如何处理工业网络协议的问题

作为同步生产过程的一部分，工厂车间的机器人系统通常需要连接到工厂网络。联盟领导和 OEM 驱动的“开放”基于以太网的协议（例如 EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE 和 PROFINET）是众多可用标准之一。机器制造商的任务是选择一种协议来支持他们的设计。此外，伺服驱动器接口正在使用编码器协议，例如 EnDat、BiSS、A-Format 以及其他也在协议之战中占据一席之地的协议。

但是机器制造商真的只需要选择一个网络吗？

机器级别的工业网络需要低延迟的高效数据包处理，并且需要尽可能具有确定性。TCP/IP 协议不能用于实时控制，在这种控制中，PLC 需要向驱动器或执行器发送命令，并假设消息被快速接收和执行。相反，工业网络协议通常使用 UDP 协议来发送数据包。接收方从设备接收数据包并执行或转发到网络上的下一个设备。这些不同协议的方法是定义它们自己的数据包消息或数据报，并通过定义它们自己的对象标识来利用从第 2 层（数据链路）定制 MAC 到第 7 层应用层。无论哪种方式，都需要工业网络数据包软件来处理以太网报头和数据。

执行

多年来，该方法一直是使用 ASIC 或 FPGA 来支持这些协议并减轻 CPU 的负担。但是，ASIC 的问题在于您通常致力于一种协议。如果你走进一家工厂，他们碰巧使用了与你支持的协议不同的协议，你将需要添加一个协议转换器。另一方面，如果您使用 FPGA，您肯定会获得各种协议的灵活性，但您只会增加至少 30% 的 BOM 成本，增加功耗，并增加开发复杂性.

硬件加速器

一个新选项是使用具有内置硬件加速器的 MPU 来管理数据包处理。诸如编码和解码数据包或计算简单校验和等操作可以在硬件中实现，以改进数据包处理，为其他任务释放 CPU 带宽。这些加速器块从以太网帧的大部分低级处理中删除了软件，并且减少了软件堆栈代码。

图 1：内置硬件加速器可以实现各种协议。

可重新编程的硬件

在单个设备中支持不同协议的另一种方法是让 SoC 具有可编程块，该块可以配置为支持不同协议，例如编码器。伺服驱动编码器协议（例如 EnDAT、BiSS 或 A-Format）以特定格式携带有关转子位置、角度和旋转计数的信息。问题是如何结合在同一设备上支持多个编码器的能力。

处理器 SoC

Renesas RZ/T1 是设计用于支持实时应用（例如伺服驱动器和运动控制器）的处理器 SoC 的一个示例。它有一个动态可重新配置处理器 (DRP) 内核，带有一系列处理元件和一个 DMA 控制器结构，该结构可以通过固件进行现场重新配置，以实现几乎无限多种功能。DRP 逻辑存储在 RAM 中，因此可以在运行时在单个 CPU 周期内进行更改。 

图 2：具有 DRP 内核的 SoC 可实现对不同编码器接口的简单配置。

DRP 块可用于支持不同的绝对编码器接口。每个编码器的配置文件可以通过固件中的简单更改（在 C 代码中）进行更改，并且不需要任何类似 FPGA 的编程知识。

该处理器使用带有 FPU 内核的 Cortex-R4，该内核专为实时处理而设计，能够以高达 600 MHz 的频率运行。访问无需通过高速缓存，内置紧密耦合的存储器，能够进行明确的实时响应处理。配备工业以太网通信加速器 R-IN 引擎的 RZ/T1 设备可以在不损失实时性能的情况下执行工业以太网处理。

审核编辑 黄昊宇