引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)成為工廠自動(dòng)化的主流技術(shù)，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應(yīng)商系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一通信技術(shù)。而事實(shí)上，您怎樣實(shí)現(xiàn)這一需求越來越大的功能對(duì)于您的系統(tǒng)成本、產(chǎn)品外形以及功耗指標(biāo)會(huì)有很大的不同。本文從工廠自動(dòng)化供應(yīng)商開發(fā)從機(jī)系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅(qū)動(dòng)等從機(jī)系統(tǒng)。

　　這些 OEM 面臨的難題并不常見，因此，有很好的理由來檢查從機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。供應(yīng)商不是針對(duì)某一協(xié)議來設(shè)計(jì)從機(jī)系統(tǒng)。他們必須支持可以在工廠中實(shí)現(xiàn)的任何標(biāo)準(zhǔn)，而不能指定某一種協(xié)議。他們的系統(tǒng)必須適應(yīng)任何一種協(xié)議。

　　開發(fā)的從機(jī)協(xié)議新標(biāo)準(zhǔn)也有獨(dú)特的硬件特性。事實(shí)上，他們不能使用標(biāo)準(zhǔn) MAC 實(shí)現(xiàn)，這會(huì)面臨少見的難題，影響對(duì)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的選擇。

　　工業(yè)以太網(wǎng)簡介

　　一開始，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(hào)，都不能適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用。而快速以太網(wǎng) （100 Mbps） 的出現(xiàn)，其交換模式支持全雙工功能，意味著可以在兩個(gè)器件之間構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，使得以太網(wǎng)能夠用于大部分工業(yè)應(yīng)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(tǒng)上是通過使用軟件協(xié)議堆棧來解決的。

　　對(duì)速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時(shí) ）

　　我們都知道，工廠自動(dòng)化系統(tǒng)有實(shí)時(shí)響應(yīng)要求。那么，“ 實(shí)時(shí) ” 到底是什么 ？ 答案是這取決于應(yīng)用類型。有時(shí)候，按照數(shù)百毫秒來衡量，而有時(shí)候按照微秒來衡量。有不同的設(shè)計(jì)方法使得通信協(xié)議能夠滿足不同的延時(shí)要求。

　　如圖 1 所示，PHY 層通常是獨(dú)立的模擬器件。但是，可以在數(shù)字邏輯器件中實(shí)現(xiàn)其他功能，由處理器針對(duì)協(xié)議棧以及定制應(yīng)用來運(yùn)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(cè)所示 ） 在介質(zhì)訪問控制 （MAC） 以及交換上使用獨(dú)特的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

　　圖 1. 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協(xié)議，需要特殊的 MAC 設(shè)計(jì)。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(shù)據(jù)包。多個(gè)從機(jī)器件的數(shù)據(jù)被封裝到一個(gè)以太網(wǎng)幀中。當(dāng)從機(jī)器件讀取以太網(wǎng)幀時(shí)，它必須為自己提取出數(shù)據(jù)包的內(nèi)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(dāng)連接了很多從機(jī)器件時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行提取，以滿足最低延時(shí)要求。例如，如果您是網(wǎng)絡(luò)上的第 256 個(gè)從機(jī)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(yīng)用是運(yùn)動(dòng)控制以及多軸機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機(jī)器件中的 MAC 設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng) MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，如果您必須支持標(biāo)準(zhǔn) MAC 實(shí)現(xiàn)以及特殊實(shí)現(xiàn)，那么，設(shè)計(jì)應(yīng)包含 MAC 設(shè)計(jì)，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(dǎo)致通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同體系結(jié)構(gòu)的。

　　圖 2. 不同的實(shí)時(shí)要求導(dǎo)致不同的實(shí)現(xiàn)

　　關(guān)鍵趨勢影響了系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　某些影響工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢包括嵌入式通信協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展，以及向千兆以太網(wǎng)的發(fā)展等。

　　嵌入式通信協(xié)議

　　驅(qū)動(dòng)和 I/O 模塊 （ 工廠自動(dòng)化中典型的從機(jī)器件 ） 的第一個(gè)發(fā)展趨勢是通信功能的深度嵌入，這是由于系統(tǒng)成本下降、外形減小以及功耗預(yù)算降低等因素造成的。過去，客戶花費(fèi)數(shù)百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅(qū)動(dòng)模塊中。這類模塊性價(jià)比不高，而且也不適用于小外形封裝驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。另一替代方案是包括單獨(dú)的 ASSP 專用于實(shí)現(xiàn)通信功能。由于不同的客戶會(huì)使用不同的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因此，這種 ASSP 可能會(huì)被過度設(shè)計(jì)，以支持多種協(xié)議。

　　但是，供應(yīng)商希望將他們所有的數(shù)字驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)硅片中，要求通信協(xié)議功能規(guī)模不大，能夠作為整個(gè) “ 芯片驅(qū)動(dòng) ” 系統(tǒng)的組成部分來實(shí)現(xiàn)。圖 3 顯示了工業(yè)以太網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。

　　圖 3. 從模塊到器件，到芯片集成功能

　　工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展

　　第二個(gè)趨勢是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展。與現(xiàn)場總線協(xié)議相似，有很多類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，最重要的是，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有在市場上合并。

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商必須能夠支持 6 到 8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，才能將其產(chǎn)品銷售到全球不同的工廠中。

　　例如，如果您希望在亞洲和歐洲同時(shí)銷售您的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，同時(shí)適應(yīng) Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）設(shè)計(jì)、開發(fā)，并維持兩組驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；或者 2）包括 ASSP 以支持多種協(xié)議 —— 希望協(xié)議不會(huì)變化；或者 3）使用可編程平臺(tái)表 1 列出了流行于全世界的某些競爭以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　表 1. 基于底層現(xiàn)場總線協(xié)議的競爭以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

　　過去，當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn) MAC/ 交換時(shí)，很容易采用微處理器單元 （MPU） 進(jìn)行通信。如果您需要支持新標(biāo)準(zhǔn)，您只需要交換協(xié)議棧 （ 軟件 ）。但是，正如前面所討論的，很多新標(biāo)準(zhǔn)需要特殊的 MAC 實(shí)現(xiàn)。很顯然，應(yīng)對(duì)這些新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn) MPU 上采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 和交換機(jī)對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理是不夠的。

　　某些 MPU 供應(yīng)商開發(fā)了新方法，例如開發(fā)專用嵌入式處理器使用的定制微代碼，用于仿真非標(biāo)準(zhǔn) MAC。但這些是很深?yuàn)W的方法，可能會(huì)有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 實(shí)現(xiàn)的協(xié)議通常采用定制硬件方法，取決于產(chǎn)量以及要求的價(jià)格點(diǎn)而使用 ASIC 或者 FPGA。

　　此外，MAC 設(shè)計(jì)總是有可能隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而改變。為保證您的設(shè)計(jì)今后不會(huì)過時(shí)，采用可編程方法是最安全的。

　　向千兆以太網(wǎng)的發(fā)展

　　另一考慮是今后向千兆以太網(wǎng)發(fā)展。由于幾乎所有的 FPGA 都支持千兆以太網(wǎng)，即使標(biāo)準(zhǔn)開始向高于 1 Gbps 速率發(fā)展，經(jīng)過深思熟慮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要新的 FPGA 編程文件來支持這類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。在可編程架構(gòu)中以深度嵌入的功能來實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)使您不僅能夠以相同的硬件靈活的支持多種協(xié)議，而且還受益于高度集成的設(shè)計(jì)：功耗、成本和外形封裝。

　　未來是芯片驅(qū)動(dòng)

　　與基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)不同，基于一個(gè) Altera? Cyclone? V FPGA 等單片 FPGA 平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了可擴(kuò)展平臺(tái)，滿足了各種驅(qū)動(dòng)需求，如圖 4 所示。

　　圖 4. 芯片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，例如，Nios? II 嵌入式軟核處理器，或者功能更強(qiáng)大的雙核 ARM? CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核處理器。采用最新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、數(shù)字編碼器接口、浮點(diǎn)算法以及器件增強(qiáng)功能，例如，存儲(chǔ)器控制器、精度可調(diào) DSP 模塊和收發(fā)器以及基于 FPGA 的電機(jī)控制系統(tǒng)，支持多種操作系統(tǒng)，使您能夠集成傳統(tǒng)的 FPGA 功能和驅(qū)動(dòng)控制環(huán)以及通信協(xié)議功能。采用單芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的這些數(shù)字功能，因此，工業(yè)以太網(wǎng)成為集成到 FPGA 中眾多的功能模塊中的一個(gè)。

　　簡化工業(yè)以太網(wǎng)許可和設(shè)計(jì)

　　讓我們從系統(tǒng)規(guī)劃人員設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊的角度了解一下某些難點(diǎn)：

　　（1）系統(tǒng)必須能夠采用多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議重新編程，這樣，系統(tǒng)可以采用任何可編程邏輯控制器 （PLC） 進(jìn)行工作。

　　（2）OEM 需要使用多種經(jīng)過硬件測試的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。由于產(chǎn)品面市和預(yù)算壓縮了所有時(shí)間，因此，不可能與每一協(xié)議供應(yīng)商分別進(jìn)行協(xié)商。

　　（3）不同的驅(qū)動(dòng)模塊支持不同的特性，有不同的價(jià)格，因此，非常重要的是協(xié)議知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 能夠適用于多種 FPGA。

　　為解決這些難題，設(shè)計(jì)人員需要向 OEM 提供大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而且沒有前端許可，沒有單獨(dú)的版稅。這類解決方案是由 Altera 和 Softing 工業(yè)自動(dòng)化有限公司提供的，這是一家制造和過程自動(dòng)化工業(yè)通信產(chǎn)品和技術(shù)前沿供應(yīng)商。采用 Altera 和Softing 解決方案，您能夠使用圖 5 顯示的所有協(xié)議，不需要許可協(xié)商，沒有前端許可成本，也不需要單獨(dú)的單片版稅。相反，通過四個(gè)快捷步驟提供解決方案：

　　（1）選擇要實(shí)現(xiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 —— 甚至選擇一個(gè)以上。

　　（2）從 Softing 下載定制從機(jī)協(xié)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(fā)套件 ） 中評(píng)估您自己設(shè)計(jì)中的 IP。

　　（4）從 Altera 購買特殊安全 CPLD，在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)任何所選擇的協(xié)議。

　　圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設(shè)計(jì)大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具有完整的 “ 無困難 ” 許可

　　協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)

　　讓我們看一下協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)，您可以下載它來實(shí)現(xiàn)您需要的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP 有邏輯組件和軟件 （ 堆棧 ） 組件。邏輯組件為各種協(xié)議實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(yùn)行在免費(fèi)操作系統(tǒng) （OS） 中的協(xié)議棧，例如，eCOS，以 Nios II 集成開發(fā)環(huán)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(jìn)制軟件文件必須運(yùn)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(chǔ)器控制器，必須將它們恰當(dāng)?shù)姆旁谝黄穑珉S每一協(xié)議 IP 發(fā)售的參考設(shè)計(jì)所示。您可以通過定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設(shè)計(jì)的其他部分和這一黑盒連接起來，通過定義好的軟件應(yīng)用程序接口 （API） 使用協(xié)議棧，這一接口對(duì)于所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是通用的。

　　圖 6. 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)完成后，您可以選擇在 Quartus 軟件中進(jìn)行軟件仿真，或者使用 Altera 基于Cyclone IV FPGA 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)模塊 （RTEM） 進(jìn)行硬件評(píng)估。使用這些開發(fā)套件，在硬件中驗(yàn)證了 Softing 為Altera 開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP。

　　結(jié)論

　　與很多其他通信功能相似，工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)從模塊轉(zhuǎn)向器件，進(jìn)而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發(fā)展趨勢，因?yàn)橄到y(tǒng)供應(yīng)商很難針對(duì)成本、功耗、外形封裝等因素來優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。工業(yè)以太網(wǎng)獨(dú)特的一面是，大量的全球標(biāo)準(zhǔn)，需要從機(jī)模塊供應(yīng)商支持多種標(biāo)準(zhǔn)。

　　支持 8 到 10 種不同標(biāo)準(zhǔn)，而且在這些從機(jī)產(chǎn)品生命周期中不斷更新硬件和軟件的唯一高性價(jià)比方法是在同時(shí)具備硬件和軟件可編程能力的器件中實(shí)現(xiàn)您的設(shè)計(jì)。采用硬件和軟件可編程器件，系統(tǒng)供應(yīng)商能夠支持各種工業(yè)以太網(wǎng)，使用了標(biāo)準(zhǔn) MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制 MAC 設(shè)計(jì)和特殊軟件堆棧的協(xié)議。而且，使用相同的硬件，能夠適應(yīng)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(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！