在下一“驅(qū)動”設計中支持所有工業(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，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。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)體系結構。供應商不是針對某一協(xié)議來設計從機系統(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計。

　　圖 1. 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議體系結構

　　EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協(xié)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(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 設計不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng) MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設計。從系統(tǒng)設計的角度看，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(xié)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(xiàn)