以太網(wǎng)標準與驅動(dòng)系統設計

因為多種原因，工業(yè)以太網(wǎng)已成為工廠(chǎng)自動(dòng)化的主流技術(shù)。而沒(méi)有引起同樣重視的是，需要在供應商系統中實(shí)現這一通信技術(shù)。本文從工廠(chǎng)自動(dòng)化供應商開(kāi)發(fā)從機系統的角度出發(fā)，介紹實(shí)現工業(yè)以太網(wǎng)的各種選擇，例如I/O模塊和驅動(dòng)等從機系統。

　　這些OEM面臨的難題可以從查看機系統體系結構開(kāi)始。供應商并非針對某一協(xié)議來(lái)設計從機系統，而必須支持可以在工廠(chǎng)中實(shí)現的任何標準，不能指定某一種協(xié)議，因此系統必須適應任何一種協(xié)議。

　　開(kāi)發(fā)的從機協(xié)議新標準也有獨特的硬件特性，它們不能使用標準MAC實(shí)現。這些都直接影響對實(shí)現平臺的選擇。

　　以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

　　一開(kāi)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，其交換模式支持全雙工功能，意味著(zhù)可以在兩個(gè)器件之間構建點(diǎn)對點(diǎn)鏈接，使得以太網(wǎng)能夠用于大部分工業(yè)應用中。

　　但是，所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都需要作出一定程度的判決，傳統上是通過(guò)使用軟件協(xié)議堆棧來(lái)解決的。一些新協(xié)議已經(jīng)開(kāi)始使用特殊MAC結構來(lái)實(shí)現更好的延時(shí)。圖1顯示了一些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的結構。

　　對速度的要求（或延時(shí)）

　　工廠(chǎng)自動(dòng)化系統有實(shí)時(shí)響應要求?！皩?shí)時(shí)”是什么？答案是取決于應用類(lèi)型。有時(shí)候，按照數百毫秒來(lái)衡量，而有時(shí)候按照微秒來(lái)衡量。有不同的設計方法使得通信協(xié)議能夠滿(mǎn)足不同的延時(shí)要求。

　　圖1：工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議體系結構

　　如圖1所示，PHY層通常是獨立的模擬器件。但是，可以在數字邏輯器件中實(shí)現其他功能，由處理器針對協(xié)議棧以及定制應用來(lái)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)議在MAC以及交換上使用獨特的非標準設計。

　　EtherCAT和Powerlink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(gè)以太網(wǎng)幀中封裝了更多的數據包。多個(gè)從機器件的數據被封裝到一個(gè)以太網(wǎng)幀中。當從機器件讀取以太網(wǎng)幀時(shí)，它必須為自己提取出數據包的內在含義，而忽略其他信息——更重要的是，它必須能夠“隨時(shí)”完成這一工作。當連接了很多從機器件時(shí)，也要滿(mǎn)足最低延時(shí)要求。典型的應用是運動(dòng)控制以及多軸機器人驅動(dòng)。

　　這一協(xié)議好的一面是，會(huì )引起一個(gè)幀延時(shí)而不是256幀延時(shí)（如果您是網(wǎng)絡(luò )上的第256個(gè)從機器件）。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機器件中的MAC設計不同于傳統的以太網(wǎng)MAC，是非標準的，需要FPGA或者ASIC特殊設計。圖2顯示了不同的實(shí)時(shí)要求是怎樣導致通信協(xié)議標準不同體系結構的。

　　從系統設計的角度看，如果您必須支持標準MAC實(shí)現以及特殊實(shí)現，那么，設計應包含MAC設計，或者是硬件可編程的。

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