在下一“驅(qū)動”設(shè)計中支持所有工業(yè)以太網(wǎng)標準

　　引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)成為工廠自動化的主流技術(shù)，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統(tǒng)中實現(xiàn)這一通信技術(shù)。而事實上，您怎樣實現(xiàn)這一需求越來越大的功能對于您的系統(tǒng)成本、產(chǎn)品外形以及功耗指標會有很大的不同。本文從工廠自動化供應商開發(fā)從機系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅(qū)動等從機系統(tǒng)。

　　這些 OEM 面臨的難題并不常見，因此，有很好的理由來檢查從機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。供應商不是針對某一協(xié)議來設(shè)計從機系統(tǒng)。他們必須支持可以在工廠中實現(xiàn)的任何標準，而不能指定某一種協(xié)議。他們的系統(tǒng)必須適應任何一種協(xié)議。

　　開發(fā)的從機協(xié)議新標準也有獨特的硬件特性。事實上，他們不能使用標準 MAC 實現(xiàn)，這會面臨少見的難題，影響對實現(xiàn)平臺的選擇。

　　工業(yè)以太網(wǎng)簡介

　　一開始，以太網(wǎng) ——10 Mbps 最初的以太網(wǎng)、100 Mbps 的快速以太網(wǎng)，以及 1 Gbps 的千兆以太網(wǎng)，是在共享介質(zhì)上在器件之間傳送信號，都不能適應工業(yè)應用。而快速以太網(wǎng) （100 Mbps） 的出現(xiàn)，其交換模式支持全雙工功能，意味著可以在兩個器件之間構(gòu)建點對點鏈接，使得以太網(wǎng)能夠用于大部分工業(yè)應用中。所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都需要作出一定程度的判決，傳統(tǒng)上是通過使用軟件協(xié)議堆棧來解決的。

　　對速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時 ）

　　我們都知道，工廠自動化系統(tǒng)有實時響應要求。那么，“ 實時 ” 到底是什么 ？ 答案是這取決于應用類型。有時候，按照數(shù)百毫秒來衡量，而有時候按照微秒來衡量。有不同的設(shè)計方法使得通信協(xié)議能夠滿足不同的延時要求。

　　如圖 1 所示，PHY 層通常是獨立的模擬器件。但是，可以在數(shù)字邏輯器件中實現(xiàn)其他功能，由處理器針對協(xié)議棧以及定制應用來運行軟件。而所有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都需要特殊的軟件堆棧，某些新協(xié)議 （ 圖中右側(cè)所示 ） 在介質(zhì)訪問控制 （MAC） 以及交換上使用獨特的非標準設(shè)計。

　　圖 1. 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協(xié)議，需要特殊的 MAC 設(shè)計。特別是EtherCAT 使用了創(chuàng)新的方法，在一個以太網(wǎng)幀中封裝了更多的數(shù)據(jù)包。多個從機器件的數(shù)據(jù)被封裝到一個以太網(wǎng)幀中。當從機器件讀取以太網(wǎng)幀時，它必須為自己提取出數(shù)據(jù)包的內(nèi)在含義，而忽略其他信息。更重要的是，它必須隨時進行這種提取工作。

　　當連接了很多從機器件時，對數(shù)據(jù)包進行提取，以滿足最低延時要求。例如，如果您是網(wǎng)絡上的第 256 個從機器件，會引起一個幀延時而不是 256 幀延時。典型的應用是運動控制以及多軸機器人驅(qū)動。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機器件中的 MAC 設(shè)計不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng) MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設(shè)計。從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，如果您必須支持標準 MAC 實現(xiàn)以及特殊實現(xiàn)，那么，設(shè)計應包含 MAC 設(shè)計，或者是硬件可編程的。圖 2 顯示了不同的實時要求是怎樣導致通信協(xié)議標準不同體系結(jié)構(gòu)的。

　　圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現(xiàn)

　　關(guān)鍵趨勢影響了系統(tǒng)設(shè)計

　　某些影響工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的趨勢包括嵌入式通信協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速發(fā)展，以及向千兆以太網(wǎng)的發(fā)展等。

　　嵌入式通信協(xié)議

　　驅(qū)動和 I/O 模塊 （ 工廠自動化中典型的從機器件 ） 的第一個發(fā)展趨勢是通信功能的深度嵌入，這是由于系統(tǒng)成本下降、外形減小以及功耗預算降低等因素造成的。過去，客戶花費數(shù)百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅(qū)動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用于小外形封裝驅(qū)動設(shè)計。另一替代方案是包括單獨的 ASSP 專用于實現(xiàn)通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業(yè)以太網(wǎng)標準，因此，這種 ASSP 可能會被過度設(shè)計，以支持多種協(xié)議。

　　但是，供應商希望將他們所有的數(shù)字驅(qū)動功能集成到一個硅片中，要求通信協(xié)議功能規(guī)模不大，能夠作為整個 “ 芯片驅(qū)動 ” 系統(tǒng)的組成部分來實現(xiàn)。圖 3 顯示了工業(yè)以太網(wǎng)功能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。

　　圖 3. 從模塊到器件，到芯片集成功能

　　工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速發(fā)展

　　第二個趨勢是工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速發(fā)展。與現(xiàn)場總線協(xié)議相似，有很多類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，最重要的是，這些標準并沒有在市場上合并。

　　驅(qū)動系統(tǒng)供應商必須能夠支持 6 到 8 個標準，才能將其產(chǎn)品銷售到全球不同的工廠中。

　　例如，如果您希望在亞洲和歐洲同時銷售您的驅(qū)動設(shè)備，同時適應 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）設(shè)計、開發(fā)，并維持兩組驅(qū)動設(shè)計；或者 2）包括 ASSP 以支持多種協(xié)議 —— 希望協(xié)議不會變化；或者 3）使用可編程平臺表 1 列出了流行于全世界的某些競爭以太網(wǎng)標準。

　　表 1. 基于底層現(xiàn)場總線協(xié)議的競爭以太網(wǎng)標準

　　過去，當工業(yè)以太網(wǎng)標準使用標準 MAC/ 交換時，很容易采用微處理器單元 （MPU） 進行通信。如果您需要支持新標準，您只需要交換協(xié)議棧 （ 軟件 ）。但是，正如前面所討論的，很多新標準需要特殊的 MAC 實現(xiàn)。很顯然，應對這些新標準時，在標準 MPU 上采用標準以太網(wǎng) MAC 和交換機對通信協(xié)議進行標準化處理是不夠的。

　　某些 MPU 供應商開發(fā)了新方法，例如開發(fā)專用嵌入式處理器使用的定制微代碼，用于仿真非標準 MAC。但這些是很深奧的方法，可能會有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 實現(xiàn)的協(xié)議通常采用定制硬件方法，取決于產(chǎn)量以及要求的價格點而使用 ASIC 或者 FPGA。

　　此外，MAC 設(shè)計總是有可能隨著標準的發(fā)展而改變。為保證您的設(shè)計今后不會過時，采用可編程方法是最安全的。