如何快速選擇工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之串行實時通信協(xié)議

　　工業(yè)以太網(wǎng)適用于工廠自動化與控制、流程自動化、樓宇自動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)勢之一就是確定性實時數(shù)據(jù)交換和不到1ms的同步周期時間。

　　有超過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以太網(wǎng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換更好一些，并已根據(jù)它們對過去串行現(xiàn)場總線領(lǐng)域的了解制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)。

　　無法通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（MAC）來實施大多數(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)場可編程門陣列（FPGA）。這是因為以太網(wǎng)幀是被即時（也稱為“用捷徑法”）接收的，意思是：當(dāng)在第一個以太網(wǎng)端口接收到該幀時，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€以太網(wǎng)端口。采用捷徑法，可為以太網(wǎng)幀實現(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才能接著對該幀進(jìn)行任何處理或轉(zhuǎn)發(fā)。這會為該幀增加抖動和延遲，所以對工業(yè)設(shè)備制造而言它不是一個很好的選擇。

　　可編程實時單元和工業(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)容以后再詳加討論。

　　Sercos已在工廠自動化應(yīng)用（適合機械工程和建筑）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接口的實時數(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中實施過。

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

　　圖1：范例性Sercos III網(wǎng)絡(luò)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　Sercos III的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它支持線型拓?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)議是時分多路復(fù)用的，如圖2所示。在一個Sercos III通信周期內(nèi)有一個專用于實時Sercos III幀、被稱為實時（RT）通道的時間片。在這個時間片中，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）的第二個時間片中，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）報文。UCC能用來交換Web服務(wù)器的信息，借助簡單文件傳輸協(xié)議（TFTP）來更新器件軟件，或為基于IP的應(yīng)用（任何種類）傳輸以太網(wǎng)幀。

　　圖2：Sercos III時分多路復(fù)用通信周期

　　將FPGA用于Sercos III會增加成本和電路板占用空間。可消除成本增加因素的一個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，無需使用外部FPGA即可啟用Sercos III從屬器件?？墒褂迷趫D3中所見的TMDSICE3359評估板來對該解決方案進(jìn)行評估。

　　圖3：適用于Sercos III的TMDSICE3359工業(yè)通信開發(fā)平臺