如何選擇？工業(yè)以太網標準詳解

2013-10-16 09:54:47 Altera公司　點擊量：評論 (0)

引言工業(yè)以太網成為工廠自動化的主流技術，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統中實現這一通信技術。而事實上，您怎樣實現這一需求越來越大的功能對于您的系統成本、產品外形以及功耗

引言

工業(yè)以太網成為工廠自動化的主流技術，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統中實現這一通信技術。而事實上，您怎樣實現這一需求越來越大的功能對于您的系統成本、產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)從機系統的角度出發(fā)，介紹實現工業(yè)以太網的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅動等從機系統。

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體系結構。供應商不是針對某一協議來設計從機系統。他們必須支持可以在工廠中實現的任何標準，而不能指定某一種協議。他們的系統必須適應任何一種協議。

開發(fā)的從機協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，這會面臨少見的難題，影響對實現平臺的選擇。

工業(yè)以太網簡介

一開始，以太網 ——10 Mbps 最初的以太網、100 Mbps 的快速以太網，以及 1 Gbps 的千兆以太網，是在共享介質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 (100 Mbps) 的出現，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建點對點鏈接，使得以太網能夠用于大部分工業(yè)應用中。所有工業(yè)以太網協議都需要作出一定程度的判決，傳統上是通過使用軟件協議堆棧來解決的。

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，按照數百毫秒來衡量，而有時候按照微秒來衡量。有不同的設計方法使得通信協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，可以在數字邏輯器件中實現其他功能，由處理器針對協議棧以及定制應用來運行軟件。而所有的工業(yè)以太網協議都需要特殊的軟件堆棧，某些新協議 ( 圖中右側所示 ) 在介質訪問控制 (MAC) 以及交換上使用獨特的非標準設計。

圖 1. 工業(yè)以太網協議體系結構

EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協議，需要特殊的 MAC 設計。特別是EtherCAT 使用了創(chuàng)新的方法，在一個以太網幀中封裝了更多的數據包。多個從機器件的數據被封裝到一個以太網幀中。當從機器件讀取以太網幀時，它必須為自己提取出數據包的內在含義，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，對數據包進行提取，以滿足最低延時要求。例如，如果您是網絡上的第 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動。

為支持所選擇的協議，從機器件中的 MAC 設計不同于傳統的以太網 MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設計。從系統設計的角度看，如果您必須支持標準 MAC 實現以及特殊實現，那么，設計應包含 MAC 設計，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議標準不同體系結構的。

圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現

關鍵趨勢影響了系統設計

某些影響工業(yè)以太網系統設計的趨勢包括嵌入式通信協議、工業(yè)以太網標準的快速發(fā)展，以及向千兆以太網的發(fā)展等。

嵌入式通信協議

驅動和 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，客戶花費數百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用于小外形封裝驅動設計。另一替代方案是包括單獨的 ASSP 專用于實現通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業(yè)以太網標準，因此，這種 ASSP 可能會被過度設計，以支持多種協議。

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