當(dāng)我們談?wù)摴I(yè)或?qū)崟r(shí)以太網(wǎng)時(shí)，我們經(jīng)常提到工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如EtherCAT，PROFINET，Ethernet/IP，Sercos III和Ethernet PowerLink。我在工業(yè)強(qiáng)度博客上的工業(yè)以太網(wǎng)博客系列中寫(xiě)過(guò)關(guān)于它們的文章。

這些工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持?jǐn)?shù)十微秒范圍內(nèi)的最小周期時(shí)間 - 舉一個(gè)具體的例子，PROFINET IRT v2.3支持低至31.25μs的周期時(shí)間。然而，工廠自動(dòng)化和控制中的大多數(shù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的周期時(shí)間都大于500μs;通常，周期時(shí)間在毫秒范圍內(nèi)。

因此，您可能會(huì)遇到以下問(wèn)題： 為什么需要低至 4μs 的循環(huán)時(shí)間來(lái)交換過(guò)程數(shù)據(jù)？什么硬件可以支持如此短的循環(huán)時(shí)間？哪些或哪些標(biāo)準(zhǔn)支持這一點(diǎn)？ 在這篇博文中，我將嘗試回答這些問(wèn)題。

支持低于10μs的周期時(shí)間為在工業(yè)和機(jī)械應(yīng)用中使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)開(kāi)辟了一種全新的方式。讓我們首先回顧一些常用術(shù)語(yǔ)，以便我們?cè)谕豁?yè)面上。

首先，在工業(yè)以太網(wǎng)的背景下，"實(shí)時(shí)"并不意味著快速！實(shí)時(shí)是指在確定性時(shí)間發(fā)生的事件，例如交換過(guò)程數(shù)據(jù)的周期時(shí)間。參見(jiàn)圖1。

圖 1：實(shí)時(shí)的定義

如果周期時(shí)間沒(méi)有與預(yù)期時(shí)間一起發(fā)生，則意味著存在延遲。通過(guò)測(cè)量多個(gè)周期的延遲，您可以確定工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)。

"抖動(dòng)"是確定性事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間偏差。通常，您希望將抖動(dòng)保持在最低限度。在工業(yè)以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)物理 （PHY） 設(shè)備和媒體訪問(wèn)控制單元 （MAC） 等有源組件會(huì)引入抖動(dòng)。

另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是"運(yùn)行時(shí)延遲"，即以太網(wǎng)幀從發(fā)送方到達(dá)接收方所需的時(shí)間。運(yùn)行時(shí)延遲是一個(gè)常量參數(shù)，由每個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件（如以太網(wǎng)電纜、MAC 和 PHY）生成。由于運(yùn)行時(shí)延遲是恒定的，因此可以在網(wǎng)絡(luò)的工程階段進(jìn)行補(bǔ)償，或者在運(yùn)行時(shí)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測(cè)量。

"周期時(shí)間"是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換過(guò)程數(shù)據(jù)的恒定時(shí)間段。特定的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最短周期時(shí)間;回到我之前的例子，PROFINET的周期時(shí)間不能超過(guò)31.25μs。工廠和過(guò)程自動(dòng)化中的許多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用500μs到10ms之間的周期時(shí)間來(lái)交換過(guò)程數(shù)據(jù)。周期時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)的工程階段選擇一次，在運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變。

那么，哪些應(yīng)用需要4μs的周期時(shí)間？讓我們看一個(gè)具體的工業(yè)應(yīng)用示例。銑削或計(jì)算機(jī)數(shù)控 （CNC） 機(jī)床由一個(gè)控制單元和多個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成。參見(jiàn)圖2。

圖2：數(shù)控機(jī)床

控制單元使用兩個(gè)信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：步進(jìn)或脈沖序列輸出 （PTO） 信號(hào)用于控制電機(jī)必須轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，以及一個(gè)方向 （dir） 信號(hào)用于控制步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都需要步進(jìn)和DIR信號(hào);這些信號(hào)以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。步進(jìn)電機(jī)具有反饋 （FB） 和診斷信息，如電機(jī)軸位置、當(dāng)前溫度和故障信息。FB信息通過(guò)自定義接口發(fā)送回控制單元。

TI 開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)放實(shí)時(shí)以太網(wǎng) （SORTE） 協(xié)議，支持 4μs 的周期時(shí)間。該協(xié)議可以傳輸四軸CNC機(jī)床的步進(jìn)和目錄信號(hào);此外，它還在返回通道中傳輸FB和診斷信息。在4μs的周期時(shí)間內(nèi)，控制單元可以將步進(jìn)電機(jī)頻率驅(qū)動(dòng)到250kHz。使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的另一個(gè)好處是，當(dāng)您的解決方案從星形拓?fù)渥優(yōu)榫€路拓?fù)鋾r(shí)，您可以減少接線工作?？傮w而言，您現(xiàn)在將正向和反向通道組合在一根電纜中 – 參見(jiàn)圖 3。

圖 3：帶工業(yè)以太網(wǎng)的 CNC

過(guò)程數(shù)據(jù)（步驟、目錄、FB）受循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 保護(hù)。這使得系統(tǒng)能夠抵御電磁干擾（EMI）等環(huán)境干擾。

SORTE協(xié)議在可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）上運(yùn)行，該系統(tǒng)是德州儀器的Sitara?和KeyStone?處理器中的工業(yè)外設(shè)。SORTE只在PRU-ICSS上運(yùn)作;因此，ARM Cortex-A8、A9 或 A15 處理器（取決于設(shè)備系列）可用于工業(yè)應(yīng)用。

結(jié)論

SORTE 協(xié)議作為 TI Designs 參考設(shè)計(jì)系列發(fā)布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區(qū)分產(chǎn)品的協(xié)議。

具有 4 kHz 控制環(huán)路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計(jì)的 PRU-ICSS采用 PRU-ICSS 參考設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng) （SORTE） 器件

四軸數(shù)控機(jī)床是一個(gè)很好的例子，其中需要快速的過(guò)程數(shù)據(jù)周期時(shí)間，并且實(shí)時(shí)以太網(wǎng)非常適合其應(yīng)用。

4μs 循環(huán)時(shí)間可在 CNC 路由器演示面板上實(shí)現(xiàn) 250kHz 控制回路 - 在 SPS/IPC/Drive 貿(mào)易展上展示

帶 4 kHz 控制回路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計(jì)板圖像的 PRU-ICSS

查看設(shè)計(jì)套件、評(píng)估模塊和/或物料清單的可用購(gòu)買(mǎi)選項(xiàng)。

SORTE 協(xié)議作為 TI Designs 參考設(shè)計(jì)系列發(fā)布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區(qū)分產(chǎn)品的協(xié)議。

具有 4 kHz 控制環(huán)路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計(jì)的 PRU-ICSS '''- ''' 采用 PRU-ICSS 參考設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng) （SORTE） 器件

審核編輯 黃宇