如何快速選擇工業(yè)以太網(wǎng)標準之串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議

　　工業(yè)以太網(wǎng)適用于工廠(chǎng)自動(dòng)化與控制、流程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化以及許多其它工業(yè)應用。和標準以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢之一就是確定性實(shí)時(shí)數據交換和不到1ms的同步周期時(shí)間。

　　有超過(guò)20種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議被作為標準進(jìn)行了部署并在工業(yè)應用中使用：這些包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP和以太網(wǎng)Powerlink.為什么會(huì )有如此多的標準可供選擇？原因是工業(yè)設備的每家制造商似乎都知道要求通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換更好一些，并已根據它們對過(guò)去串行現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域的了解制定了自己的標準。

　　無(wú)法通過(guò)標準以太網(wǎng)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）來(lái)實(shí)施大多數工業(yè)以太網(wǎng)標準；它們需要應用專(zhuān)用集成電路（ASIC）或專(zhuān)門(mén)的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。這是因為以太網(wǎng)幀是被即時(shí)（也稱(chēng)為“用捷徑法”）接收的，意思是：當在第一個(gè)以太網(wǎng)端口接收到該幀時(shí)，該幀已得到處理并由專(zhuān)用工業(yè)以太網(wǎng)MAC硬件塊傳輸到了第二個(gè)以太網(wǎng)端口。采用捷徑法，可為以太網(wǎng)幀實(shí)現不到1μs的端口到端口延遲。

　　另一方面，標準以太網(wǎng)MAC采用存儲和轉發(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(zhù)對該幀進(jìn)行任何處理或轉發(fā)。這會(huì )為該幀增加抖動(dòng)和延遲，所以對工業(yè)設備制造而言它不是一個(gè)很好的選擇。

　　可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通信子系統（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，但這些內容以后再詳加討論。

　　Sercos已在工廠(chǎng)自動(dòng)化應用（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(shí)時(shí)數據交換與以太網(wǎng)相融合。迄今為止，Sercos III技術(shù)集成只在FPGA中實(shí)施過(guò)。

　　一個(gè)Sercos III主器件可控制多個(gè)Sercos III從屬器件（如驅動(dòng)器、傳感器以及模擬和數字I/O器件）——圖1展示了這種情況。一個(gè)主器件可控制多達511個(gè)從屬器件。

　　圖1：范例性Sercos III網(wǎng)絡(luò )環(huán)型拓撲結構

　　Sercos III的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是它支持線(xiàn)型拓撲結構旁的環(huán)型拓撲結構。如果以太網(wǎng)線(xiàn)纜發(fā)生故障，那么Sercos III網(wǎng)絡(luò )可切換到線(xiàn)型拓撲結構，使主器件能繼續與網(wǎng)絡(luò )中的所有從屬器件進(jìn)行通信。一旦以太網(wǎng)線(xiàn)纜已修復，主器件就可以把Sercos III網(wǎng)絡(luò )從線(xiàn)型拓撲結構切換到環(huán)型拓撲結構。

　　該通信協(xié)議是時(shí)分多路復用的，如圖2所示。在一個(gè)Sercos III通信周期內有一個(gè)專(zhuān)用于實(shí)時(shí)Sercos III幀、被稱(chēng)為實(shí)時(shí)（RT）通道的時(shí)間片。在這個(gè)時(shí)間片中，主器件和從屬器件能交換在可編程邏輯控制器（PLC）內使用的進(jìn)程數據。在被稱(chēng)為統一通信通道（UCC）的第二個(gè)時(shí)間片中，網(wǎng)絡(luò )內的所有器件（主器件和從屬器件）均可交換標準的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）報文。UCC能用來(lái)交換Web服務(wù)器的信息，借助簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議（TFTP）來(lái)更新器件軟件，或為基于IP的應用（任何種類(lèi)）傳輸以太網(wǎng)幀。

　　圖2：Sercos III時(shí)分多路復用通信周期

　　將FPGA用于Sercos III會(huì )增加成本和電路板占用空間?？上杀驹黾右蛩氐囊粋€(gè)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。例如，TI為AM335x處理器提供了PRU-ICSS固件，無(wú)需使用外部FPGA即可啟用Sercos III從屬器件?？墒褂迷趫D3中所見(jiàn)的TMDSICE3359評估板來(lái)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(kāi)發(fā)平臺