在下一“驅動(dòng)”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(chǎng)自動(dòng)化的主流技術(shù)，是有多方面原因的。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)。而事實(shí)上，您怎樣實(shí)現這一需求越來(lái)越大的功能對于您的系統成本、產(chǎn)品外形以及功耗指標會(huì )有很大的不同。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 面臨的難題并不常見(jiàn)，因此，有很好的理由來(lái)檢查從機系統體系結構。供應商不是針對某一協(xié)議來(lái)設計從機系統。他們必須支持可以在工廠(chǎng)中實(shí)現的任何標準，而不能指定某一種協(xié)議。他們的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。事實(shí)上，他們不能使用標準 MAC 實(shí)現，這會(huì )面臨少見(jiàn)的難題，影響對實(shí)現平臺的選擇。

　　工業(yè)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。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。

　　對速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時(shí) ）

　　我們都知道，工廠(chǎng)自動(dòng)化系統有實(shí)時(shí)響應要求。那么，“ 實(shí)時(shí) ” 到底是什么 ？ 答案是這取決于應用類(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。

　　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 （ 圖中右側所示 ） 在介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(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，它必須隨時(shí)進(jìn)行這種提取工作。

　　當連接了很多從機器件時(shí)，對數據包進(jìn)行提取，以滿(mǎn)足最低延時(shí)要求。例如，如果您是網(wǎng)絡(luò )上的第 256 個(gè)從機器件，會(huì )引起一個(gè)幀延時(shí)而不是 256 幀延時(shí)。典型的應用是運動(dòng)控制以及多軸機器人驅動(dòng)。

　　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，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設計。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。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。

　　圖 2. 不同的實(shí)時(shí)要求導致不同的實(shí)現