利用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )實(shí)現工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計

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)標準中。了解在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計中實(shí)施TSN所涉及的理論和硬件。

當通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信時(shí)，工廠(chǎng)中的設備可能有非常不同的需求和潛在的沖突目標。操作技術(shù)（OT）流量，如機器控制數據和傳感器值讀數，通常需要固定的時(shí)間延遲、低延遲和可預測的抖動(dòng)。另一方面，信息技術(shù)（IT）流量是電子郵件流量等數據。

在IT領(lǐng)域中，通信通常是最大的努力，準確的響應時(shí)間不是最重要的。相反，總體吞吐量才是最重要的。對于OT，在某個(gè)時(shí)間丟失數據會(huì )導致失敗，因此數據包必須在一定的實(shí)時(shí)限制內到達目的地。

今天，有許多不同的工業(yè)協(xié)議用于解決這個(gè)問(wèn)題。然而，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）是建立在標準以太網(wǎng)上的，它的目標是為以太網(wǎng)上的實(shí)時(shí)通信創(chuàng )建一個(gè)統一的標準。它通過(guò)在一根網(wǎng)線(xiàn)上合并OT和It流量，并向以太網(wǎng)添加確定性來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。其目標是減少網(wǎng)絡(luò )延遲并降低端點(diǎn)之間的延遲，以確保某些數據包準時(shí)到達目的地。

本文討論了TSN，三個(gè)基本的TSN標準，以及它們的典型用例。它還檢查了三個(gè)NXP設備（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus），這些設備允許嵌入式工程師為工業(yè)應用設計現代連接的實(shí)時(shí)系統。

TSN不是一個(gè)單一的標準，而是一個(gè)IEEE定義的標準系列. TSN標準構成了TSN體系結構的基礎：

圖1TSN體系結構包括三層。IEEE標準構成了基礎。TSN配置文件位于基礎之上，協(xié)議使用這些配置文件

TSN配置文件位于TSN標準之上，形成體系結構的下一層。這些配置文件具體說(shuō)明了如何參數化標準中定義的某些TSN特性。例如，這樣一個(gè)配置文件可以包含一些參數，這些參數描述了應用程序中需要多少時(shí)鐘周期精度。

相對成熟的TSN配置文件是IEC60802，它定義了工業(yè)應用的參數。然而，許多其他的TSN配置文件，如汽車(chē)和醫療應用，目前正在開(kāi)發(fā)中。因此，體系結構的第二層根據特定的行業(yè)或應用程序來(lái)配置和指定在TSN標準中定義的特性。最后，頂層包含協(xié)議本身。

802.1AS的定時(shí)和同步標準構成了TSN的基礎。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)設備同步它們的內部時(shí)鐘，從而支持更高級的功能，如時(shí)間感知調度。

802.1Qbv標準允許支持TSN的設備組合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)次級標準還包括一個(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)間表規定了某些數據包何時(shí)可以在線(xiàn)路上發(fā)出。網(wǎng)絡(luò )中的設備同意遵守這個(gè)時(shí)間表，并為特定的包預留時(shí)間段。當在兩個(gè)終端節點(diǎn)之間發(fā)送優(yōu)先化消息時(shí)，這些措施將導致最小且可預測的抖動(dòng)和延遲：

請注意，802.1AS確保網(wǎng)絡(luò )上的所有設備共享一個(gè)同步的時(shí)基。因此，它們都知道何時(shí)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)發(fā)送何種類(lèi)型的流量。

802.1CB是TSN的另一個(gè)重要標準。此子標準允許系統設計者在網(wǎng)絡(luò )上創(chuàng )建冗余通信流，以提高容錯能力。啟用此功能后，支持802.1CB的網(wǎng)絡(luò )交換機將在需要時(shí)自動(dòng)復制指定的包。此外，當支持TSN的交換機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，消除了對復雜軟件的需求，減輕了主CPU的負載。

最后，802.Qbu幀搶占是工業(yè)自動(dòng)化最重要的標準之一。從本質(zhì)上講，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )對某種實(shí)時(shí)方法非常關(guān)注，這種方法要求遵守非常嚴格的周期時(shí)間。搶占有助于保持這樣的時(shí)間，因為它可以在多個(gè)片段上分割一個(gè)幀，這些片段將被連續發(fā)送，除非出現一個(gè)快速幀。

只要每個(gè)消息的傳輸可以在稱(chēng)為guardband（802.Qbr）的可配置時(shí)間段內完成，所有標準幀都可以在多個(gè)消息中中斷和分段。這種系統與搶占結合使用，可以防止過(guò)長(cháng)或非循環(huán)消息延長(cháng)周期時(shí)間。

這個(gè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )基礎提供對TSN和此處討論的一些標準的更詳細的了解。

這個(gè) 層角LS1028A，i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表總結了TSN標準以及哪些NXP設備實(shí)現了這些標準：

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庫和演示各種特性的軟件示例。

Layerscape LS1028A通常運行實(shí)時(shí)操作系統，例如openindustrialinux（OpenIL），或者其他高級操作系統。i.mx8mplus也將很快獲得對OpenIL的支持。NXP還提供了對TSN的開(kāi)源支持以及配置它的工具。對于OpenIL，NXP為PTP提供了開(kāi)源驅動(dòng)程序支持。這些驅動(dòng)程序允許用戶(hù)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。這些設備使嵌入式系統工程師能夠通過(guò)將高處理能力與廣泛的外圍設備、安全功能和能夠處理高要求任務(wù)的協(xié)處理器相結合來(lái)設計未來(lái)的工業(yè)設備。

這個(gè)LS1028A是一款成熟的應用處理器，基于兩個(gè)Cortex A72處理核心。它主要用于汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)，它配備了一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò )交換機，通過(guò)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備（如CAN-FD接口）、各種片上協(xié)處理器、專(zhuān)用GPU和LCD控制器以及眾多安全功能。目標應用包括網(wǎng)絡(luò )設備、工業(yè)HID和機器人技術(shù)。

圖2LS1028A框圖。圖片來(lái)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內核運行頻率高達1GHz，第二個(gè)專(zhuān)用Cortex?-M4處理器的時(shí)鐘頻率高達400MHz，使這些設備成為當今市場(chǎng)上最快的微控制器之一。其性能和豐富的外設和功能組合使i.MX RT1170系列mcu成為廣泛應用的理想選擇。這些設備支持高達2兆字節的SRAM和多達3個(gè)以太網(wǎng)接口。

i.MX RT1170交叉MCU還提供了一套現代安全和加密功能。對于HMI應用，設備包括一個(gè)專(zhuān)用的2D GPU和2D加速器和顯示接口。i.MX RT1170針對低功耗和低泄漏應用進(jìn)行了優(yōu)化，允許高效、快速、小型和經(jīng)濟高效的設計。

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

i.MX 8M系列包含各種針對特定市場(chǎng)的應用處理器，以滿(mǎn)足特定應用的需求。i.MX 8M Plus是該系列的最新型號，包括用于機器視覺(jué)應用的專(zhuān)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接口的設備。它還具有可靠性特性，如用于高可靠性工業(yè)應用的內聯(lián)ECC。

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

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170和i.MX 8M Plus是15年NXP長(cháng)壽計劃的一部分，該計劃保證組件從產(chǎn)品發(fā)布之日起至少15年內可供銷(xiāo)售，這對于需要經(jīng)歷長(cháng)期啟用或認證階段的設計師特別有用。

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

i.MX 8mplus用于圖像識別，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(xiàn)的實(shí)時(shí)操作。

根據i.mxrt1170驅動(dòng)的分析，i.MX RT1170用于引導機器人手臂從虛擬傳送帶上取下產(chǎn)品。

在這兩者之間，Layerscape LS1028運行一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò )，并在另外兩個(gè)設備之間以及其他潛在節點(diǎn)之間中繼幀。TSN用于確保數據從i.MX 8M Plus可靠地傳輸到i.MX RT1170。

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