLK 的上升沿或下降沿采樣數(shù)據(jù)時(shí),MOSI 數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘邊沿之前穩(wěn)定(建立時(shí)間),并在時(shí)鐘邊沿之后保持穩(wěn)定一段時(shí)間(保持時(shí)間)。MISO 數(shù)據(jù)會在時(shí)鐘邊沿之后經(jīng)過一定的延遲才有效。主機(jī)處理器在與 LAN9253 進(jìn)行 SPI 通信時(shí),必須嚴(yán)格遵循這些時(shí)序要求,否則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。特別是對于 50 MHz 的高速 SPI,時(shí)序裕量非常小,PCB 走線和信號完整性變得尤為重要。

4.4.2 并行總線接口時(shí)序

并行總線接口的時(shí)序參數(shù)包括:

  • t_AD_setup: 地址/數(shù)據(jù)相對于讀/寫使能信號的建立時(shí)間。

  • t_AD_hold: 地址/數(shù)據(jù)相對于讀/寫使能信號的保持時(shí)間。

  • t_WR_pulse: 寫使能脈沖寬度。

  • t_RD_pulse: 讀使能脈沖寬度。

  • t_CS_setup: 片選信號相對于讀/寫使能信號的建立時(shí)間。

  • t_CS_hold: 片選信號相對于讀/寫使能信號的保持時(shí)間。

  • t_DATA_out_delay: 數(shù)據(jù)輸出相對于讀使能信號的延遲時(shí)間。

詳細(xì)說明:并行總線接口的時(shí)序圖會展示數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫使能信號 (nRD/nWR) 和片選信號 (nCS) 之間的復(fù)雜時(shí)序關(guān)系。例如,在寫入操作時(shí),主機(jī)處理器必須在 nWR 信號變?yōu)榈碗娖街皩?shù)據(jù)和地址穩(wěn)定在總線上,并在 nWR 信號變?yōu)楦唠娖街蟊3忠欢螘r(shí)間。在讀取操作時(shí),數(shù)據(jù)會在 nRD 信號變?yōu)榈碗娖胶蠼?jīng)過一定延遲出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。并行總線通常比 SPI 提供更高的帶寬,但其時(shí)序要求也更復(fù)雜,需要主機(jī)處理器能夠提供精確的控制信號。在設(shè)計(jì)并行接口時(shí),需要仔細(xì)計(jì)算所有時(shí)序參數(shù),并考慮 PCB 走線延遲對信號完整性的影響。

4.4.3 PHY 接口時(shí)序

PHY 接口的時(shí)序參數(shù)主要涉及 MII/RMII 模式下的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序,以及與外部磁性元件和網(wǎng)絡(luò)連接相關(guān)的參數(shù)。由于 LAN9253 的 PHY 是集成的,這些參數(shù)更多地與內(nèi)部操作相關(guān),但在某些高級應(yīng)用中,了解這些參數(shù)仍有幫助。

詳細(xì)說明:雖然 LAN9253 的 PHY 是集成的,但其內(nèi)部 MII/RMII 接口的時(shí)序仍然是其正常工作的基礎(chǔ)。這些時(shí)序參數(shù)確保了 PHY 能夠正確地發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。對于外部連接,PHY 的交流特性還包括差分信號的阻抗匹配、回波損耗、插入損耗等參數(shù),這些都直接影響到以太網(wǎng)連接的質(zhì)量和可靠性。設(shè)計(jì)人員需要確保外部磁性元件和 PCB 走線能夠滿足這些要求。

4.5 功耗

LAN9253 的功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的考慮因素,尤其是在電池供電或?qū)ι嵊袊?yán)格要求的應(yīng)用中。功耗主要取決于芯片的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸速率、PDI 接口的活動以及連接的以太網(wǎng)鏈路狀態(tài)。

參數(shù)

典型值

最大值

單位

描述

正常工作模式 (100 Mbps, 雙端口活動)

200

300

mW

兩個(gè) PHY 均處于 100 Mbps 模式且有數(shù)據(jù)傳輸

正常工作模式 (10 Mbps, 雙端口活動)

150

250

mW

兩個(gè) PHY 均處于 10 Mbps 模式且有數(shù)據(jù)傳輸

低功耗模式 (PHY 禁用)

50

80

mW

僅 ESC 和 PDI 活躍,PHY 處于低功耗模式

掉電模式

10

20

μW

芯片大部分功能關(guān)閉,僅保留少量喚醒邏輯

詳細(xì)說明:LAN9253 支持多種電源模式,以優(yōu)化功耗。在正常工作模式下,功耗會隨著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率和端口活動的增加而增加。100 Mbps 模式下的功耗高于 10 Mbps 模式。當(dāng)不需要以太網(wǎng)通信時(shí),可以通過軟件將 PHY 禁用,使芯片進(jìn)入低功耗模式,此時(shí)只有 EtherCAT 從站控制器和 PDI 接口保持活躍,功耗顯著降低。在掉電模式下,芯片的大部分功能都被關(guān)閉,功耗降至微瓦級別,適用于需要超低功耗待機(jī)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的電源模式,并通過外部電路(如電源管理 IC)來有效管理芯片的供電,確保散熱滿足要求。在電源設(shè)計(jì)中,充足的去耦電容對于穩(wěn)定電源和降低噪聲至關(guān)重要。

5. EtherCAT 從站控制器 (ESC) 詳解

EtherCAT 從站控制器 (ESC) 是 LAN9253 的核心,它負(fù)責(zé)處理 EtherCAT 協(xié)議的所有復(fù)雜性,使得主機(jī)處理器可以專注于應(yīng)用邏輯。本節(jié)將深入探討 ESC 的功能塊、PDI 模式、同步管理器、分布式時(shí)鐘、狀態(tài)機(jī)以及關(guān)鍵寄存器映射。

5.1 ESC 功能塊

LAN9253 的 ESC 內(nèi)部由多個(gè)功能塊組成,這些模塊協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn) EtherCAT 協(xié)議的完整功能。

5.1.1 EtherCAT 處理單元 (EPU)EPU 是 ESC 的核心處理器,負(fù)責(zé)解析傳入的 EtherCAT 幀,識別 EtherCAT 數(shù)據(jù)報(bào),并根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的命令和地址信息,將數(shù)據(jù)路由到正確的內(nèi)部存儲器或寄存器。它還負(fù)責(zé)生成傳出的 EtherCAT 幀,將主機(jī)處理器寫入的數(shù)據(jù)或內(nèi)部狀態(tài)信息封裝到數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。EPU 實(shí)現(xiàn)了 EtherCAT 協(xié)議的底層邏輯,包括 CRC 校驗(yàn)、地址解析、數(shù)據(jù)報(bào)處理和錯(cuò)誤檢測。其硬件加速能力確保了 EtherCAT 協(xié)議的超低延遲處理。

5.1.2 分布式時(shí)鐘單元 (DCU)DCU 實(shí)現(xiàn)了 EtherCAT 的分布式時(shí)鐘功能。它包含一個(gè)高分辨率的 64 位系統(tǒng)時(shí)間計(jì)數(shù)器,能夠以納秒級精度跟蹤網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。DCU 接收來自 EtherCAT 主站的同步幀,并根據(jù)這些幀校準(zhǔn)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間,從而使網(wǎng)絡(luò)中的所有從站設(shè)備保持高度同步。DCU 可以配置生成兩個(gè)可編程的同步事件 (SYNC0 和 SYNC1),這些事件可以用于觸發(fā)外部硬件操作,如 ADC 采樣、PWM 輸出更新或電機(jī)控制器的同步。SYNC0 通常用于同步過程數(shù)據(jù)更新,而 SYNC1 則用于更高級的同步任務(wù)。

5.1.3 同步管理器 (SyncManagers)同步管理器是 EtherCAT 協(xié)議中用于管理數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵機(jī)制。LAN9253 的 ESC 提供了多個(gè)可配置的 SyncManagers,每個(gè) SyncManager 都可以定義 DPRAM 中的一個(gè)特定區(qū)域,并關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè) PDO (Process Data Object)。SyncManagers 可以配置為郵箱模式或過程數(shù)據(jù)模式。

  • 郵箱 SyncManagers: 用于處理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如 CoE (CANopen over EtherCAT)、FoE (File over EtherCAT) 和 EoE (Ethernet over EtherCAT) 協(xié)議。它們通常用于配置參數(shù)、診斷信息或固件更新。

  • 過程數(shù)據(jù) SyncManagers: 用于處理實(shí)時(shí)性要求高的過程數(shù)據(jù)。它們定義了輸入和輸出過程數(shù)據(jù)在 DPRAM 中的位置和大小,并控制這些數(shù)據(jù)與 EtherCAT 幀以及主機(jī)處理器之間的同步。例如,一個(gè) SyncManager 可以配置為輸入 PDO,當(dāng) EtherCAT 主站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),ESC 會將數(shù)據(jù)寫入該 SyncManager 對應(yīng)的 DPRAM 區(qū)域。

5.1.4 內(nèi)部雙端口 RAM (DPRAM)LAN9253 集成了 8 KB 的雙端口 RAM。DPRAM 是 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)處理器之間共享的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)通過 ESC 訪問 DPRAM,而主機(jī)處理器通過 PDI 訪問 DPRAM。這種雙端口設(shè)計(jì)允許兩者同時(shí)讀寫數(shù)據(jù),避免了數(shù)據(jù)沖突和等待,從而實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。DPRAM 的一部分用于存儲過程數(shù)據(jù),另一部分用于郵箱數(shù)據(jù)。其內(nèi)存映射由 EtherCAT 配置工具(如 TwinCAT)根據(jù) ESI (EtherCAT Slave Information) 文件進(jìn)行定義。

5.1.5 寄存器接口ESC 內(nèi)部包含大量的控制、狀態(tài)和配置寄存器。主機(jī)處理器通過 PDI 接口訪問這些寄存器,以配置 ESC 的行為、讀取其狀態(tài)、獲取診斷信息或控制特定的 EtherCAT 功能。這些寄存器包括 ESC 配置寄存器、AL 狀態(tài)寄存器、PDI 控制寄存器、DC 寄存器、SyncManager 配置寄存器等。

5.1.6 狀態(tài)機(jī)管理ESC 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了 EtherCAT 從站的狀態(tài)機(jī),負(fù)責(zé)管理從站設(shè)備的生命周期。從站狀態(tài)機(jī)通常包括 INIT (初始化)、PRE-OPERATIONAL (預(yù)操作)、SAFE-OPERATIONAL (安全操作) 和 OPERATIONAL (操作) 四個(gè)主要狀態(tài)。ESC 會根據(jù)主站的指令或內(nèi)部事件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并向主機(jī)處理器報(bào)告當(dāng)前狀態(tài)。

5.2 過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 模式

LAN9253 提供了靈活的過程數(shù)據(jù)接口 (PDI),允許主機(jī)處理器以多種方式與 ESC 交互。支持的 PDI 模式包括 SPI 和并行總線(8 位或 16 位)。

5.2.1 SPI 模式SPI (Serial Peripheral Interface) 模式是一種高速、全雙工的同步串行接口。在 SPI 模式下,LAN9253 作為 SPI 從機(jī),主機(jī)處理器作為 SPI 主機(jī)。

  • 連接: 只需要四根信號線:SPI_CSn (片選)、SPI_CLK (時(shí)鐘)、SPI_MOSI (主機(jī)輸出/從機(jī)輸入) 和 SPI_MISO (主機(jī)輸入/從機(jī)輸出)。

  • 速度: SPI_CLK 最高可達(dá) 50 MHz,提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量。

  • 優(yōu)點(diǎn): 硬件連接簡單,占用主機(jī)處理器 GPIO 資源少,適用于資源有限的微控制器。

  • 操作: 主機(jī)處理器通過發(fā)送 SPI 命令和數(shù)據(jù)來讀寫 LAN9253 內(nèi)部的 DPRAM 和寄存器。每次傳輸都由 SPI_CSn 的低電平激活。

  • 中斷: PDI_INTn 引腳用于向主機(jī)處理器發(fā)出中斷請求,通知有事件發(fā)生,如數(shù)據(jù)更新或郵箱數(shù)據(jù)到達(dá)。

5.2.2 并行總線模式 (8 位/16 位)并行總線模式提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量,適用于需要快速交換大量過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

  • 連接: 需要數(shù)據(jù)總線 (D[7:0] 或 D[15:0])、地址總線 (A[2:0])、讀使能 (nRD)、寫使能 (nWR) 和片選 (nCS) 等信號。

  • 速度: 并行總線模式的數(shù)據(jù)傳輸速率通常高于 SPI,具體取決于時(shí)鐘頻率和總線寬度。

  • 優(yōu)點(diǎn): 傳輸效率高,適合大數(shù)據(jù)量傳輸。

  • 缺點(diǎn): 占用主機(jī)處理器更多的 GPIO 資源,PCB 走線相對復(fù)雜。

  • 操作: 主機(jī)處理器通過設(shè)置地址線、數(shù)據(jù)線并控制 nRD/nWR 和 nCS 信號來直接讀寫 LAN9253 內(nèi)部的 DPRAM 和寄存器。

  • 中斷: PDI_INTn 引腳的功能與 SPI 模式下相同。

模式選擇: PDI 模式通過 MODE_SEL0 和 MODE_SEL1 引腳在芯片上電復(fù)位時(shí)進(jìn)行配置。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)主機(jī)處理器的接口能力、所需數(shù)據(jù)吞吐量以及 PCB 布局的復(fù)雜性來選擇合適的 PDI 模式。

5.3 同步管理器 (SyncManagers)

同步管理器是 EtherCAT 協(xié)議中用于管理 DPRAM 區(qū)域和數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵概念。LAN9253 的 ESC 支持多個(gè) SyncManagers,它們定義了 DPRAM 中的哪些區(qū)域用于過程數(shù)據(jù)或郵箱通信,以及這些數(shù)據(jù)如何與 EtherCAT 幀和主機(jī)處理器進(jìn)行同步。

5.3.1 SyncManager 類型

  • 郵箱 SyncManagers: 通常用于異步通信,如 CoE、FoE、EoE。它們提供緩沖區(qū)用于主站和從站之間交換非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。郵箱 SyncManagers 通常配置為緩沖區(qū)模式,數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收時(shí)不會自動覆蓋,需要通過軟件進(jìn)行管理。

  • 過程數(shù)據(jù) SyncManagers: 用于實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)交換。它們通常配置為循環(huán)模式或緩沖模式。

    • 循環(huán)模式 (Cyclic Mode): 最常用的過程數(shù)據(jù)模式。數(shù)據(jù)在每個(gè) EtherCAT 循環(huán)中自動更新。當(dāng)主站寫入數(shù)據(jù)時(shí),ESC 會將數(shù)據(jù)寫入 DPRAM 中的指定區(qū)域;當(dāng)主站讀取數(shù)據(jù)時(shí),ESC 會從 DPRAM 中讀取數(shù)據(jù)。

    • 緩沖模式 (Buffered Mode): 適用于需要緩存多組數(shù)據(jù)的場景。例如,一個(gè) SyncManager 可以配置為雙緩沖,當(dāng)一組數(shù)據(jù)被主站讀取時(shí),另一組數(shù)據(jù)可以被主機(jī)處理器寫入,從而實(shí)現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)更新。

5.3.2 SyncManager 配置每個(gè) SyncManager 都有一個(gè)對應(yīng)的配置寄存器,用于定義其屬性,包括:

  • 起始地址: DPRAM 中該 SyncManager 區(qū)域的起始地址。

  • 長度: 該 SyncManager 區(qū)域的大小 (字節(jié))。

  • 控制字節(jié): 定義 SyncManager 的方向 (輸入/輸出)、模式 (郵箱/過程數(shù)據(jù))、同步類型 (事件/同步脈沖) 等。

  • 狀態(tài)字節(jié): 指示 SyncManager 的當(dāng)前狀態(tài),如是否有數(shù)據(jù)可用、是否已同步等。

5.3.3 同步機(jī)制SyncManagers 的核心功能是同步。對于過程數(shù)據(jù) SyncManagers,同步可以通過以下方式實(shí)現(xiàn):

  • PDI 訪問同步: 主機(jī)處理器對 DPRAM 的訪問與 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的訪問是同步的。ESC 確保在 EtherCAT 幀處理過程中,主機(jī)處理器不會訪問正在被 ESC 更新的 DPRAM 區(qū)域,從而避免數(shù)據(jù)沖突。

  • SyncManager 事件: 當(dāng) SyncManager 的數(shù)據(jù)更新完成時(shí),ESC 可以生成一個(gè)事件,并通過 PDI_INTn 引腳通知主機(jī)處理器。主機(jī)處理器可以響應(yīng)這個(gè)中斷,讀取或?qū)懭胄碌倪^程數(shù)據(jù)。

  • 分布式時(shí)鐘同步: SyncManagers 可以與分布式時(shí)鐘 (DC) 功能結(jié)合使用。例如,一個(gè)過程數(shù)據(jù) SyncManager 可以配置為在 SYNC0 脈沖到達(dá)時(shí)更新數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中其他從站設(shè)備的高度同步。

正確配置 SyncManagers 對于 EtherCAT 從站的正常運(yùn)行至關(guān)重要。EtherCAT 配置工具會根據(jù) ESI 文件自動生成 SyncManager 的配置,但理解其工作原理有助于調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)性能。

5.4 分布式時(shí)鐘 (DC)

分布式時(shí)鐘 (Distributed Clocks, DC) 是 EtherCAT 協(xié)議的標(biāo)志性特性之一,它允許 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的所有從站設(shè)備實(shí)現(xiàn)納秒級的時(shí)鐘同步。LAN9253 的 ESC 內(nèi)部集成了高精度的分布式時(shí)鐘單元,是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵。

5.4.1 DC 工作原理在 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中,第一個(gè)支持 DC 功能的從站通常被指定為“參考時(shí)鐘”。主站會周期性地發(fā)送特殊的同步幀,這些幀在經(jīng)過每個(gè)從站時(shí),ESC 會記錄其到達(dá)時(shí)間。通過比較這些到達(dá)時(shí)間,并考慮電纜延遲,主站可以計(jì)算出每個(gè)從站相對于參考時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移。然后,主站會向每個(gè)從站發(fā)送校正值,使從站調(diào)整其內(nèi)部時(shí)鐘,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的高精度同步。

LAN9253 的 DCU 內(nèi)部包含一個(gè) 64 位系統(tǒng)時(shí)間計(jì)數(shù)器,以 1 ns 的分辨率遞增。這個(gè)計(jì)數(shù)器是所有同步事件的基礎(chǔ)。當(dāng)接收到主站的同步幀時(shí),DCU 會記錄幀的到達(dá)時(shí)間,并根據(jù)主站提供的校正值調(diào)整內(nèi)部計(jì)數(shù)器的頻率或相位,以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘的同步。

5.4.2 SYNC0 和 SYNC1 脈沖LAN9253 的 DCU 可以生成兩個(gè)可編程的同步脈沖:SYNC0 和 SYNC1。這兩個(gè)脈沖是外部硬件同步的關(guān)鍵。

  • SYNC0: 通常用于觸發(fā)過程數(shù)據(jù)的更新。例如,一個(gè) ADC 可以配置為在 SYNC0 脈沖到達(dá)時(shí)開始采樣,一個(gè) PWM 輸出可以配置為在 SYNC0 脈沖到達(dá)時(shí)更新其占空比。這確保了所有從站設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入和輸出都在精確的同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集。SYNC0 的周期通常與 EtherCAT 循環(huán)時(shí)間相同。

  • SYNC1: 提供第二個(gè)可編程的同步事件。它可以在 SYNC0 之后的一個(gè)可編程延遲時(shí)間觸發(fā),或者以不同的周期觸發(fā)。SYNC1 可以用于更復(fù)雜的同步任務(wù),例如在 SYNC0 之后執(zhí)行特定的計(jì)算或觸發(fā)另一個(gè)階段的硬件操作。

5.4.3 DC 寄存器ESC 內(nèi)部有專門的 DC 寄存器,用于配置和監(jiān)控分布式時(shí)鐘功能。這些寄存器包括:

  • 系統(tǒng)時(shí)間寄存器: 存儲當(dāng)前的 64 位系統(tǒng)時(shí)間。

  • 系統(tǒng)時(shí)間偏移寄存器: 用于調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間的偏移量。

  • DC 控制寄存器: 配置 DC 功能的啟用/禁用、SYNC0/SYNC1 的模式和極性。

  • SYNC0/SYNC1 周期寄存器: 定義 SYNC0 和 SYNC1 脈沖的周期。

  • SYNC0/SYNC1 啟動時(shí)間寄存器: 定義 SYNC0 和 SYNC1 脈沖相對于系統(tǒng)時(shí)間的觸發(fā)點(diǎn)。

通過正確配置這些寄存器,設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)對外部硬件的精確時(shí)間同步,滿足工業(yè)自動化應(yīng)用對實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求。分布式時(shí)鐘是 EtherCAT 區(qū)別于其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的關(guān)鍵優(yōu)勢之一,它使得 EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)真正的分布式控制和高精度同步。

5.5 狀態(tài)機(jī)

EtherCAT 從站設(shè)備會經(jīng)歷一個(gè)定義好的狀態(tài)機(jī),以管理其生命周期和功能。LAN9253 的 ESC 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了這個(gè)狀態(tài)機(jī),并負(fù)責(zé)根據(jù) EtherCAT 主站的指令或內(nèi)部事件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。理解這些狀態(tài)對于開發(fā) EtherCAT 從站應(yīng)用程序至關(guān)重要。

5.5.1 從站狀態(tài)EtherCAT 從站通常有以下主要狀態(tài):

  • INIT (初始化): 這是從站設(shè)備上電后的初始狀態(tài)。在此狀態(tài)下,ESC 僅響應(yīng)少數(shù) EtherCAT 命令,如讀取設(shè)備標(biāo)識符和基本配置信息。PDI 接口通常處于活動狀態(tài),允許主機(jī)處理器進(jìn)行初始化和配置。在此狀態(tài)下,EtherCAT 通信尚未完全建立,過程數(shù)據(jù)交換是禁用的。

    • 進(jìn)入條件: 上電復(fù)位,或從任何其他狀態(tài)通過主站指令進(jìn)入。

    • 主要功能: 讀取設(shè)備信息,加載 EEPROM 配置,主機(jī)處理器初始化。

  • PRE-OPERATIONAL (預(yù)操作): 在此狀態(tài)下,EtherCAT 通信已建立,主站可以訪問從站的郵箱通信(如 CoE),但過程數(shù)據(jù)交換仍然禁用。此狀態(tài)通常用于從站的配置、參數(shù)設(shè)置和診斷。主機(jī)處理器可以訪問 DPRAM 和寄存器,進(jìn)行必要的初始化和準(zhǔn)備工作。

    • 進(jìn)入條件: 從 INIT 狀態(tài)通過主站指令進(jìn)入。

    • 主要功能: 郵箱通信,參數(shù)配置,診斷,主機(jī)處理器準(zhǔn)備過程數(shù)據(jù)。

  • SAFE-OPERATIONAL (安全操作): 在此狀態(tài)下,過程數(shù)據(jù)交換開始啟用,但從站的輸出仍然保持在安全狀態(tài)(例如,電機(jī)驅(qū)動器輸出為零,I/O 模塊輸出為默認(rèn)安全值)。主站可以讀取從站的輸入數(shù)據(jù),但不能控制從站的輸出。此狀態(tài)通常用于在完全操作之前驗(yàn)證系統(tǒng)配置和確保安全。分布式時(shí)鐘功能通常在此狀態(tài)下開始同步。

    • 進(jìn)入條件: 從 PRE-OPERATIONAL 狀態(tài)通過主站指令進(jìn)入,并且所有 SyncManagers 都已正確配置。

    • 主要功能: 輸入過程數(shù)據(jù)交換,DC 同步,輸出保持安全狀態(tài)。

  • OPERATIONAL (操作): 這是 EtherCAT 從站的正常工作狀態(tài)。在此狀態(tài)下,所有功能都已啟用,包括過程數(shù)據(jù)輸入和輸出。主站可以完全控制從站的輸出,并實(shí)時(shí)交換過程數(shù)據(jù)。分布式時(shí)鐘功能完全同步,并生成 SYNC0/SYNC1 脈沖以同步外部硬件。

    • 進(jìn)入條件: 從 SAFE-OPERATIONAL 狀態(tài)通過主站指令進(jìn)入,并且所有必要的條件都已滿足(例如,安全鏈已閉合)。

    • 主要功能: 全功能實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)交換,完全控制輸出。

5.5.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換從站狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通常由 EtherCAT 主站通過 AL Control 寄存器發(fā)出指令來控制。從站也會根據(jù)內(nèi)部事件(如錯(cuò)誤檢測)自動進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換(例如,從 OPERATIONAL 切換到 SAFE-OPERATIONAL)。主機(jī)處理器可以讀取 ESC 的 AL Status 寄存器來獲取當(dāng)前從站狀態(tài)。

5.5.3 錯(cuò)誤處理當(dāng)從站檢測到錯(cuò)誤時(shí)(例如,看門狗超時(shí)、PHY 錯(cuò)誤、PDI 錯(cuò)誤),它可能會自動從 OPERATIONAL 狀態(tài)切換到 SAFE-OPERATIONAL 狀態(tài),甚至 INIT 狀態(tài),以確保系統(tǒng)安全。主機(jī)處理器需要監(jiān)控 ESC 的錯(cuò)誤寄存器,并根據(jù)錯(cuò)誤類型采取相應(yīng)的處理措施。

理解 EtherCAT 從站狀態(tài)機(jī)對于開發(fā)健壯的 EtherCAT 從站應(yīng)用程序至關(guān)重要。主機(jī)處理器需要根據(jù)從站的當(dāng)前狀態(tài)來調(diào)整其行為,并確保在正確的狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的操作。

5.6 寄存器映射

LAN9253 的 EtherCAT 從站控制器 (ESC) 具有豐富的寄存器集,用于配置芯片、控制其操作、讀取狀態(tài)信息以及訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)。主機(jī)處理器通過 PDI 接口(SPI 或并行總線)訪問這些寄存器。以下是一些關(guān)鍵寄存器類別的概述,實(shí)際數(shù)據(jù)手冊中會提供每個(gè)寄存器的詳細(xì)地址、位定義和功能描述。

5.6.1 ESC 配置寄存器 (ESC Configuration Registers)這些寄存器用于配置 ESC 的基本操作模式和功能。

  • 類型: 例如,ESC Type (0x0000),指示芯片類型。

  • 修訂: 例如,Revision (0x0001),指示芯片的硬件修訂版本。

  • Build: 例如,Build (0x0002),指示 ESC 的內(nèi)部構(gòu)建版本。

  • PDI 控制: 例如,PDI Control (0x0140),配置 PDI 接口的模式和中斷行為。

  • EEPROM 配置: 例如,EEPROM Configuration (0x0500),控制 EEPROM 的讀寫操作。

5.6.2 AL 狀態(tài)和控制寄存器 (Application Layer Status and Control Registers)這些寄存器用于管理 EtherCAT 從站的狀態(tài)機(jī)和應(yīng)用層狀態(tài)。

  • AL Status (0x0130): 讀取從站的當(dāng)前狀態(tài)(INIT, PRE-OP, SAFE-OP, OP)。

  • AL Control (0x0120): 主站通過此寄存器控制從站的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

  • AL Status Code (0x0134): 提供從站狀態(tài)的詳細(xì)錯(cuò)誤代碼。

  • AL Event Request (0x0220): 指示 ESC 內(nèi)部發(fā)生的各種事件(如 SyncManager 事件、看門狗事件)。

  • AL Event Enable (0x0204): 啟用/禁用特定事件的中斷。

5.6.3 SyncManager 寄存器 (SyncManager Registers)每個(gè) SyncManager 都有一組寄存器來定義其屬性和行為。

  • SyncManager 0 配置 (0x0800): 定義 SyncManager 0 的起始地址、長度、控制字節(jié)等。

  • SyncManager 1 配置 (0x0808): 定義 SyncManager 1 的起始地址、長度、控制字節(jié)等。

  • ...以此類推,每個(gè) SyncManager 都對應(yīng)一個(gè)寄存器塊。

  • SyncManager 狀態(tài): 每個(gè) SyncManager 都有一個(gè)狀態(tài)位,指示其是否已同步、是否有數(shù)據(jù)可用等。

5.6.4 分布式時(shí)鐘 (DC) 寄存器 (Distributed Clock Registers)這些寄存器用于配置和監(jiān)控分布式時(shí)鐘功能。

  • 系統(tǒng)時(shí)間 (0x0900): 64 位寄存器,存儲當(dāng)前的 EtherCAT 系統(tǒng)時(shí)間。

  • 系統(tǒng)時(shí)間偏移 (0x0910): 用于調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間。

  • DC 控制 (0x0980): 配置 DC 功能的啟用、SYNC0/SYNC1 的極性和模式。

  • SYNC0 周期 (0x09A0): 定義 SYNC0 脈沖的周期。

  • SYNC0 啟動時(shí)間 (0x09A4): 定義 SYNC0 脈沖相對于系統(tǒng)時(shí)間的觸發(fā)點(diǎn)。

  • SYNC1 周期 (0x09B0): 定義 SYNC1 脈沖的周期。

  • SYNC1 啟動時(shí)間 (0x09B4): 定義 SYNC1 脈沖相對于系統(tǒng)時(shí)間的觸發(fā)點(diǎn)。

5.6.5 PHY 寄存器 (PHY Registers)雖然 LAN9253 的 PHY 是集成的,但仍然可以通過 ESC 訪問其 MII 管理接口 (MIIM) 寄存器,用于配置 PHY 的工作模式或讀取其狀態(tài)。

  • PHY 地址: 例如,Port 0 PHY 地址通常為 0x00,Port 1 PHY 地址為 0x01。

  • PHY 控制寄存器 (寄存器 0): 配置 PHY 的速度、雙工模式、自動協(xié)商等。

  • PHY 狀態(tài)寄存器 (寄存器 1): 讀取 PHY 的鏈路狀態(tài)、速度、雙工模式等。

5.6.6 診斷和錯(cuò)誤寄存器 (Diagnostic and Error Registers)這些寄存器提供關(guān)于芯片內(nèi)部狀態(tài)和錯(cuò)誤信息的詳細(xì)診斷數(shù)據(jù)。

  • 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器: 例如,RX 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、CRC 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。

  • 看門狗計(jì)數(shù)器: 監(jiān)控 ESC 的看門狗狀態(tài)。

  • PDI 錯(cuò)誤狀態(tài): 指示 PDI 接口的錯(cuò)誤。

訪問方式:主機(jī)處理器通過 PDI 接口(SPI 或并行總線)向 ESC 發(fā)送讀寫命令,并指定要訪問的寄存器地址。理解這些寄存器的功能和位定義對于開發(fā) EtherCAT 從站固件和應(yīng)用程序至關(guān)重要。EtherCAT 配置工具通常會根據(jù) ESI 文件自動生成這些寄存器的默認(rèn)配置,但高級應(yīng)用可能需要通過軟件動態(tài)修改某些寄存器以實(shí)現(xiàn)特定功能。

6. 集成式以太網(wǎng) PHY 詳解

LAN9253 集成了兩個(gè)高性能的 10/100 Mbps 以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器,極大地簡化了 EtherCAT 從站的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)。本節(jié)將深入探討這些集成 PHY 的功能、特性以及它們在 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的作用。

6.1 PHY 功能和特性

LAN9253 的每個(gè)集成 PHY 都具備現(xiàn)代以太網(wǎng) PHY 所需的所有核心功能,確保了與各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容性和可靠的通信。

6.1.1 10BASE-T 和 100BASE-TX 支持每個(gè) PHY 都完全支持 IEEE 802.3u 標(biāo)準(zhǔn)的 100BASE-TX (快速以太網(wǎng)) 和 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的 10BASE-T (標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng))。這意味著它們能夠以 10 Mbps 或 100 Mbps 的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并支持全雙工和半雙工操作模式。100BASE-TX 使用兩對雙絞線進(jìn)行傳輸,而 10BASE-T 也可以使用兩對雙絞線。

6.1.2 自動協(xié)商 (Auto-Negotiation)自動協(xié)商是 PHY 的一項(xiàng)關(guān)鍵功能,它允許 PHY 自動檢測并與連接的鏈路伙伴(如以太網(wǎng)交換機(jī)或另一個(gè) EtherCAT 從站)協(xié)商最佳的工作模式。這包括協(xié)商鏈路速度(10 Mbps 或 100 Mbps)和雙工模式(半雙工或全雙工)。當(dāng) LAN9253 連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí),PHY 會自動執(zhí)行協(xié)商過程,無需用戶手動配置,從而簡化了設(shè)備的部署和維護(hù)。自動協(xié)商確保了最佳的鏈路性能和互操作性。

6.1.3 HP Auto-MDIX (自動媒體相關(guān)接口交叉)HP Auto-MDIX 功能消除了對直通線和交叉線纜的區(qū)分。無論連接到集線器、交換機(jī)還是其他設(shè)備,用戶都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的直通線纜。PHY 會自動檢測電纜類型,并相應(yīng)地調(diào)整其發(fā)送 (TX) 和接收 (RX) 引腳的連接,確保數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。這項(xiàng)功能大大簡化了安裝和故障排除,減少了因線纜類型不匹配而導(dǎo)致的連接問題。

6.1.4 鏈路狀態(tài)檢測PHY 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測以太網(wǎng)鏈路的物理連接狀態(tài)。當(dāng)鏈路建立(即成功連接到網(wǎng)絡(luò))或斷開時(shí),PHY 會更新其內(nèi)部狀態(tài)寄存器。這些狀態(tài)信息可以通過 ESC 訪問,并可以用于驅(qū)動外部 LED 指示燈(如 LEDx_LINK/ACT 引腳),提供直觀的鏈路狀態(tài)反饋。鏈路狀態(tài)檢測對于網(wǎng)絡(luò)診斷和應(yīng)用程序的錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制非常重要。

6.1.5 電纜診斷 (Cable Diagnostics)LAN9253 的集成 PHY 具備電纜診斷功能,能夠檢測以太網(wǎng)電纜的常見故障,如開路、短路、錯(cuò)對 (pair swap) 和反對 (pair polarity inversion)。更高級的診斷功能甚至可以估算故障發(fā)生的大致距離。這項(xiàng)功能對于工業(yè)現(xiàn)場的故障排除非常有價(jià)值,可以幫助維護(hù)人員快速定位電纜問題,減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。通過讀取 PHY 寄存器,主機(jī)處理器可以獲取詳細(xì)的電纜診斷結(jié)果。

6.1.6 低功耗模式PHY 支持多種低功耗模式,以降低系統(tǒng)整體功耗。當(dāng)以太網(wǎng)鏈路不活動時(shí),PHY 可以進(jìn)入低功耗狀態(tài),例如節(jié)能以太網(wǎng) (EEE) 模式或深度睡眠模式。這些模式可以由主站或主機(jī)處理器通過軟件控制,有助于延長電池壽命或降低散熱要求。

6.1.7 集成線路驅(qū)動器/接收器PHY 內(nèi)部集成了必要的線路驅(qū)動器和接收器,用于驅(qū)動和接收以太網(wǎng)信號。這意味著在大多數(shù)情況下,只需要少量的外部無源元件(如電阻、電容和共模扼流圈)即可完成 PHY 的連接,而無需復(fù)雜的外部磁性元件陣列,從而降低了 BOM 成本和 PCB 面積。

6.2 MII/RMII 接口

雖然 LAN9253 的 PHY 是集成的,但其內(nèi)部仍然通過標(biāo)準(zhǔn)的 MII (Media Independent Interface) 或 RMII (Reduced Media Independent Interface) 與 EtherCAT 從站控制器 (ESC) 進(jìn)行通信。這些接口定義了 PHY 和 MAC (Media Access Control) 層之間的數(shù)據(jù)和控制信號。

MII (Media Independent Interface):MII 是一個(gè) 4 位寬的并行接口,用于 10 Mbps 和 100 Mbps 以太網(wǎng)。它包含獨(dú)立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑,以及時(shí)鐘和控制信號。

  • 發(fā)送數(shù)據(jù): TXD[3:0] (4位數(shù)據(jù))、TX_EN (發(fā)送使能)、TX_CLK (發(fā)送時(shí)鐘)。

  • 接收數(shù)據(jù): RXD[3:0] (4位數(shù)據(jù))、RX_DV (接收數(shù)據(jù)有效)、RX_ER (接收錯(cuò)誤)、RX_CLK (接收時(shí)鐘)。

  • 控制: CRS (載波檢測)、COL (沖突檢測)。

  • 管理接口: MDIO (管理數(shù)據(jù)輸入/輸出)、MDC (管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘),用于訪問 PHY 的內(nèi)部寄存器。

RMII (Reduced Media Independent Interface):RMII 是 MII 的簡化版本,旨在減少引腳數(shù)量。它是一個(gè) 2 位寬的并行接口,使用一個(gè)公共時(shí)鐘源,并復(fù)用一些控制信號。

  • 發(fā)送數(shù)據(jù): TXD[1:0] (2位數(shù)據(jù))、TX_EN (發(fā)送使能)。

  • 接收數(shù)據(jù): RXD[1:0] (2位數(shù)據(jù))、CRS_DV (載波檢測/數(shù)據(jù)有效)、RX_ER (接收錯(cuò)誤)。

  • 公共時(shí)鐘: REF_CLK (參考時(shí)鐘,通常為 50 MHz)。

  • 管理接口: MDIO、MDC。

LAN9253 的 ESC 內(nèi)部集成了 MAC 功能,并通過內(nèi)部總線直接與集成 PHY 的 MII/RMII 接口通信。這意味著用戶無需在外部實(shí)現(xiàn) MII/RMII 接口,進(jìn)一步簡化了設(shè)計(jì)。通過 ESC 訪問 PHY 的 MDIO/MDC 寄存器,可以對 PHY 進(jìn)行高級配置和診斷。

6.3 磁性元件和 ESD 保護(hù)

盡管 LAN9253 的 PHY 是高度集成的,但為了確保以太網(wǎng)通信的可靠性、信號完整性和電磁兼容性 (EMC),仍然需要外部的磁性元件和 ESD 保護(hù)。

6.3.1 磁性元件 (Magnetics)以太網(wǎng)磁性元件(通常是網(wǎng)絡(luò)變壓器或集成 RJ45 連接器中的磁性模塊)在 PHY 和以太網(wǎng)電纜之間提供以下關(guān)鍵功能:

  • 電氣隔離: 將 PHY 的低壓數(shù)字電路與以太網(wǎng)電纜上的高壓瞬態(tài)和共模噪聲隔離,保護(hù) PHY 免受損壞。

  • 阻抗匹配: 將 PHY 的輸出阻抗與以太網(wǎng)電纜的特性阻抗(通常為 100 歐姆)進(jìn)行匹配,以最大限度地減少信號反射,確保信號完整性。

  • 共模抑制: 抑制以太網(wǎng)電纜上的共模噪聲,提高抗干擾能力。

  • 發(fā)送/接收信號平衡: 將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號進(jìn)行傳輸,反之亦然。

LAN9253 的 PHY 通常需要一個(gè) 10/100BASE-TX 兼容的磁性模塊,該模塊應(yīng)包含發(fā)送和接收路徑的隔離變壓器和共模扼流圈。選擇符合 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的磁性元件至關(guān)重要。

6.3.2 ESD 保護(hù) (Electrostatic Discharge Protection)以太網(wǎng)端口是設(shè)備最容易受到靜電放電 (ESD) 沖擊的接口之一,因?yàn)橛脩艚?jīng)常會觸摸 RJ45 連接器。雖然 LAN9253 內(nèi)部集成了 ESD 保護(hù),但為了滿足工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格 ESD 要求(如 IEC 61000-4-2),通常需要在 RJ45 連接器和磁性元件之間添加外部瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列。

  • 放置: TVS 器件應(yīng)盡可能靠近 RJ45 連接器放置,以在靜電放電能量進(jìn)入 PCB 之前將其鉗位。

  • 類型: 選擇低鉗位電壓、快速響應(yīng)時(shí)間和高 ESD 耐受能力的 TVS 器件。

  • 接地: ESD 保護(hù)電路的接地路徑必須是低阻抗的,并直接連接到系統(tǒng)的保護(hù)接地。

正確的磁性元件和 ESD 保護(hù)設(shè)計(jì)對于確保 LAN9253 在工業(yè)環(huán)境中的長期可靠性和 EMC 兼容性至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員應(yīng)參考 LAN9253 的應(yīng)用筆記和相關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

7. 存儲器接口

LAN9253 內(nèi)部集成了雙端口 RAM (DPRAM) 用于數(shù)據(jù)存儲,并支持外部 EEPROM 接口用于配置信息。

7.1 內(nèi)部 RAM 結(jié)構(gòu)

LAN9253 內(nèi)部集成了 8 KB 的雙端口 RAM (DPRAM)。DPRAM 是 EtherCAT 從站控制器 (ESC) 和主機(jī)處理器之間共享的核心數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。其雙端口特性允許 ESC 和主機(jī)處理器同時(shí)、獨(dú)立地訪問 RAM,從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換,避免了傳統(tǒng)的單端口 RAM 在并發(fā)訪問時(shí)可能出現(xiàn)的仲裁延遲。

7.1.1 DPRAM 的作用

  • 過程數(shù)據(jù)存儲: DPRAM 的大部分區(qū)域用于存儲 EtherCAT 過程數(shù)據(jù) (PDO)。這些數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)性要求最高的輸入和輸出數(shù)據(jù),例如傳感器讀數(shù)、執(zhí)行器命令、電機(jī)位置等。ESC 負(fù)責(zé)將從 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)接收到的輸入過程數(shù)據(jù)寫入 DPRAM,并將主機(jī)處理器寫入 DPRAM 的輸出過程數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

  • 郵箱數(shù)據(jù)存儲: DPRAM 的另一部分區(qū)域用于存儲 EtherCAT 郵箱數(shù)據(jù)。郵箱用于傳輸非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如設(shè)備配置參數(shù)、診斷信息、固件更新等。通過 CoE (CANopen over EtherCAT)、FoE (File over EtherCAT) 和 EoE (Ethernet over EtherCAT) 等協(xié)議,主站和從站可以通過郵箱交換數(shù)據(jù)。

  • EtherCAT 寄存器映射: 雖然大部分 EtherCAT 寄存器是獨(dú)立的硬件寄存器,但 DPRAM 中也會映射一部分 EtherCAT 寄存器或其鏡像,方便主機(jī)處理器通過統(tǒng)一的 DPRAM 訪問機(jī)制進(jìn)行讀寫。

7.1.2 DPRAM 訪問

  • EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)訪問: ESC 根據(jù) EtherCAT 幀中的地址信息,直接訪問 DPRAM 區(qū)域進(jìn)行讀寫操作。這種訪問是硬件加速的,確保了極低的延遲。

  • 主機(jī)處理器訪問: 主機(jī)處理器通過 PDI 接口(SPI 或并行總線)訪問 DPRAM。主機(jī)處理器可以通過讀寫 DPRAM 來獲取最新的輸入過程數(shù)據(jù),并更新需要發(fā)送的輸出過程數(shù)據(jù)。

7.1.3 同步與仲裁DPRAM 的雙端口設(shè)計(jì)本身就解決了大部分并發(fā)訪問問題。然而,對于某些共享資源的訪問,例如 SyncManager 的控制狀態(tài),ESC 和主機(jī)處理器之間仍然需要一定的同步機(jī)制。EtherCAT 協(xié)議通過 SyncManagers 的狀態(tài)位和事件中斷來協(xié)調(diào)對 DPRAM 區(qū)域的訪問,確保數(shù)據(jù)一致性。例如,當(dāng) ESC 正在更新輸入過程數(shù)據(jù)時(shí),它會鎖定相應(yīng)的 DPRAM 區(qū)域,防止主機(jī)處理器同時(shí)讀取不完整的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)更新完成后,ESC 會通過 PDI_INTn 引腳發(fā)出中斷,通知主機(jī)處理器可以安全地讀取新數(shù)據(jù)。

7.2 EEPROM 接口和配置

LAN9253 集成了 EEPROM 控制器,支持通過 I2C 接口連接外部串行 EEPROM。EEPROM 用于存儲 EtherCAT 從站設(shè)備的永久配置數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在芯片上電復(fù)位后會自動加載。

7.2.1 EEPROM 的作用

  • EtherCAT 設(shè)備標(biāo)識符: 最重要的用途是存儲 EtherCAT 設(shè)備標(biāo)識符,包括:

    • Vendor ID (供應(yīng)商 ID): 標(biāo)識設(shè)備制造商。

    • Product Code (產(chǎn)品代碼): 標(biāo)識設(shè)備型號。

    • Revision Number (修訂版本號): 標(biāo)識設(shè)備的硬件/固件修訂版本。

    • Serial Number (序列號): 設(shè)備的唯一序列號。 這些標(biāo)識符對于 EtherCAT 主站識別和配置從站設(shè)備至關(guān)重要。

  • 設(shè)備配置數(shù)據(jù): 可以存儲其他用戶自定義的設(shè)備配置參數(shù),例如默認(rèn)的 EtherCAT 過程數(shù)據(jù)映射、SyncManager 配置、PHY 配置等。

  • ESI 文件數(shù)據(jù): EEPROM 還可以存儲 EtherCAT 從站信息 (ESI) 文件的部分或全部內(nèi)容。ESI 文件描述了從站的功能、支持的 PDO、對象字典等信息,主站通過 ESI 文件來配置和管理從站。

7.2.2 EEPROM 接口LAN9253 通過專用的 EEPROM_SDA (數(shù)據(jù)) 和 EEPROM_SCL (時(shí)鐘) 引腳與外部 I2C 兼容的 EEPROM 進(jìn)行通信。通常需要外部上拉電阻來確保 I2C 總線的正常工作。

  • EEPROM 類型: 支持標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 兼容串行 EEPROM,例如 Microchip 的 24LCxx 系列。EEPROM 的容量應(yīng)足以存儲所需的配置數(shù)據(jù)。

  • 自動加載: 在 LAN9253 上電復(fù)位后,ESC 會自動從 EEPROM 讀取配置數(shù)據(jù)并加載到內(nèi)部寄存器中。這使得設(shè)備在啟動時(shí)能夠快速進(jìn)入預(yù)配置狀態(tài)。

  • 軟件訪問: 主機(jī)處理器也可以通過 PDI 接口訪問 ESC 的 EEPROM 控制器寄存器,從而在運(yùn)行時(shí)讀取或?qū)懭?EEPROM 數(shù)據(jù)。這對于設(shè)備校準(zhǔn)、參數(shù)修改或固件更新等應(yīng)用非常有用。

7.2.3 EEPROM 配置注意事項(xiàng)

  • 數(shù)據(jù)格式: EEPROM 中的數(shù)據(jù)必須按照 EtherCAT 規(guī)范定義的特定格式進(jìn)行存儲。通常,EtherCAT 配置工具會生成一個(gè)二進(jìn)制文件,可以直接燒錄到 EEPROM 中。

  • CRC 校驗(yàn): EEPROM 數(shù)據(jù)通常包含 CRC 校驗(yàn)碼,以確保數(shù)據(jù)的完整性和正確性。ESC 在加載數(shù)據(jù)時(shí)會進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)。

  • 寫入保護(hù): 為了防止意外修改,建議在 EEPROM 燒錄完成后啟用其寫入保護(hù)功能(如果 EEPROM 支持)。

正確的 EEPROM 配置對于 EtherCAT 從站的互操作性和功能至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保 EEPROM 的內(nèi)容與 ESI 文件描述的功能一致,并且在生產(chǎn)過程中正確燒錄。

8. 時(shí)鐘和復(fù)位

時(shí)鐘和復(fù)位是數(shù)字電路正常工作的兩個(gè)基本要素。LAN9253 對時(shí)鐘源和復(fù)位機(jī)制有特定的要求,以確保其內(nèi)部邏輯和 EtherCAT 功能的穩(wěn)定運(yùn)行。

8.1 時(shí)鐘源要求

LAN9253 需要一個(gè)精確的外部時(shí)鐘源來驅(qū)動其內(nèi)部 PLL (鎖相環(huán))、EtherCAT 從站控制器 (ESC) 和以太網(wǎng) PHY。最常用的時(shí)鐘源是外部晶體振蕩器。

8.1.1 晶體振蕩器連接

  • 頻率: LAN9253 通常需要一個(gè) 25 MHz 的外部晶體振蕩器。這是以太網(wǎng) PHY 和 EtherCAT 內(nèi)部時(shí)鐘生成的基礎(chǔ)頻率。

  • 引腳: 晶體連接到 XTAL1 (輸入) 和 XTAL2 (輸出) 引腳。

  • 負(fù)載電容: 晶體振蕩器需要外部負(fù)載電容 (C_L1, C_L2) 來確保其在正確的頻率下振蕩。這些電容的值應(yīng)根據(jù)晶體制造商的推薦值進(jìn)行選擇,并考慮 PCB 走線的寄生電容。通常,這些電容連接在晶體引腳和接地之間。

  • 布局: 晶體振蕩器及其相關(guān)的無源元件應(yīng)盡可能靠近 LAN9253 的 XTAL1 和 XTAL2 引腳放置,并遠(yuǎn)離噪聲源,以減少電磁干擾 (EMI) 和確保信號完整性。晶體走線應(yīng)短而直,并避免與高速數(shù)字信號線交叉。

8.1.2 外部時(shí)鐘輸入除了晶體振蕩器,LAN9253 也可以通過 XTAL1 引腳接收外部時(shí)鐘信號。

  • 頻率: 同樣,外部時(shí)鐘源的頻率也應(yīng)為 25 MHz。

  • 信號質(zhì)量: 外部時(shí)鐘信號應(yīng)具有良好的方波特性、低抖動和適當(dāng)?shù)碾妷簲[幅,以確保 PLL 能夠穩(wěn)定鎖定。

  • 連接: 在這種模式下,XTAL2 引腳通常保持浮空或連接到 VSS (根據(jù)數(shù)據(jù)手冊具體要求)。

8.1.3 CLKOUT 引腳LAN9253 提供一個(gè)可配置的 CLKOUT 引腳,可以輸出一個(gè)時(shí)鐘信號,用于為系統(tǒng)中的其他組件(如微控制器)提供時(shí)鐘。

  • 頻率: CLKOUT 的頻率通??梢耘渲脼?XTAL 頻率的分頻,例如 25 MHz 或 12.5 MHz。

  • 用途: 減少外部晶體/振蕩器的數(shù)量,簡化系統(tǒng)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)。

  • 驅(qū)動能力: 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮 CLKOUT 引腳的驅(qū)動能力和負(fù)載要求。

正確的時(shí)鐘源選擇和布局對于 LAN9253 的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,特別是對于分布式時(shí)鐘 (DC) 的精度和以太網(wǎng) PHY 的性能。

8.2 復(fù)位機(jī)制

復(fù)位機(jī)制確保芯片在啟動時(shí)或從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)時(shí)能夠正確初始化。LAN9253 支持硬件復(fù)位和內(nèi)部上電復(fù)位。

8.2.1 硬件復(fù)位 (nRST)

  • 引腳: nRST 是一個(gè)低電平有效的復(fù)位輸入引腳。當(dāng)此引腳被拉低時(shí),LAN9253 的所有內(nèi)部邏輯和寄存器都會被復(fù)位到其默認(rèn)狀態(tài)。

  • 連接: nRST 引腳通常連接到系統(tǒng)復(fù)位控制器或微控制器的 GPIO,并通常通過一個(gè) RC 電路或?qū)S玫膹?fù)位 IC 來實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位延遲,確保電源穩(wěn)定后才釋放復(fù)位信號。

  • 復(fù)位時(shí)序: 在 nRST 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖街?,需要滿足一定的低電平持續(xù)時(shí)間(復(fù)位脈沖寬度)和電源穩(wěn)定時(shí)間。在 nRST 釋放后,芯片需要一定的時(shí)間來完成內(nèi)部初始化(啟動時(shí)間),在此期間不應(yīng)進(jìn)行任何操作。這些時(shí)序參數(shù)在數(shù)據(jù)手冊的交流電氣特性部分有詳細(xì)說明。

  • 用途: 用于系統(tǒng)上電時(shí)的初始化,以及在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需要重新啟動 EtherCAT 通信時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位。

8.2.2 內(nèi)部上電復(fù)位 (POR)LAN9253 內(nèi)部集成了上電復(fù)位 (POR) 電路。

  • 功能: POR 電路在檢測到電源電壓從零上升到其穩(wěn)定工作電壓時(shí),會自動生成一個(gè)內(nèi)部復(fù)位信號。這確保了即使沒有外部硬件復(fù)位信號,芯片也能在電源穩(wěn)定后正確啟動。

  • 重要性: POR 功能簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),因?yàn)樗鼰o需外部復(fù)位 IC 或復(fù)雜的 RC 電路來處理上電復(fù)位,但通常仍建議使用外部 nRST 引腳進(jìn)行更可靠的系統(tǒng)級復(fù)位控制。

8.2.3 復(fù)位序列一個(gè)典型的復(fù)位序列包括:

  1. 系統(tǒng)上電,電源電壓逐漸上升并穩(wěn)定。

  2. 內(nèi)部 POR 電路檢測到電源穩(wěn)定,生成內(nèi)部復(fù)位。

  3. 外部 nRST 引腳由復(fù)位控制器保持低電平一段時(shí)間,確保充分復(fù)位。

  4. nRST 引腳被釋放(變?yōu)楦唠娖剑?/span>

  5. LAN9253 開始內(nèi)部初始化過程,包括從 EEPROM 加載配置數(shù)據(jù)。

  6. 在啟動時(shí)間結(jié)束后,芯片進(jìn)入 INIT 狀態(tài),并準(zhǔn)備好與主機(jī)處理器和 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

正確的復(fù)位設(shè)計(jì)對于確保 LAN9253 的可靠啟動和從錯(cuò)誤中恢復(fù)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)遵循數(shù)據(jù)手冊中關(guān)于復(fù)位時(shí)序和電源穩(wěn)定性的要求。

9. 電源管理

電源管理是 LAN9253 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面,它直接影響到設(shè)備的功耗、散熱和整體系統(tǒng)成本。LAN9253 支持多種電源模式,以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和功耗需求。

9.1 電源模式

LAN9253 提供了靈活的電源管理功能,允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求在性能和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

9.1.1 正常工作模式 (Normal Operation Mode)這是芯片的默認(rèn)工作模式,所有功能模塊(EtherCAT 從站控制器、兩個(gè)以太網(wǎng) PHY、PDI 接口)都處于活動狀態(tài)。

  • 特點(diǎn): 提供最高性能和數(shù)據(jù)吞吐量。

  • 功耗: 功耗最高,具體取決于以太網(wǎng)鏈路的速度(10 Mbps 或 100 Mbps)和數(shù)據(jù)傳輸活動。在 100 Mbps 全雙工模式下,功耗通常最高。

  • 應(yīng)用: 適用于需要持續(xù)實(shí)時(shí)通信和高性能 EtherCAT 功能的應(yīng)用。

9.1.2 低功耗模式 (Low Power Mode / Standby Mode)在此模式下,可以部分或完全禁用以太網(wǎng) PHY,從而顯著降低功耗。EtherCAT 從站控制器 (ESC) 和過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 通常保持活動狀態(tài),允許主機(jī)處理器繼續(xù)訪問 DPRAM 和寄存器。

  • 特點(diǎn): 降低功耗,但以太網(wǎng)通信可能中斷或受限。

  • 控制: 可以通過寫入 PHY 寄存器或 ESC 寄存器來控制 PHY 的低功耗狀態(tài)。例如,可以將 PHY 置于軟件掉電模式。

  • 功耗: 功耗遠(yuǎn)低于正常工作模式。

  • 應(yīng)用: 適用于需要間歇性以太網(wǎng)通信或在不活動期間節(jié)省功耗的應(yīng)用,例如在設(shè)備待機(jī)或僅進(jìn)行本地處理時(shí)。

9.1.3 掉電模式 (Power Down Mode)這是最低功耗模式,芯片的大部分功能模塊都被關(guān)閉,僅保留極少數(shù)用于喚醒的邏輯。

  • 特點(diǎn): 功耗降至微瓦級別。

  • 控制: 通常通過拉低特定的控制引腳或?qū)懭胩囟ǖ募拇嫫鱽磉M(jìn)入。

  • 喚醒: 喚醒通常通過外部中斷、GPIO 觸發(fā)或重新復(fù)位芯片來實(shí)現(xiàn)。

  • 功耗: 極低。

  • 應(yīng)用: 適用于電池供電系統(tǒng)或需要長時(shí)間待機(jī)以節(jié)省能源的應(yīng)用。

9.1.4 節(jié)能以太網(wǎng) (Energy Efficient Ethernet, EEE)如果 LAN9253 的 PHY 支持 EEE (IEEE 802.3az) 標(biāo)準(zhǔn),那么在鏈路空閑時(shí),PHY 可以自動進(jìn)入低功耗空閑模式,從而在不中斷鏈路連接的情況下降低功耗。

  • 特點(diǎn): 自動節(jié)能,無需主機(jī)處理器干預(yù)。

  • 功耗: 在鏈路空閑時(shí)顯著降低。

  • 應(yīng)用: 適用于對功耗敏感但需要保持鏈路連接的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和功耗預(yù)算,合理選擇和管理 LAN9253 的電源模式。通過在不活動時(shí)切換到低功耗模式,可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

9.2 功耗優(yōu)化

除了選擇合適的電源模式,還有其他一些設(shè)計(jì)實(shí)踐可以幫助優(yōu)化 LAN9253 的功耗。

9.2.1 電源設(shè)計(jì)

  • 高效穩(wěn)壓器: 使用高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器 (Buck Converter) 為 LAN9253 提供 3.3V (VDD33A, VDD33D) 和 VDDIO 電源。線性穩(wěn)壓器 (LDO) 雖然簡單,但在壓差較大時(shí)效率較低,會產(chǎn)生更多熱量。

  • 去耦電容: 在所有電源引腳附近放置足夠的去耦電容。這有助于穩(wěn)定電源電壓,減少電源噪聲,并為瞬態(tài)電流需求提供局部電荷存儲。通常需要不同容量的電容(如 0.1 μF 和 10 μF)組合使用。

  • 電源層/平面: 在 PCB 設(shè)計(jì)中,使用專用的電源層和接地層,以提供低阻抗的電源分配網(wǎng)絡(luò),并減少電源噪聲。

9.2.2 PDI 接口優(yōu)化

  • 最小化活動: 主機(jī)處理器應(yīng)僅在需要時(shí)才通過 PDI 接口訪問 LAN9253 的 DPRAM 和寄存器。頻繁的讀寫操作會增加 PDI 接口的功耗。

  • 中斷驅(qū)動: 利用 PDI_INTn 中斷引腳。主機(jī)處理器可以在接收到中斷后才喚醒并處理數(shù)據(jù),而不是持續(xù)輪詢,從而節(jié)省功耗。

9.2.3 未使用引腳處理

  • 浮空引腳: 對于未使用的輸入引腳,應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的建議進(jìn)行處理,通常是上拉或下拉到確定的邏輯電平,以避免浮空引腳引起的額外功耗和噪聲。

  • 未使用 PHY: 如果只使用一個(gè)以太網(wǎng)端口,可以將未使用的 PHY 置于掉電模式,以節(jié)省功耗。

9.2.4 溫度管理

  • 散熱設(shè)計(jì): 盡管 LAN9253 的功耗相對較低,但在緊湊的工業(yè)外殼中,仍然需要考慮良好的散熱設(shè)計(jì),以確保芯片在推薦工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。這可能包括使用散熱片、優(yōu)化 PCB 散熱路徑或改善外殼通風(fēng)。

  • 環(huán)境溫度: 確保設(shè)備在運(yùn)行時(shí),環(huán)境溫度保持在 LAN9253 的推薦工作溫度范圍 (-40°C 至 +85°C) 內(nèi)。

通過綜合考慮這些電源管理和功耗優(yōu)化策略,設(shè)計(jì)人員可以確?;?LAN9253 的 EtherCAT 從站設(shè)備在滿足性能要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)最佳的能效。

10. 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)指南

正確設(shè)計(jì) LAN9253 的應(yīng)用電路對于確保其性能、可靠性和電磁兼容性 (EMC) 至關(guān)重要。本節(jié)將提供電源、時(shí)鐘、PHY 接口和 PDI 接口的設(shè)計(jì)考慮。

10.1 典型應(yīng)用電路圖

一個(gè)典型的 LAN9253 應(yīng)用電路將包括以下主要部分:電源管理、時(shí)鐘源、EtherCAT PHY 接口(與 RJ45 連接器和磁性元件連接)、過程數(shù)據(jù)接口 (PDI) 與主機(jī)微控制器連接,以及 EEPROM 接口。

電路圖關(guān)鍵組成部分:

  • 電源部分: 包含 3.3V 穩(wěn)壓器(用于 VDD33A/VDD33D)、1.8V/2.5V/3.3V 穩(wěn)壓器(用于 VDDIO),以及所有電源引腳上的去耦電容。VDD12 引腳通常直接連接到去耦電容。

  • 時(shí)鐘部分: 25 MHz 晶體振蕩器及其負(fù)載電容連接到 XTAL1/XTAL2 引腳。

  • PHY 接口部分: 兩個(gè) PHY 的差分?jǐn)?shù)據(jù)對 (RXD/TXD) 通過交流耦合電容和共模扼流圈連接到以太網(wǎng)磁性元件(網(wǎng)絡(luò)變壓器)。磁性元件再連接到 RJ45 連接器。RJ45 連接器附近通常有 ESD 保護(hù)器件。LED 引腳連接到外部 LED。

  • PDI 接口部分: 根據(jù)選擇的模式(SPI 或并行),將相應(yīng)的引腳連接到主機(jī)微控制器的 GPIO。PDI_INTn 中斷引腳連接到微控制器的中斷輸入。

  • EEPROM 接口部分: EEPROM_SDA 和 EEPROM_SCL 引腳連接到外部 I2C EEPROM,并帶有 I2C 上拉電阻。

  • 復(fù)位部分: nRST 引腳連接到微控制器的復(fù)位輸出或外部復(fù)位 IC。

  • 模式選擇: MODE_SEL0 和 MODE_SEL1 引腳通過電阻上拉或下拉到 VDDIO 或 VSS,以配置 PDI 模式。

10.2 電源設(shè)計(jì)考慮

電源的穩(wěn)定性和純凈度對 LAN9253 的性能至關(guān)重要,特別是對于模擬 PHY 和 PLL。

10.2.1 電源軌

  • VDD33A (模擬 3.3V): 必須提供一個(gè)干凈、低噪聲的 3.3V 電源。建議使用獨(dú)立的 LDO 或經(jīng)過良好濾波的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出。

  • VDD33D (數(shù)字 3.3V): 為數(shù)字邏輯供電,可以與 VDD33A 來自同一個(gè) 3.3V 源,但應(yīng)通過獨(dú)立的濾波和去耦措施來隔離噪聲。

  • VDDIO (I/O 電源): 可根據(jù)主機(jī)微控制器的 I/O 電壓選擇 1.8V、2.5V 或 3.3V。確保 VDDIO 的電壓在推薦范圍內(nèi)。

  • VDD12 (內(nèi)部 1.2V): 這是內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出,通常只需要一個(gè)去耦電容。不要嘗試從外部為 VDD12 供電。

10.2.2 去耦電容

  • 多層次去耦: 在每個(gè)電源引腳附近放置多層次的去耦電容。

    • 高頻去耦: 0.1 μF (100 nF) 或 0.01 μF (10 nF) 的陶瓷電容,盡可能靠近引腳放置,用于抑制高頻噪聲。

    • 中頻去耦: 1 μF 或 4.7 μF 的陶瓷電容,用于抑制中頻噪聲。

    • 低頻去耦/大容量: 10 μF 或更大的電解電容/鉭電容,放置在電源入口處,用于穩(wěn)定電源并提供瞬態(tài)電流。

  • 接地: 所有去耦電容的接地端都應(yīng)連接到低阻抗的接地平面。

10.2.3 電源平面和接地

  • 專用電源層/平面: 在多層 PCB 設(shè)計(jì)中,為 3.3V 和 VDDIO 分配獨(dú)立的電源層或大面積的電源平面,以提供低阻抗的電源分配網(wǎng)絡(luò)。

  • 大面積接地平面: 使用一個(gè)完整的大面積接地平面,以提供低阻抗的返回路徑,并幫助抑制噪聲和改善 EMC 性能。

  • 模擬/數(shù)字接地隔離: 盡管最終所有接地都應(yīng)連接到公共接地,但在敏感的模擬區(qū)域(如 PHY 和晶體附近),可以采用“星形接地”或“單點(diǎn)接地”的原則,將模擬接地和數(shù)字接地在一點(diǎn)匯合,以減少數(shù)字噪聲對模擬電路的干擾。

10.3 時(shí)鐘設(shè)計(jì)考慮

時(shí)鐘信號的質(zhì)量直接影響到 LAN9253 的性能,特別是 EtherCAT 的分布式時(shí)鐘精度和以太網(wǎng) PHY 的誤碼率。

10.3.1 晶體選擇和布局

  • 晶體類型: 選擇高質(zhì)量的 25 MHz 晶體振蕩器,具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和適當(dāng)?shù)呢?fù)載電容。

  • 布局: 晶體及其負(fù)載電容應(yīng)盡可能靠近 LAN9253 的 XTAL1 和 XTAL2 引腳放置。

  • 走線: 晶體走線應(yīng)短而直,避免交叉,并遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號線和噪聲源。在晶體走線下方應(yīng)有完整的接地平面。

  • 接地: 負(fù)載電容的接地端應(yīng)直接連接到晶體附近的接地平面。

10.3.2 外部時(shí)鐘輸入

  • 如果使用外部時(shí)鐘源,確保其信號質(zhì)量(抖動、上升/下降時(shí)間、占空比)滿足數(shù)據(jù)手冊要求。

  • 時(shí)鐘信號走線應(yīng)進(jìn)行阻抗匹配,并使用適當(dāng)?shù)亩私与娮瑁詼p少反射。

10.4 PHY 接口設(shè)計(jì)考慮 (磁性元件、ESD 保護(hù))

PHY 接口是與外部世界連接的關(guān)鍵,需要特別關(guān)注信號完整性、隔離和保護(hù)。

10.4.1 磁性元件

  • 選擇: 選擇符合 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的 10/100BASE-TX 兼容磁性模塊。這些模塊通常集成在 RJ45 連接器內(nèi)部,或作為獨(dú)立的變壓器陣列。

  • 隔離: 磁性元件提供電氣隔離,這是以太網(wǎng)規(guī)范的要求,也是保護(hù)芯片免受外部瞬態(tài)電壓的關(guān)鍵。

  • 共模扼流圈: 磁性模塊通常包含共模扼流圈,用于抑制共模噪聲,提高 EMC 性能。

  • 布局: 磁性元件應(yīng)盡可能靠近 LAN9253 的 PHY 差分對引腳放置。

10.4.2 差分信號走線

  • 阻抗控制: RXD P/N 和 TXD P/N 是差分信號對,需要嚴(yán)格控制其差分阻抗為 100 歐姆。這通常通過調(diào)整走線寬度、間距和參考平面來實(shí)現(xiàn)。

  • 等長走線: 差分對內(nèi)的兩條走線應(yīng)盡可能等長,以避免時(shí)序偏差和共模噪聲轉(zhuǎn)換。

  • 交流耦合電容: 在 PHY 的差分對引腳和磁性元件之間,需要放置 49.9 歐姆的匹配電阻和 100 nF 的交流耦合電容。這些電容用于阻斷直流分量,并確保信號的交流特性。

  • 共模扼流圈: 盡管磁性元件內(nèi)部通常有共模扼流圈,但在某些應(yīng)用中,可能需要在 PHY 差分對和磁性元件之間額外添加共模扼流圈,以進(jìn)一步提高共模噪聲抑制能力。

  • 參考平面: 差分走線下方應(yīng)有完整的接地平面作為參考。

10.4.3 ESD 保護(hù)

  • TVS 器件: 在 RJ45 連接器和磁性元件之間,靠近 RJ45 連接器放置瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列,以提供額外的 ESD 保護(hù)。選擇低鉗位電壓、快速響應(yīng)時(shí)間的 TVS 器件。

  • 接地: TVS 器件的接地應(yīng)直接連接到系統(tǒng)的保護(hù)接地或機(jī)殼接地。

10.4.4 LED 指示燈

  • LEDx_LINK/ACT 和 LEDx_100 引腳可以直接驅(qū)動外部 LED。通常需要一個(gè)限流電阻串聯(lián)在 LED 和電源之間。

10.5 PDI 接口設(shè)計(jì)考慮

PDI 接口連接 LAN9253 和主機(jī)微控制器,其設(shè)計(jì)取決于所選的 PDI 模式。

10.5.1 SPI 模式

  • 信號完整性: SPI_CLK 頻率可達(dá) 50 MHz,因此 SPI 信號走線應(yīng)盡可能短,并避免與其他高速信號線交叉。

  • 阻抗匹配: 對于高速 SPI,可能需要考慮信號線上的串聯(lián)電阻或并聯(lián)端接電阻,以減少反射和振鈴。

  • 電平轉(zhuǎn)換: 如果主機(jī)微控制器的 I/O 電壓與 VDDIO 不同,則需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

10.5.2 并行總線模式

  • 總線寬度: 根據(jù)選擇的 8 位或 16 位模式,連接相應(yīng)數(shù)量的數(shù)據(jù)線 (D[7:0] 或 D[15:0]) 和地址線 (A[2:0])。

  • 走線長度: 所有數(shù)據(jù)線、地址線和控制線 (nRD, nWR, nCS) 應(yīng)盡可能等長,以避免時(shí)序偏差。

  • 信號完整性: 對于并行總線,串?dāng)_和地彈是常見問題。應(yīng)使用適當(dāng)?shù)淖呔€間距、參考平面和去耦電容來緩解這些問題。

  • 端接: 對于較長的并行總線,可能需要考慮端接電阻來抑制反射。

10.5.3 PDI_INTn 中斷

  • PDI_INTn 引腳應(yīng)連接到主機(jī)微控制器的外部中斷輸入。

  • 通常需要一個(gè)上拉電阻,因?yàn)?PDI_INTn 是開漏輸出或推挽輸出(根據(jù)配置)。

10.5.4 模式選擇引腳 (MODE_SEL0, MODE_SEL1)

  • 這些引腳在復(fù)位時(shí)被采樣,用于配置 PDI 模式。它們通常通過 10 kΩ 左右的電阻上拉到 VDDIO 或下拉到 VSS,以設(shè)置所需的邏輯電平。

10.6 EEPROM 接口設(shè)計(jì)考慮

EEPROM 接口是標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 接口。

  • 上拉電阻: EEPROM_SDA 和 EEPROM_SCL 引腳需要外部上拉電阻(通常為 2.2 kΩ 至 10 kΩ,取決于總線電容和速度)連接到 VDDIO。

  • 布局: EEPROM 應(yīng)盡可能靠近 LAN9253 放置,以減少 I2C 總線走線長度和寄生電容。

通過仔細(xì)遵循這些設(shè)計(jì)指南,并參考 LAN9253 的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記中的具體數(shù)值和建議,設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)出穩(wěn)定、高性能且符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的 EtherCAT 從站設(shè)備。

11. 封裝信息

LAN9253 采用緊湊的封裝,以適應(yīng)空間受限的工業(yè)應(yīng)用。了解封裝類型、尺寸和引腳排列對于 PCB 布局和制造過程至關(guān)重要。

11.1 封裝類型和尺寸

LAN9253 通常采用 QFN (Quad Flat No-lead) 封裝。QFN 封裝是一種無引腳封裝,其引腳通過封裝底部的焊盤與 PCB 連接。這種封裝類型具有以下優(yōu)點(diǎn):

  • 尺寸緊湊: QFN 封裝的尺寸通常非常小,有助于節(jié)省 PCB 空間。

  • 熱性能好: 封裝底部通常有一個(gè)大的暴露式散熱焊盤,可以直接連接到 PCB 的接地平面,有助于芯片散熱。

  • 低電感: 無引腳設(shè)計(jì)減少了引線電感,有利于高速信號傳輸。

具體的封裝型號和尺寸會在數(shù)據(jù)手冊中詳細(xì)說明。例如,常見的 QFN 封裝尺寸可能是:

  • 尺寸: 6 mm x 6 mm 或 8 mm x 8 mm。

  • 引腳數(shù)量: 例如,48 引腳 QFN 或 64 引腳 QFN。

  • 引腳間距 (Pitch): 通常為 0.5 mm。

詳細(xì)說明:封裝信息是 PCB 設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行器件選型、封裝庫創(chuàng)建和 PCB 布局時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。精確的封裝尺寸、焊盤尺寸、引腳間距以及散熱焊盤的尺寸和位置都必須嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)手冊的規(guī)定。QFN 封裝的無引腳特性要求在 PCB 上設(shè)計(jì)相應(yīng)的焊盤模式,并通過絲印層指示器件的放置方向。

11.2 焊接指南

QFN 封裝的焊接需要采用特定的回流焊工藝,以確保焊盤與 PCB 焊盤之間形成可靠的連接。

11.2.1 焊盤設(shè)計(jì)

  • 非焊盤定義 (NSMD) 或焊盤定義 (SMD): 通常建議使用 NSMD 焊盤設(shè)計(jì),即阻焊層開口小于銅焊盤,以提供更好的焊點(diǎn)可靠性。

  • 散熱焊盤: QFN 封裝底部通常有一個(gè)大的暴露式散熱焊盤。這個(gè)焊盤應(yīng)連接到 PCB 的接地平面,并通過多個(gè)熱過孔 (Thermal Via) 連接到內(nèi)部接地層,以有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。熱過孔的數(shù)量和尺寸應(yīng)根據(jù)熱設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化。

11.2.2 錫膏印刷

  • 鋼網(wǎng)設(shè)計(jì): 錫膏印刷鋼網(wǎng)的開口設(shè)計(jì)對于 QFN 封裝至關(guān)重要。對于外圍引腳,開口應(yīng)與焊盤匹配。對于中央散熱焊盤,通常會采用陣列式的開口,以避免錫膏在回流焊時(shí)形成氣泡或?qū)е缕骷∑稹?/span>

  • 錫膏量: 錫膏的厚度和印刷量需要精確控制,以確保形成足夠的焊點(diǎn)高度和強(qiáng)度。

11.2.3 回流焊曲線

  • 溫度曲線: 必須使用符合錫膏制造商和器件制造商推薦的回流焊溫度曲線。這包括預(yù)熱區(qū)、浸潤區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)。

  • 峰值溫度和時(shí)間: 確保峰值溫度和在峰值溫度以上的時(shí)間在器件的最大額定值之內(nèi),以避免對芯片造成熱損傷。

  • 氮?dú)猸h(huán)境: 在某些情況下,使用氮?dú)饣亓骱腑h(huán)境可以減少氧化,提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

11.2.4 質(zhì)量檢查

  • X 射線檢測: 由于 QFN 焊點(diǎn)位于封裝下方,無法通過目視檢查。通常需要使用 X 射線檢測來驗(yàn)證焊點(diǎn)的質(zhì)量,包括是否存在空洞、短路或開路。

  • AOI (自動光學(xué)檢測): AOI 可以用于檢查器件的對齊和錫膏印刷質(zhì)量,但無法完全替代 X 射線檢測。

正確的封裝信息和焊接指南對于確保 LAN9253 在 PCB 上的可靠安裝和長期運(yùn)行至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員和制造工程師應(yīng)密切合作,確保遵循所有相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造規(guī)范。

12. 可靠性和環(huán)境信息

LAN9253 作為一款面向工業(yè)應(yīng)用的芯片,其可靠性和在惡劣環(huán)境下的性能至關(guān)重要。本節(jié)將介紹其工作溫度范圍、存儲溫度范圍以及 ESD 保護(hù)等級。

12.1 工作溫度范圍

工作溫度范圍定義了芯片在通電并正常工作時(shí)所能承受的環(huán)境溫度。LAN9253 通常支持工業(yè)級溫度范圍。

  • 工業(yè)級溫度范圍: -40°C 至 +85°C。

詳細(xì)說明:這個(gè)溫度范圍表明 LAN9253 能夠在從極寒到高溫的廣泛工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),必須確保芯片在最壞情況下的環(huán)境溫度和自身發(fā)熱所導(dǎo)致的結(jié)溫 (Junction Temperature) 都保持在這個(gè)范圍之內(nèi)。結(jié)溫是芯片內(nèi)部半導(dǎo)體 PN 結(jié)的溫度,它通常高于環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行熱分析,計(jì)算芯片的功耗和封裝的熱阻,以確保結(jié)溫不超過芯片的最大允許結(jié)溫。良好的散熱設(shè)計(jì)(如散熱片、PCB 散熱路徑、外殼通風(fēng))對于在高溫環(huán)境下保持芯片的可靠性至關(guān)重要。

12.2 存儲溫度范圍

存儲溫度范圍定義了芯片在非通電狀態(tài)下所能承受的存儲和運(yùn)輸溫度。

  • 存儲溫度范圍: -65°C 至 +150°C。

詳細(xì)說明:存儲溫度范圍通常比工作溫度范圍更寬,因?yàn)樗簧婕靶酒碾姎饣顒雍凸?。這個(gè)范圍確保芯片在運(yùn)輸和存儲過程中不會因極端溫度而受到物理或電氣損傷。在實(shí)際操作中,應(yīng)避免將芯片長時(shí)間暴露在存儲溫度范圍的極限值,并確保存儲環(huán)境的濕度也得到控制,以防止潮濕敏感性問題。

12.3 ESD 保護(hù)

靜電放電 (ESD) 是電子元件的主要威脅之一,可能導(dǎo)致芯片損傷或功能失效。LAN9253 內(nèi)部集成了 ESD 保護(hù)電路,以增強(qiáng)其對靜電放電的耐受能力。

  • 人體模型 (Human Body Model, HBM) ESD 保護(hù): 通常為 2000V 或更高。

  • 充電器件模型 (Charged Device Model, CDM) ESD 保護(hù): 通常為 500V 或更高。

詳細(xì)說明:HBM 模擬了人體在接觸芯片時(shí)釋放的靜電能量,而 CDM 模擬了芯片自身因摩擦帶電后接觸接地物體時(shí)釋放的能量。這些 ESD 保護(hù)等級表明了芯片在實(shí)驗(yàn)室測試條件下對靜電放電的耐受能力。然而,在實(shí)際生產(chǎn)、組裝和現(xiàn)場安裝過程中,仍然需要嚴(yán)格遵守 ESD 防護(hù)措施,例如:

  • 佩戴防靜電腕帶和腳帶: 確保操作人員與接地連接。

  • 使用防靜電工作臺和工具: 確保工作區(qū)域的所有表面和工具都是防靜電的。

  • 防靜電包裝: 芯片在運(yùn)輸和存儲時(shí)應(yīng)使用防靜電袋或托盤。

  • 接地: 設(shè)備外殼和所有暴露的金屬部件應(yīng)正確接地。

  • 外部 ESD 保護(hù): 盡管芯片內(nèi)部有 ESD 保護(hù),但在敏感的外部接口(如以太網(wǎng) RJ45 連接器)上,通常建議添加額外的外部瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管,以滿足更嚴(yán)格的系統(tǒng)級 ESD 標(biāo)準(zhǔn)(如 IEC 61000-4-2)。這些外部保護(hù)器件應(yīng)盡可能靠近接口放置,并具有低鉗位電壓和快速響應(yīng)時(shí)間。

通過綜合內(nèi)部 ESD 保護(hù)和外部防護(hù)措施,可以最大限度地降低靜電放電對 LAN9253 和整個(gè)系統(tǒng)造成的風(fēng)險(xiǎn),從而提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

13. 軟件和固件支持

LAN9253 作為一個(gè) EtherCAT 從站控制器,其功能實(shí)現(xiàn)離不開相應(yīng)的軟件和固件支持。主機(jī)微控制器上運(yùn)行的固件負(fù)責(zé)與 LAN9253 交互,實(shí)現(xiàn) EtherCAT 協(xié)議棧的功能,并處理應(yīng)用層邏輯。

13.1 EtherCAT 協(xié)議棧

EtherCAT 協(xié)議棧是在主機(jī)微控制器上運(yùn)行的軟件模塊,它負(fù)責(zé)管理 EtherCAT 通信的各個(gè)層面,從底層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁邔拥膽?yīng)用服務(wù)。

13.1.1 協(xié)議棧的功能

  • PDI 接口驅(qū)動: 協(xié)議棧的底層負(fù)責(zé)通過 SPI 或并行總線與 LAN9253 進(jìn)行通信,讀寫其內(nèi)部的 DPRAM 和寄存器。這包括處理 PDI_INTn 中斷,以響應(yīng) ESC 產(chǎn)生的事件。

  • AL 狀態(tài)機(jī)管理: 協(xié)議棧根據(jù)主站的指令和內(nèi)部事件,管理從站的狀態(tài)機(jī)(INIT, PRE-OPERATIONAL, SAFE-OPERATIONAL, OPERATIONAL),并確保在正確的狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的操作。

  • SyncManager 管理: 根據(jù) EtherCAT 配置工具生成的 SyncManager 配置,協(xié)議棧負(fù)責(zé)管理 DPRAM 中過程數(shù)據(jù)和郵箱數(shù)據(jù)的讀寫。它確保數(shù)據(jù)與 EtherCAT 循環(huán)同步,并處理數(shù)據(jù)一致性。

  • 郵箱協(xié)議處理: 對于 CoE (CANopen over EtherCAT)、FoE (File over EtherCAT) 和 EoE (Ethernet over EtherCAT) 等郵箱協(xié)議,協(xié)議棧負(fù)責(zé)解析和生成相應(yīng)的協(xié)議幀,并提供 API 供應(yīng)用層訪問對象字典、進(jìn)行固件更新或傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。

  • 分布式時(shí)鐘 (DC) 同步: 協(xié)議棧與 ESC 的 DCU 協(xié)同工作,確保主機(jī)微控制器的應(yīng)用邏輯與 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。這可能包括根據(jù) SYNC0/SYNC1 脈沖觸發(fā)外部硬件操作。

  • 對象字典 (Object Dictionary): 協(xié)議棧通常會實(shí)現(xiàn)一個(gè)對象字典,它是從站設(shè)備所有可配置參數(shù)、過程數(shù)據(jù)和診斷信息的集合。主站通過對象字典來配置和管理從站。

  • 錯(cuò)誤處理和診斷: 協(xié)議棧負(fù)責(zé)監(jiān)控 ESC 的錯(cuò)誤寄存器,處理 EtherCAT 錯(cuò)誤,并向應(yīng)用層報(bào)告診斷信息。

13.1.2 協(xié)議棧的來源

  • 第三方 EtherCAT 協(xié)議棧: 許多公司提供商業(yè)化的 EtherCAT 從站協(xié)議棧,如 Beckhoff 的 EtherCAT Slave Stack Code (SSC) 或其他供應(yīng)商的解決方案。這些協(xié)議棧通常經(jīng)過認(rèn)證,并提供完整的 EtherCAT 功能和良好的兼容性。

  • 開源協(xié)議棧: 也有一些開源的 EtherCAT 協(xié)議??晒┻x擇,但可能需要更多的開發(fā)和驗(yàn)證工作。

  • Microchip 提供的示例代碼/驅(qū)動: Microchip 通常會為 LAN9253 提供示例代碼或基本驅(qū)動,幫助開發(fā)者快速啟動項(xiàng)目。

13.2 驅(qū)動程序

為了使主機(jī)微控制器能夠與 LAN9253 進(jìn)行通信,需要編寫相應(yīng)的硬件抽象層 (HAL) 和驅(qū)動程序。

13.2.1 PDI 驅(qū)動

  • SPI 驅(qū)動: 如果選擇 SPI 模式,需要編寫 SPI 主機(jī)驅(qū)動,負(fù)責(zé)控制 SPI_CSn、SPI_CLK、SPI_MOSI 和 SPI_MISO 引腳,實(shí)現(xiàn)對 LAN9253 寄存器和 DPRAM 的讀寫操作。

  • 并行總線驅(qū)動: 如果選擇并行總線模式,需要編寫并行總線驅(qū)動,負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫使能和片選信號,實(shí)現(xiàn)對 LAN9253 寄存器和 DPRAM 的讀寫操作。

  • 中斷處理: PDI_INTn 中斷引腳的驅(qū)動程序負(fù)責(zé)配置微控制器的中斷控制器,并在接收到中斷時(shí)調(diào)用相應(yīng)的 EtherCAT 協(xié)議棧處理函數(shù)。

13.2.2 EEPROM 驅(qū)動

  • 如果需要通過主機(jī)微控制器訪問外部 EEPROM,則需要編寫 I2C 驅(qū)動來控制 EEPROM_SDA 和 EEPROM_SCL 引腳,實(shí)現(xiàn)對 EEPROM 的讀寫操作。

13.2.3 固件開發(fā)環(huán)境

  • IDE 和編譯器: 使用適用于目標(biāo)微控制器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 和 C/C++ 編譯器。

  • RTOS (實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)): 對于復(fù)雜的 EtherCAT 從站應(yīng)用,通常會使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 來管理任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理和通信,確保實(shí)時(shí)性能。

13.2.4 ESI 文件

  • EtherCAT 從站信息 (ESI) 文件是一個(gè) XML 格式的文件,它描述了 LAN9253 從站設(shè)備的所有功能、配置參數(shù)、過程數(shù)據(jù)映射和對象字典。

  • 在開發(fā)過程中,需要使用 EtherCAT 配置工具(如 Beckhoff TwinCAT、EtherCAT Master SDK)根據(jù) ESI 文件來配置主站和從站。

  • ESI 文件通常由芯片制造商或設(shè)備制造商提供。

通過使用成熟的 EtherCAT 協(xié)議棧和編寫高效的驅(qū)動程序,開發(fā)者可以快速構(gòu)建功能強(qiáng)大、可靠的 EtherCAT 從站設(shè)備,并將其無縫集成到工業(yè)自動化系統(tǒng)中。

14. 調(diào)試和診斷

在 EtherCAT 從站設(shè)備的開發(fā)和部署過程中,有效的調(diào)試和診斷工具至關(guān)重要,它們能夠幫助開發(fā)者快速定位和解決問題,確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

14.1 診斷工具

14.1.1 EtherCAT 主站軟件

  • Beckhoff TwinCAT: 這是最常用的 EtherCAT 主站軟件之一,它提供了強(qiáng)大的配置、診斷和監(jiān)控功能。通過 TwinCAT,可以掃描 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò),識別連接的從站設(shè)備,加載 ESI 文件,配置過程數(shù)據(jù)和郵箱通信,并實(shí)時(shí)監(jiān)控從站的狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)和診斷信息。TwinCAT 的診斷窗口可以顯示 EtherCAT 幀錯(cuò)誤、從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換、SyncManager 狀態(tài)等。

  • 其他 EtherCAT 主站 SDK/軟件: 除了 TwinCAT,還有其他供應(yīng)商提供的 EtherCAT 主站軟件開發(fā)工具包 (SDK) 或診斷工具,它們也提供類似的功能。

14.1.2 EtherCAT 協(xié)議分析儀

  • 硬件協(xié)議分析儀: 專業(yè)的 EtherCAT 協(xié)議分析儀(如 Acontis Technologies 的 EC-Engineer 或 Hilscher 的 netANALYZER)能夠捕獲和解碼 EtherCAT 幀,顯示詳細(xì)的協(xié)議信息,包括幀類型、地址、數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)容、時(shí)間戳、CRC 錯(cuò)誤等。它們對于分析網(wǎng)絡(luò)通信問題、時(shí)序問題和協(xié)議一致性問題非常有用。

  • 軟件協(xié)議分析儀: 一些主站軟件也可能包含基本的軟件協(xié)議分析功能,但通常不如專用的硬件分析儀強(qiáng)大。

14.1.3 示波器和邏輯分析儀

  • 示波器: 用于檢查 LAN9253 的電源電壓、時(shí)鐘信號質(zhì)量、復(fù)位信號以及 PDI 接口(SPI/并行)的信號完整性??梢杂糜谡{(diào)試硬件層面的問題,如信號反射、振鈴、噪聲或時(shí)序不滿足。

  • 邏輯分析儀: 對于 PDI 接口的調(diào)試,邏輯分析儀非常有用。它可以同時(shí)捕獲多個(gè)數(shù)字信號,并以波形或列表形式顯示它們之間的時(shí)序關(guān)系,從而幫助開發(fā)者驗(yàn)證 SPI 或并行總線的讀寫操作是否正確。

14.1.4 JTAG/SWD 調(diào)試器

  • 如果主機(jī)微控制器支持 JTAG 或 SWD 接口,可以使用相應(yīng)的調(diào)試器來在線調(diào)試微控制器上的固件,包括單步執(zhí)行代碼、設(shè)置斷點(diǎn)、查看變量和寄存器值。這對于調(diào)試 EtherCAT 協(xié)議棧和應(yīng)用層邏輯非常重要。

14.2 錯(cuò)誤處理

LAN9253 的 ESC 內(nèi)部提供了豐富的錯(cuò)誤檢測和報(bào)告機(jī)制。主機(jī)固件需要能夠讀取和處理這些錯(cuò)誤信息。

14.2.1 ESC 錯(cuò)誤寄存器

  • AL Status Code (0x0134): 該寄存器提供從站當(dāng)前狀態(tài)的詳細(xì)錯(cuò)誤代碼。例如,如果從站無法進(jìn)入 OPERATIONAL 狀態(tài),這個(gè)代碼會指示具體的原因(如 SyncManager 配置錯(cuò)誤、看門狗超時(shí)等)。

  • 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器: ESC 內(nèi)部有多個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器,例如 RX 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、CRC 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、PHY 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器等。通過讀取這些計(jì)數(shù)器,可以了解網(wǎng)絡(luò)通信中是否存在持續(xù)的錯(cuò)誤。

  • PDI 錯(cuò)誤狀態(tài): 報(bào)告 PDI 接口的錯(cuò)誤,如 SPI 幀錯(cuò)誤或并行總線訪問錯(cuò)誤。

14.2.2 錯(cuò)誤處理策略

  • 中斷驅(qū)動: 利用 PDI_INTn 中斷,當(dāng) ESC 報(bào)告錯(cuò)誤事件時(shí),主機(jī)微控制器可以立即響應(yīng)并讀取相應(yīng)的錯(cuò)誤寄存器。

  • 日志記錄: 在固件中實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤日志記錄功能,將檢測到的錯(cuò)誤代碼、時(shí)間戳和相關(guān)上下文信息存儲起來,以便后續(xù)分析。

  • 錯(cuò)誤恢復(fù): 根據(jù)錯(cuò)誤類型,固件應(yīng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的錯(cuò)誤恢復(fù)策略。例如,對于瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤,可以嘗試重新建立鏈路;對于嚴(yán)重錯(cuò)誤,可能需要將從站切換到安全狀態(tài) (SAFE-OPERATIONAL) 或復(fù)位。

  • 診斷輸出: 通過串口、LED 指示燈或 EtherCAT 郵箱(如 CoE 診斷對象)向外部報(bào)告錯(cuò)誤信息,方便用戶進(jìn)行故障排除。

14.2.3 ESI 文件中的診斷信息

  • ESI 文件中可以定義診斷對象字典條目,允許主站通過 CoE 協(xié)議讀取從站的詳細(xì)診斷信息。這使得主站能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控從站的健康狀況和錯(cuò)誤狀態(tài)。

通過結(jié)合使用各種診斷工具和實(shí)現(xiàn) robust 的錯(cuò)誤處理機(jī)制,開發(fā)者可以有效地調(diào)試和維護(hù)基于 LAN9253 的 EtherCAT 從站設(shè)備,確保其在工業(yè)應(yīng)用中的高可靠性。

15. 修訂歷史

版本號

修訂日期

修訂內(nèi)容摘要

1.0

2025-08-07

初始版本發(fā)布。詳細(xì)介紹了 LAN9253 的概述、主要特性、應(yīng)用領(lǐng)域、架構(gòu)概覽、引腳描述、電氣特性、EtherCAT 從站控制器詳解、集成式以太網(wǎng) PHY 詳解、存儲器接口、時(shí)鐘和復(fù)位、電源管理、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)指南、封裝信息、可靠性和環(huán)境信息、軟件和固件支持以及調(diào)試和診斷。


責(zé)任編輯:David

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