在下一“驱动”设计中支持所有工业以太网标准

　　引言

　　工业以太网成为工厂自动化的主流技术，是有多方面原因的。而没有引起同样重视的是，需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上，您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。本文从工厂自动化供应商开发从机系统的角度出发，介绍实现工业以太网的各种选择，例如 I/O 模块和驱动等从机系统。

　　这些 OEM 面临的难题并不常见，因此，有很好的理由来检查从机系统体系结构。供应商不是针对某一协议来设计从机系统。他们必须支持可以在工厂中实现的任何标准，而不能指定某一种协议。他们的系统必须适应任何一种协议。

　　开发的从机协议新标准也有独特的硬件特性。事实上，他们不能使用标准 MAC 实现，这会面临少见的难题，影响对实现平台的选择。

　　工业以太网简介

　　一开始，以太网 ——10 Mbps 最初的以太网、100 Mbps 的快速以太网，以及 1 Gbps 的千兆以太网，是在共享介质上在器件之间传送信号，都不能适应工业应用。而快速以太网 （100 Mbps） 的出现，其交换模式支持全双工功能，意味着可以在两个器件之间构建点对点链接，使得以太网能够用于大部分工业应用中。所有工业以太网协议都需要作出一定程度的判决，传统上是通过使用软件协议堆栈来解决的。

　　对速度的要求 （ 或者在这一案例中，延时 ）

　　我们都知道，工厂自动化系统有实时响应要求。那么，“ 实时 ” 到底是什么 ？ 答案是这取决于应用类型。有时候，按照数百毫秒来衡量，而有时候按照微秒来衡量。有不同的设计方法使得通信协议能够满足不同的延时要求。

　　如图 1 所示，PHY 层通常是独立的模拟器件。但是，可以在数字逻辑器件中实现其他功能，由处理器针对协议栈以及定制应用来运行软件。而所有的工业以太网协议都需要特殊的软件堆栈，某些新协议 （ 图中右侧所示 ） 在介质访问控制 （MAC） 以及交换上使用独特的非标准设计。

　　图 1. 工业以太网协议体系结构

　　EtherCAT 和 Profinet IRT 是两种较新的协议，需要特殊的 MAC 设计。特别是EtherCAT 使用了创新的方法，在一个以太网帧中封装了更多的数据包。多个从机器件的数据被封装到一个以太网帧中。当从机器件读取以太网帧时，它必须为自己提取出数据包的内在含义，而忽略其他信息。更重要的是，它必须随时进行这种提取工作。

　　当连接了很多从机器件时，对数据包进行提取，以满足最低延时要求。例如，如果您是网络上的第 256 个从机器件，会引起一个帧延时而不是 256 帧延时。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。

　　为支持所选择的协议，从机器件中的 MAC 设计不同于传统的以太网 MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊设计。从系统设计的角度看，如果您必须支持标准 MAC 实现以及特殊实现，那么，设计应包含 MAC 设计，或者是硬件可编程的。图 2 显示了不同的实时要求是怎样导致通信协议标准不同体系结构的。

　　

　　图 2. 不同的实时要求导致不同的实现

　　关键趋势影响了系统设计

　　某些影响工业以太网系统设计的趋势包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展，以及向千兆以太网的发展等。

　　嵌入式通信协议

　　驱动和 I/O 模块 （ 工厂自动化中典型的从机器件 ） 的第一个发展趋势是通信功能的深度嵌入，这是由于系统成本下降、外形减小以及功耗预算降低等因素造成的。过去，客户花费数百美元来购买商用通信模块，然后将其加入到驱动模块中。这类模块性价比不高，而且也不适用于小外形封装驱动设计。另一替代方案是包括单独的 ASSP 专用于实现通信功能。由于不同的客户会使用不同的工业以太网标准，因此，这种 ASSP 可能会被过度设计，以支持多种协议。

　　但是，供应商希望将他们所有的数字驱动功能集成到一个硅片中，要求通信协议功能规模不大，能够作为整个 “ 芯片驱动 ” 系统的组成部分来实现。图 3 显示了工业以太网功能实现的转变。

　　

　　图 3. 从模块到器件，到芯片集成功能

　　工业以太网标准的快速发展

　　第二个趋势是工业以太网标准的快速发展。与现场总线协议相似，有很多类型的工业以太网协议，最重要的是，这些标准并没有在市场上合并。

　　驱动系统供应商必须能够支持 6 到 8 个标准，才能将其产品销售到全球不同的工厂中。

　　例如，如果您希望在亚洲和欧洲同时销售您的驱动设备，同时适应 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）设计、开发，并维持两组驱动设计；或者 2）包括 ASSP 以支持多种协议 —— 希望协议不会变化；或者 3）使用可编程平台表 1 列出了流行于全世界的某些竞争以太网标准。

　　表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

　　过去，当工业以太网标准使用标准 MAC/ 交换时，很容易采用微处理器单元 （MPU） 进行通信。如果您需要支持新标准，您只需要交换协议栈 （ 软件 ）。但是，正如前面所讨论的，很多新标准需要特殊的 MAC 实现。很显然，应对这些新标准时，在标准 MPU 上采用标准以太网 MAC 和交换机对通信协议进行标准化处理是不够的。

　　某些 MPU 供应商开发了新方法，例如开发专用嵌入式处理器使用的定制微代码，用于仿真非标准 MAC。但这些是很深奥的方法，可能会有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 实现的协议通常采用定制硬件方法，取决于产量以及要求的价格点而使用 ASIC 或者 FPGA。

　　此外，MAC 设计总是有可能随着标准的发展而改变。为保证您的设计今后不会过时，采用可编程方法是最安全的。