如何選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

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客戶和同事經(jīng)常向筆者問(wèn)及工業(yè)以太網(wǎng)的用途（它在哪里使用），尤其頻繁問(wèn)及許多不同工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。

這個(gè)全新的博客系列主要面向那些決定在自己系統(tǒng)中使用工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)人員。筆者將談?wù)搸追N常見(jiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。這可能會(huì)幫您更好地選擇最適合您應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)以太網(wǎng)適用于工廠自動(dòng)化與控制、流程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化以及許多其它工業(yè)應(yīng)用。和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)之一就是確定性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和不到1ms的同步周期時(shí)間。

有超過(guò)20種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議被作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了部署并在工業(yè)應(yīng)用中使用：這些包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP和以太網(wǎng)Powerlink。為什么會(huì)有如此多的標(biāo)準(zhǔn)可供選擇？原因是工業(yè)設(shè)備的每家制造商似乎都知道要求通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換更好一些，并已根據(jù)它們對(duì)過(guò)去串行現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的了解制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)。

您無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）來(lái)實(shí)施大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；它們需要應(yīng)用專用集成電路（ASIC）或?qū)ｉT的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)幀是被即時(shí)（也稱為“用捷徑法”）接收的，意思是：當(dāng)在第一個(gè)以太網(wǎng)端口接收到該幀時(shí)，該幀已得到處理并由專用工業(yè)以太網(wǎng)MAC硬件塊傳輸?shù)搅说诙€(gè)以太網(wǎng)端口。采用捷徑法，可為以太網(wǎng)幀實(shí)現(xiàn)不到1μs的端口到端口延遲。

另一方面，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC采用存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的方法。首先必須接收到完整的以太網(wǎng)幀，然后以太網(wǎng)MAC才能接著對(duì)該幀進(jìn)行任何處理或轉(zhuǎn)發(fā)。這會(huì)為該幀增加抖動(dòng)和延遲，所以對(duì)工業(yè)設(shè)備制造而言它不是一個(gè)很好的選擇。

可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）能提供極大的靈活性，以支持各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，但這些內(nèi)容筆者想以后再詳加討論。

Sercos已在工廠自動(dòng)化應(yīng)用（適合機(jī)械工程和建筑）領(lǐng)域風(fēng)靡了25年。Sercos III是第三代協(xié)議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協(xié)議可將Sercos接口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換與以太網(wǎng)相融合。迄今為止，Sercos III技術(shù)集成只在FPGA中實(shí)施過(guò)。

一個(gè)Sercos III主器件可控制多個(gè)Sercos III從屬器件（如驅(qū)動(dòng)器、傳感器以及模擬和數(shù)字I/O器件） —— 圖1展示了這種情況。一個(gè)主器件可控制多達(dá)511個(gè)從屬器件。

Sercos III的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它支持線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)旁的環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果以太網(wǎng)線纜發(fā)生故障，那么Sercos III網(wǎng)絡(luò)可切換到線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使主器件能繼續(xù)與網(wǎng)絡(luò)中的所有從屬器件進(jìn)行通信。一旦以太網(wǎng)線纜已修復(fù)，主器件就可以把Sercos III網(wǎng)絡(luò)從線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換到環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該通信協(xié)議是時(shí)分多路復(fù)用的，如圖2所示。在一個(gè)Sercos III通信周期內(nèi)有一個(gè)專用于實(shí)時(shí)Sercos III幀、被稱為實(shí)時(shí)（RT）通道的時(shí)間片。在這個(gè)時(shí)間片中，主器件和從屬器件能交換在可編程邏輯控制器（PLC）內(nèi)使用的進(jìn)程數(shù)據(jù)。在被稱為統(tǒng)一通信通道（UCC）的第二個(gè)時(shí)間片中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有器件（主器件和從屬器件）均可交換標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）報(bào)文。UCC能用來(lái)交換Web服務(wù)器的信息，借助簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議（TFTP）來(lái)更新器件軟件，或?yàn)榛贗P的應(yīng)用（任何種類）傳輸以太網(wǎng)幀。

將FPGA用于Sercos III會(huì)增加成本和電路板占用空間。可消除成本增加因素的一個(gè)替代解決方案是使用PRU-ICSS —— 在許多TI Sitara?處理器中均可用的一種外設(shè)。例如，TI為AM335x處理器提供了PRU-ICSS固件，無(wú)需使用外部FPGA即可啟用Sercos III從屬器件。您可使用在圖3中所見(jiàn)的TMDSICE3359評(píng)估板來(lái)對(duì)該解決方案進(jìn)行評(píng)估。此外，通過(guò)訪問(wèn)TI Designs Sercos III通信開(kāi)發(fā)平臺(tái)（TIDEP0010），您還能找到更多有關(guān)Sercos III解決方案的信息。

筆者希望這篇博客文章可使人對(duì)Sercos III的功能有一些了解。如果您想知道哪種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)最適合您的應(yīng)用，那么務(wù)請(qǐng)密切關(guān)注這個(gè)關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)的博客系列，并了解更多與其它工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的信息。

編輯：jq