向千兆以太網的發展

　　另一考慮是今后向千兆以太網發展。由于幾乎所有的 FPGA 都支持千兆以太網，即使標準開始向高于 1 Gbps 速率發展，經過深思熟慮的系統設計也需要新的 FPGA 編程文件來支持這類標準的發展。在可編程架構中以深度嵌入的功能來實現工業以太網使您不僅能夠以相同的硬件靈活的支持多種協議，而且還受益于高度集成的設計：功耗、成本和外形封裝。

　　未來是芯片驅動

　　與基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的傳統驅動技術不同，基于一個 Altera? Cyclone? V FPGA 等單片 FPGA 平臺的驅動系統提供了可擴展平臺，滿足了各種驅動需求，如圖 4 所示。

　　圖 4. 芯片驅動系統設計降低了 BOM 成本，減小了外形

　　Altera FPGA 支持您采用多種處理器體系結構，例如，Nios? II 嵌入式軟核處理器，或者功能更強大的雙核 ARM? CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核處理器。采用最新的工業以太網協議、數字編碼器接口、浮點算法以及器件增強功能，例如，存儲器控制器、精度可調 DSP 模塊和收發器以及基于 FPGA 的電機控制系統，支持多種操作系統，使您能夠集成傳統的 FPGA 功能和驅動控制環以及通信協議功能。采用單芯片實現驅動系統的這些數字功能，因此，工業以太網成為集成到 FPGA 中眾多的功能模塊中的一個。

　　簡化工業以太網許可和設計

　　讓我們從系統規劃人員設計驅動模塊的角度了解一下某些難點：

　　（1）系統必須能夠采用多種工業以太網協議重新編程，這樣，系統可以采用任何可編程邏輯控制器 （PLC） 進行工作。

　　（2）OEM 需要使用多種經過硬件測試的工業以太網協議。由于產品面市和預算壓縮了所有時間，因此，不可能與每一協議供應商分別進行協商。

　　（3）不同的驅動模塊支持不同的特性，有不同的價格，因此，非常重要的是協議知識產權 （IP） 能夠適用于多種 FPGA。

　　為解決這些難題，設計人員需要向 OEM 提供大部分從機工業以太網協議，而且沒有前端許可，沒有單獨的版稅。這類解決方案是由 Altera 和 Softing 工業自動化有限公司提供的，這是一家制造和過程自動化工業通信產品和技術前沿供應商。采用 Altera 和Softing 解決方案，您能夠使用圖 5 顯示的所有協議，不需要許可協商，沒有前端許可成本，也不需要單獨的單片版稅。相反，通過四個快捷步驟提供解決方案：

　　（1）選擇要實現的工業以太網協議 —— 甚至選擇一個以上。

　　（2）從 Softing 下載定制從機協議 IP 和軟件堆棧，適用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。

　　（3）在 Quartus? 軟件和硬件 （ 開發套件 ） 中評估您自己設計中的 IP。

　　（4）從 Altera 購買特殊安全 CPLD，在產品中實現任何所選擇的協議。

　　圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設計大部分從機工業以太網協議，具有完整的 “ 無困難 ” 許可

　　協議 IP 的結構

　　讓我們看一下協議 IP 的結構，您可以下載它來實現您需要的工業以太網協議。工業以太網協議 IP 有邏輯組件和軟件 （ 堆棧 ） 組件。邏輯組件為各種協議實現所需的硬件模塊，例如，PROFINET 和 EtherNet/IP 交換模塊，以及 POWERLINK 集線器，等。以 “ 黑盒 IP” 的形式提供 IP，意味著，不提供內部源 RTL。必須通過定義好的有記錄的接口來使用這一 IP。

　　軟件組件包括運行在免費操作系統 （OS） 中的協議棧，例如，eCOS，以 Nios II 集成開發環境 （IDE） 中 .elf 庫文件的方式來提供。源代碼還是以黑盒的形式提供，二進制軟件文件必須運行在 Nios II/f 處理器上。

　　如圖 6 所示，將這些組件放在一起建立 “ 灰盒 ” 非常重要。灰盒包括 Nios II/f 處理器、黑盒 IP，以及存儲器控制器，必須將它們恰當的放在一起，如隨每一協議 IP 發售的參考設計所示。您可以通過定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設計的其他部分和這一黑盒連接起來，通過定義好的軟件應用程序接口 （API） 使用協議棧，這一接口對于所有工業以太網協議是通用的。

　　圖 6. 工業以太網協議 IP 的結構

　　設計完成后，您可以選擇在 Quartus 軟件中進行軟件仿真，或者使用 Altera 基于Cyclone IV FPGA 的工業網絡套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的實時以太網模塊 （RTEM） 進行硬件評估。使用這些開發套件，在硬件中驗證了 Softing 為Altera 開發的工業以太網協議 IP。

　　結論

　　與很多其他通信功能相似，工業以太網的實現已經從模塊轉向器件，進而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發展趨勢，因為系統供應商很難針對成本、功耗、外形封裝等因素來優化他們的設計。工業以太網獨特的一面是，大量的全球標準，需要從機模塊供應商支持多種標準。

　　支持 8 到 10 種不同標準，而且在這些從機產品生命周期中不斷更新硬件和軟件的唯一高性價比方法是在同時具備硬件和軟件可編程能力的器件中實現您的設計。采用硬件和軟件可編程器件，系統供應商能夠支持各種工業以太網，使用了標準 MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制 MAC 設計和特殊軟件堆棧的協議。而且，使用相同的硬件，能夠適應一般的軟件堆棧更新和不太常用的邏輯更新。

　　——本文選自電子發燒友網09月技術特刊《智能工業特刊》，轉載請注明出處，違者必究！