利用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

OT（操作技術(shù)）和IT（信息技術(shù)）可能有不同的實(shí)時(shí)需求，但它們被合并到基于TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中。了解在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中實(shí)施TSN所涉及的理論和硬件。

當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，工廠中的設(shè)備可能有非常不同的需求和潛在的沖突目標(biāo)。操作技術(shù)（OT）流量，如機(jī)器控制數(shù)據(jù)和傳感器值讀數(shù)，通常需要固定的時(shí)間延遲、低延遲和可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)。另一方面，信息技術(shù)（IT）流量是電子郵件流量等數(shù)據(jù)。

在IT領(lǐng)域中，通信通常是最大的努力，準(zhǔn)確的響應(yīng)時(shí)間不是最重要的。相反，總體吞吐量才是最重要的。對(duì)于OT，在某個(gè)時(shí)間丟失數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致失敗，因此數(shù)據(jù)包必須在一定的實(shí)時(shí)限制內(nèi)到達(dá)目的地。

今天，有許多不同的工業(yè)協(xié)議用于解決這個(gè)問題。然而，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是建立在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上的，它的目標(biāo)是為以太網(wǎng)上的實(shí)時(shí)通信創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。它通過在一根網(wǎng)線上合并OT和It流量，并向以太網(wǎng)添加確定性來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。其目標(biāo)是減少網(wǎng)絡(luò)延遲并降低端點(diǎn)之間的延遲，以確保某些數(shù)據(jù)包準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。

本文討論了TSN，三個(gè)基本的TSN標(biāo)準(zhǔn)，以及它們的典型用例。它還檢查了三個(gè)NXP設(shè)備（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus），這些設(shè)備允許嵌入式工程師為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)現(xiàn)代連接的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

TSN不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是一個(gè)IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)系列. TSN標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了TSN體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)：

圖1TSN體系結(jié)構(gòu)包括三層。IEEE標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了基礎(chǔ)。TSN配置文件位于基礎(chǔ)之上，協(xié)議使用這些配置文件

TSN配置文件位于TSN標(biāo)準(zhǔn)之上，形成體系結(jié)構(gòu)的下一層。這些配置文件具體說明了如何參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)中定義的某些TSN特性。例如，這樣一個(gè)配置文件可以包含一些參數(shù)，這些參數(shù)描述了應(yīng)用程序中需要多少時(shí)鐘周期精度。

相對(duì)成熟的TSN配置文件是IEC60802，它定義了工業(yè)應(yīng)用的參數(shù)。然而，許多其他的TSN配置文件，如汽車和醫(yī)療應(yīng)用，目前正在開發(fā)中。因此，體系結(jié)構(gòu)的第二層根據(jù)特定的行業(yè)或應(yīng)用程序來配置和指定在TSN標(biāo)準(zhǔn)中定義的特性。最后，頂層包含協(xié)議本身。

802.1AS的定時(shí)和同步標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了TSN的基礎(chǔ)。ieee802.1AS建立在精確時(shí)間協(xié)議（PTP）之上，允許網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)設(shè)備同步它們的內(nèi)部時(shí)鐘，從而支持更高級(jí)的功能，如時(shí)間感知調(diào)度。

802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)允許支持TSN的設(shè)備組合OT和IT流量，并在一根以太網(wǎng)電纜上進(jìn)行傳輸。此外，這個(gè)次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還包括一個(gè)時(shí)間感知整形器，使得創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間表成為可能，該時(shí)間表規(guī)定了某些數(shù)據(jù)包何時(shí)可以在線路上發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備同意遵守這個(gè)時(shí)間表，并為特定的包預(yù)留時(shí)間段。當(dāng)在兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送優(yōu)先化消息時(shí)，這些措施將導(dǎo)致最小且可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)和延遲：

請(qǐng)注意，802.1AS確保網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備共享一個(gè)同步的時(shí)基。因此，它們都知道何時(shí)通過網(wǎng)線發(fā)送何種類型的流量。

802.1CB是TSN的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。此子標(biāo)準(zhǔn)允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建冗余通信流，以提高容錯(cuò)能力。啟用此功能后，支持802.1CB的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將在需要時(shí)自動(dòng)復(fù)制指定的包。此外，當(dāng)支持TSN的交換機(jī)第一次接收到唯一消息時(shí)，它會(huì)在以后自動(dòng)丟棄所有冗余副本。將這些任務(wù)外包給支持TSN的硬件，消除了對(duì)復(fù)雜軟件的需求，減輕了主CPU的負(fù)載。

最后，802.Qbu幀搶占是工業(yè)自動(dòng)化最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。從本質(zhì)上講，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)某種實(shí)時(shí)方法非常關(guān)注，這種方法要求遵守非常嚴(yán)格的周期時(shí)間。搶占有助于保持這樣的時(shí)間，因?yàn)樗梢栽诙鄠€(gè)片段上分割一個(gè)幀，這些片段將被連續(xù)發(fā)送，除非出現(xiàn)一個(gè)快速幀。

只要每個(gè)消息的傳輸可以在稱為guardband（802.Qbr）的可配置時(shí)間段內(nèi)完成，所有標(biāo)準(zhǔn)幀都可以在多個(gè)消息中中斷和分段。這種系統(tǒng)與搶占結(jié)合使用，可以防止過長(zhǎng)或非循環(huán)消息延長(zhǎng)周期時(shí)間。

這個(gè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)提供對(duì)TSN和此處討論的一些標(biāo)準(zhǔn)的更詳細(xì)的了解。

這個(gè) 層角LS1028A，i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表總結(jié)了TSN標(biāo)準(zhǔn)以及哪些NXP設(shè)備實(shí)現(xiàn)了這些標(biāo)準(zhǔn)：

支持TSN的硬件是創(chuàng)建可靠的支持TSN的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的第一步。NXP為其產(chǎn)品提供了廣泛的軟件支持，并提供了一個(gè)sdk庫(kù)和演示各種特性的軟件示例。

Layerscape LS1028A通常運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如openindustrialinux（OpenIL），或者其他高級(jí)操作系統(tǒng)。i.mx8mplus也將很快獲得對(duì)OpenIL的支持。NXP還提供了對(duì)TSN的開源支持以及配置它的工具。對(duì)于OpenIL，NXP為PTP提供了開源驅(qū)動(dòng)程序支持。這些驅(qū)動(dòng)程序允許用戶控制PTP硬件時(shí)鐘和時(shí)間戳。除了NXP的軟件產(chǎn)品，工程師還可以從一系列現(xiàn)成的商業(yè)軟件堆棧中進(jìn)行選擇。

NXP產(chǎn)品組合提供了一些設(shè)備，為工業(yè)環(huán)境中的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)提供硬件支持。例如Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和i.MX 8M Plus。這些設(shè)備使嵌入式系統(tǒng)工程師能夠通過將高處理能力與廣泛的外圍設(shè)備、安全功能和能夠處理高要求任務(wù)的協(xié)處理器相結(jié)合來設(shè)計(jì)未來的工業(yè)設(shè)備。

這個(gè)LS1028A是一款成熟的應(yīng)用處理器，基于兩個(gè)Cortex A72處理核心。它主要用于汽車和工業(yè)市場(chǎng)，它配備了一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過四個(gè)以太網(wǎng)端口支持各種TSN功能。LS1028A還提供了豐富的外圍設(shè)備（如CAN-FD接口）、各種片上協(xié)處理器、專用GPU和LCD控制器以及眾多安全功能。目標(biāo)應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)HID和機(jī)器人技術(shù)。

圖2LS1028A框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

這個(gè)iMX RT1170系列MCU利用兩個(gè)處理核心。ARM?Cortex?-M7內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)1GHz，第二個(gè)專用Cortex?-M4處理器的時(shí)鐘頻率高達(dá)400MHz，使這些設(shè)備成為當(dāng)今市場(chǎng)上最快的微控制器之一。其性能和豐富的外設(shè)和功能組合使i.MX RT1170系列mcu成為廣泛應(yīng)用的理想選擇。這些設(shè)備支持高達(dá)2兆字節(jié)的SRAM和多達(dá)3個(gè)以太網(wǎng)接口。

i.MX RT1170交叉MCU還提供了一套現(xiàn)代安全和加密功能。對(duì)于HMI應(yīng)用，設(shè)備包括一個(gè)專用的2D GPU和2D加速器和顯示接口。i.MX RT1170針對(duì)低功耗和低泄漏應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，允許高效、快速、小型和經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。

圖3i.MX RT1170框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

i.MX 8M系列包含各種針對(duì)特定市場(chǎng)的應(yīng)用處理器，以滿足特定應(yīng)用的需求。i.MX 8M Plus是該系列的最新型號(hào)，包括用于機(jī)器視覺應(yīng)用的專用硬件、具有2.3個(gè)頂部的NPU單元用于更快的AI推斷、改進(jìn)的LVDS、支持TSN的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)以及2D/3D圖形加速器。

此外，i.MX 8M Plus是目前i.MX 8M系列中唯一提供多個(gè)CAN-FD接口的設(shè)備。它還具有可靠性特性，如用于高可靠性工業(yè)應(yīng)用的內(nèi)聯(lián)ECC。

圖4i.MX 8M Plus方框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170和i.MX 8M Plus是15年NXP長(zhǎng)壽計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃保證組件從產(chǎn)品發(fā)布之日起至少15年內(nèi)可供銷售，這對(duì)于需要經(jīng)歷長(zhǎng)期啟用或認(rèn)證階段的設(shè)計(jì)師特別有用。

在這個(gè)例子中，每個(gè)組件通過利用上面描述的各種TSN標(biāo)準(zhǔn)彼此通信，以便保持高水平的同步和保證的延遲，而不依賴于網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的流量。

i.MX 8mplus用于圖像識(shí)別，利用其ISP和嵌入式神經(jīng)處理單元（NPU）進(jìn)行優(yōu)化操作，并支持生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)操作。

根據(jù)i.mxrt1170驅(qū)動(dòng)的分析，i.MX RT1170用于引導(dǎo)機(jī)器人手臂從虛擬傳送帶上取下產(chǎn)品。

在這兩者之間，Layerscape LS1028運(yùn)行一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)，并在另外兩個(gè)設(shè)備之間以及其他潛在節(jié)點(diǎn)之間中繼幀。TSN用于確保數(shù)據(jù)從i.MX 8M Plus可靠地傳輸?shù)絠.MX RT1170。

在本例中，還連接了一臺(tái)筆記本電腦，以便模擬任何現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)中可能存在的最大努力流量