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在下一“驱动”设计中支持所有工业以太网标准

发布日期:2022-04-18 点击率:42


在下一“驱动”设计中支持所有工业以太网标准

来源:电子发烧友网  作者:Altera公司2013年10月13日 15:54

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[导读] 工业以太网成为工厂自动化的主流技术,是有多方面原因的。而没有引起同样重视的是,需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上,您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。本文从工厂自动化供应商开发从机系统的角度出发,介绍实现工业以太网的各种选择,例如 I/O 模块和驱动等从机系统。

关键词:工厂自动化工业以太网通信技术FPGA


  引言

  工业以太网成为工厂自动化的主流技术,是有多方面原因的。而没有引起同样重视的是,需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上,您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。本文从工厂自动化供应商开发从机系统的角度出发,介绍实现工业以太网的各种选择,例如 I/O 模块和驱动等从机系统。

  这些 OEM 面临的难题并不常见,因此,有很好的理由来检查从机系统体系结构。供应商不是针对某一协议来设计从机系统。他们必须支持可以在工厂中实现的任何标准,而不能指定某一种协议。他们的系统必须适应任何一种协议。

  开发的从机协议新标准也有独特的硬件特性。事实上,他们不能使用标准 MAC 实现,这会面临少见的难题,影响对实现平台的选择。

  工业以太网简介

  一开始,以太网 ——10 Mbps 最初的以太网、100 Mbps 的快速以太网,以及 1 Gbps 的千兆以太网,是在共享介质上在器件之间传送信号,都不能适应工业应用。而快速以太网 (100 Mbps) 的出现,其交换模式支持全双工功能,意味着可以在两个器件之间构建点对点链接,使得以太网能够用于大部分工业应用中。所有工业以太网协议都需要作出一定程度的判决,传统上是通过使用软件协议堆栈来解决的。

  对速度的要求 ( 或者在这一案例中,延时 )

  我们都知道,工厂自动化系统有实时响应要求。那么,“ 实时 ” 到底是什么 ? 答案是这取决于应用类型。有时候,按照数百毫秒来衡量,而有时候按照微秒来衡量。有不同的设计方法使得通信协议能够满足不同的延时要求。

  如图 1 所示,PHY 层通常是独立的模拟器件。但是,可以在数字逻辑器件中实现其他功能,由处理器针对协议栈以及定制应用来运行软件。而所有的工业以太网协议都需要特殊的软件堆栈,某些新协议 ( 图中右侧所示 ) 在介质访问控制 (MAC) 以及交换上使用独特的非标准设计。

图 1. 工业以太网协议体系结构

  图 1. 工业以太网协议体系结构

  EtherCAT 和 Profinet IRT 是两种较新的协议,需要特殊的 MAC 设计。特别是EtherCAT 使用了创新的方法,在一个以太网帧中封装了更多的数据包。多个从机器件的数据被封装到一个以太网帧中。当从机器件读取以太网帧时,它必须为自己提取出数据包的内在含义,而忽略其他信息。更重要的是,它必须随时进行这种提取工作。

  当连接了很多从机器件时,对数据包进行提取,以满足最低延时要求。例如,如果您是网络上的第 256 个从机器件,会引起一个帧延时而不是 256 帧延时。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。

  为支持所选择的协议,从机器件中的 MAC 设计不同于传统的以太网 MAC,需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊设计。从系统设计的角度看,如果您必须支持标准 MAC 实现以及特殊实现,那么,设计应包含 MAC 设计,或者是硬件可编程的。图 2 显示了不同的实时要求是怎样导致通信协议标准不同体系结构的。

  图 2. 不同的实时要求导致不同的实现

  图 2. 不同的实时要求导致不同的实现

  关键趋势影响了系统设计

  某些影响工业以太网系统设计的趋势包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展,以及向千兆以太网的发展等。

  嵌入式通信协议

  驱动和 I/O 模块 ( 工厂自动化中典型的从机器件 ) 的第一个发展趋势是通信功能的深度嵌入,这是由于系统成本下降、外形减小以及功耗预算降低等因素造成的。过去,客户花费数百美元来购买商用通信模块,然后将其加入到驱动模块中。这类模块性价比不高,而且也不适用于小外形封装驱动设计。另一替代方案是包括单独的 ASSP 专用于实现通信功能。由于不同的客户会使用不同的工业以太网标准,因此,这种 ASSP 可能会被过度设计,以支持多种协议。

  但是,供应商希望将他们所有的数字驱动功能集成到一个硅片中,要求通信协议功能规模不大,能够作为整个 “ 芯片驱动 ” 系统的组成部分来实现。图 3 显示了工业以太网功能实现的转变。

  图 3. 从模块到器件,到芯片集成功能

  图 3. 从模块到器件,到芯片集成功能

  工业以太网标准的快速发展

  第二个趋势是工业以太网标准的快速发展。与现场总线协议相似,有很多类型的工业以太网协议,最重要的是,这些标准并没有在市场上合并。

  驱动系统供应商必须能够支持 6 到 8 个标准,才能将其产品销售到全球不同的工厂中。

  例如,如果您希望在亚洲和欧洲同时销售您的驱动设备,同时适应 Ethernet POWERlink 和 EtherCAT,那么,您需要:1)设计、开发,并维持两组驱动设计;或者 2)包括 ASSP 以支持多种协议 —— 希望协议不会变化;或者 3)使用可编程平台表 1 列出了流行于全世界的某些竞争以太网标准。

  表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

  过去,当工业以太网标准使用标准 MAC/ 交换时,很容易采用微处理器单元 (MPU) 进行通信。如果您需要支持新标准,您只需要交换协议栈 ( 软件 )。但是,正如前面所讨论的,很多新标准需要特殊的 MAC 实现。很显然,应对这些新标准时,在标准 MPU 上采用标准以太网 MAC 和交换机对通信协议进行标准化处理是不够的。

  某些 MPU 供应商开发了新方法,例如开发专用嵌入式处理器使用的定制微代码,用于仿真非标准 MAC。但这些是很深奥的方法,可能会有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 实现的协议通常采用定制硬件方法,取决于产量以及要求的价格点而使用 ASIC 或者 FPGA。

  此外,MAC 设计总是有可能随着标准的发展而改变。为保证您的设计今后不会过时,采用可编程方法是最安全的。

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