使用多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)系統簡(jiǎn)化工廠(chǎng)自動(dòng)化設計

傳感器、執行器、驅動(dòng)器和可編程邏輯控制器 (PLCs) 等工廠(chǎng)自動(dòng)化設備支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如 EtherCAT、Profinet、以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每種協(xié)議均可通過(guò)在硬件平臺上加載不同的軟件映像進(jìn)行替換。

傳感器、執行器、驅動(dòng)器和可編程邏輯控制器 (PLCs) 等工廠(chǎng)自動(dòng)化設備支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如 EtherCAT、Profinet、以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每種協(xié)議均可通過(guò)在硬件平臺上加載不同的軟件映像進(jìn)行替換。
多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)系統可在硬件開(kāi)發(fā)周期內降低制造成本，通過(guò)僅要求制造單個(gè)印刷電路板來(lái)降低物料清單成本，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。制造商可以使用不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為工廠(chǎng)自動(dòng)化提供現場(chǎng)設備，如數字輸入模塊或伺服驅動(dòng)器。

諸如德州儀器的可編程實(shí)時(shí)單元工業(yè)通信子系統 (PRU-ICSS) 等架構，能夠支持現場(chǎng)器件 1,000Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)速率，特別是在采用新的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò ) (TSN) 協(xié)議的情況下。
工業(yè)以太網(wǎng)系統架構
圖 1 展示了工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)器件中，與 PLC 和其他現場(chǎng)器件交換過(guò)程數據的主要元件。其中，兩個(gè)以太網(wǎng)端口支持線(xiàn)型或環(huán)型以太網(wǎng)拓撲，這表示 PLC 通過(guò)以太網(wǎng)電纜連接到一系列現場(chǎng)器件，無(wú)需以太網(wǎng)交換機。

圖 1：工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)器件系統方框圖

從 RJ45 連接器上，介質(zhì)相關(guān)接口 (MDI) 連接到磁性元件，這些磁性元件在以太網(wǎng)幀到達以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器之前提供與其他器件的隔離柵。
PHY 將以太網(wǎng)幀進(jìn)行模數轉換（接收器）和數模轉換（發(fā)送器），并通過(guò)介質(zhì)獨立接口 (MII)、簡(jiǎn)化千兆位介質(zhì)獨立接口 (RGMII) 或串行千兆位介質(zhì)獨立接口 (SGMII) 輸出數字比特流。
PHY 在工業(yè)以太網(wǎng)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，其重要性與介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器 (MAC) 相當。PHY 必須支持不同線(xiàn)對（用于 T1 單線(xiàn)對以太網(wǎng)的單線(xiàn)對、用于 100Mbps 以太網(wǎng)的雙線(xiàn)對和用于 1,000Mbps 以太網(wǎng)的四線(xiàn)對）的銅介質(zhì)，具體取決于 MDI。部分工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )還支持光纖，光纖具有更好的電磁兼容性 (EMC) 并能在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中更好地抵御電磁干擾。
接下來(lái)，以太網(wǎng)字節流通過(guò) MII 進(jìn)入 MAC。MAC 負責工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，是用于實(shí)現多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)支持的重要功能塊。
由于每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在提取和插入過(guò)程數據時(shí)處理工業(yè)以太網(wǎng)幀的方式各異，MAC 處理方法必須針對每種協(xié)議進(jìn)行變化。MAC 等應用特定集成電路解決方案通常固定為使用單個(gè)協(xié)議，不具備多協(xié)議能力。支持多協(xié)議的 MAC 必須支持多種以太網(wǎng)幀處理方法，例如動(dòng)態(tài)處理、直通轉發(fā)、幀搶占以及存儲轉發(fā)。
MAC 可通過(guò)接口將來(lái)自 PLC 的過(guò)程數據傳輸到中央處理單元 (CPU)。如果 MAC 是物理上獨立的器件，該接口速率較低（串行外設接口 (SPI) 或 I2C，或者存儲器映射外部總線(xiàn)）。如果 MAC 與 CPU 集成，共享高速存儲器提供該接口并在 MAC 和 CPU 之間同步過(guò)程數據。
CPU 執行多種任務(wù)。每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議均需要一個(gè)軟件棧來(lái)與 MAC 進(jìn)行交互，以便交換過(guò)程數據?，F場(chǎng)器件使用此過(guò)程數據來(lái)控制數字輸入和輸出或控制伺服驅動(dòng)器的速度和旋轉。
如果系統包含多個(gè) CPU，通常的做法是將工作負載進(jìn)行拆分，其中工業(yè)以太網(wǎng)棧運行在其自身的 CPU 上，工業(yè)應用運行在其他 CPU 上。
可以在 CPU 內核上運行不同種類(lèi)的操作系統 (OS)：高級操作系統（例如 Linux 或實(shí)時(shí) Linux）或實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。
用于多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的德州儀器 Sitara? 系列解決方案和德州儀器以太網(wǎng) PHY
德州儀器Sitara? 處理器系列支持可編程 MAC 以及與其集成的 PRU-ICSS 外設。PRU 在運行時(shí)加載任一工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議固件。Sitara AM6442 如圖 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 協(xié)議，例如 TSN。PRU-ICSS 還充當標準以太網(wǎng) MAC 和兩端口以太網(wǎng)交換機。

圖 2：用于實(shí)現多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)支持的 Sitara AM6442 處理器解決方案和 PRU-ICSS

德州儀器 Sitara? 處理器系列能夠支持 PRU-ICSS 的多個(gè)實(shí)例，從而支持位置編碼器（EnDAT 2.2、HIPERFACE 數字伺服鏈路 [DSL]、雙向串行同步 [BiSS]）、脈寬調制 (PWM) 以及用于外部隔離式模數轉換器的 Δ-Σ 抽取濾波器等工業(yè)外設。伺服驅動(dòng)器使用這些外設。
德州儀器 Sitara? 處理器還集成工業(yè)應用使用的多種功能，包括 ADC、SPI、I2C 和通用存儲器控制器。片上系統還具有內部共享存儲器，用于在 MAC 和 CPU 之間交換過(guò)程數據。
如圖 3 所示，德州儀器 Sitara? 處理器系列具有適用于高級操作系統 (HLOS) 的多個(gè) Arm? Cortex?-A53 內核，適用于 RTOS 或裸機應用的多個(gè) Arm Cortex-R5F 內核以及適用于工業(yè)以太網(wǎng) MAC 的 PRU-ICSS。

圖 3：使用 RTOS、HLOS 和固件的多核處理

通過(guò)集成可編程 MAC 的方法，支持多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)所需的不同幀處理方法，并且將應用處理器置于單個(gè)芯片上。通過(guò)內部高速存儲器接口，可實(shí)現處理器和 MAC 之間過(guò)程數據的快速交換，并且該系列提供可擴展的處理器內核。
德州儀器提供了適用于 Sitara? 處理器系列的評估模塊 (EVM) 以及使用 DP83867 或 DP83869 以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器的以太網(wǎng) PHY 解決方案。