當我們談論工業或實時以太網時，我們經常提到工業以太網標準，如EtherCAT，PROFINET，Ethernet/IP，Sercos III和Ethernet PowerLink。我在工業強度博客上的工業以太網博客系列中寫過關于它們的文章。

這些工業以太網標準支持數十微秒范圍內的最小周期時間 - 舉一個具體的例子，PROFINET IRT v2.3支持低至31.25μs的周期時間。然而，工廠自動化和控制中的大多數工業網絡使用的周期時間都大于500μs;通常，周期時間在毫秒范圍內。

因此，您可能會遇到以下問題： 為什么需要低至 4μs 的循環時間來交換過程數據？什么硬件可以支持如此短的循環時間？哪些或哪些標準支持這一點？ 在這篇博文中，我將嘗試回答這些問題。

支持低于10μs的周期時間為在工業和機械應用中使用實時以太網開辟了一種全新的方式。讓我們首先回顧一些常用術語，以便我們在同一頁面上。

首先，在工業以太網的背景下，"實時"并不意味著快速！實時是指在確定性時間發生的事件，例如交換過程數據的周期時間。參見圖1。

圖 1：實時的定義

如果周期時間沒有與預期時間一起發生，則意味著存在延遲。通過測量多個周期的延遲，您可以確定工業以太網網絡的抖動。

"抖動"是確定性事件發生時的時間偏差。通常，您希望將抖動保持在最低限度。在工業以太網中，以太網物理 （PHY） 設備和媒體訪問控制單元 （MAC） 等有源組件會引入抖動。

另一個網絡參數是"運行時延遲"，即以太網幀從發送方到達接收方所需的時間。運行時延遲是一個常量參數，由每個網絡組件（如以太網電纜、MAC 和 PHY）生成。由于運行時延遲是恒定的，因此可以在網絡的工程階段進行補償，或者在運行時由網絡設備測量。

"周期時間"是網絡設備交換過程數據的恒定時間段。特定的工業以太網標準規定了最短周期時間;回到我之前的例子，PROFINET的周期時間不能超過31.25μs。工廠和過程自動化中的許多工業網絡使用500μs到10ms之間的周期時間來交換過程數據。周期時間在網絡的工程階段選擇一次，在運行時不會改變。

那么，哪些應用需要4μs的周期時間？讓我們看一個具體的工業應用示例。銑削或計算機數控 （CNC） 機床由一個控制單元和多個步進電機組成。參見圖2。

圖2：數控機床

控制單元使用兩個信號來控制步進驅動器：步進或脈沖序列輸出 （PTO） 信號用于控制電機必須轉動的步數，以及一個方向 （dir） 信號用于控制步進電機的順時針或逆時針轉動。

每個步進電機都需要步進和DIR信號;這些信號以星形拓撲結構連接。步進電機具有反饋 （FB） 和診斷信息，如電機軸位置、當前溫度和故障信息。FB信息通過自定義接口發送回控制單元。

TI 開發了一個簡單的開放實時以太網 （SORTE） 協議，支持 4μs 的周期時間。該協議可以傳輸四軸CNC機床的步進和目錄信號;此外，它還在返回通道中傳輸FB和診斷信息。在4μs的周期時間內，控制單元可以將步進電機頻率驅動到250kHz。使用實時以太網的另一個好處是，當您的解決方案從星形拓撲變為線路拓撲時，您可以減少接線工作。總體而言，您現在將正向和反向通道組合在一根電纜中 – 參見圖 3。

圖 3：帶工業以太網的 CNC

過程數據（步驟、目錄、FB）受循環冗余校驗 （CRC） 保護。這使得系統能夠抵御電磁干擾（EMI）等環境干擾。

SORTE協議在可編程實時單元和工業通信子系統（PRU-ICSS）上運行，該系統是德州儀器的Sitara?和KeyStone?處理器中的工業外設。SORTE只在PRU-ICSS上運作;因此，ARM Cortex-A8、A9 或 A15 處理器（取決于設備系列）可用于工業應用。

結論

SORTE 協議作為 TI Designs 參考設計系列發布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區分產品的協議。

具有 4 kHz 控制環路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設計的 PRU-ICSS采用 PRU-ICSS 參考設計的簡單開放式實時以太網 （SORTE） 器件

四軸數控機床是一個很好的例子，其中需要快速的過程數據周期時間，并且實時以太網非常適合其應用。

4μs 循環時間可在 CNC 路由器演示面板上實現 250kHz 控制回路 - 在 SPS/IPC/Drive 貿易展上展示

帶 4 kHz 控制回路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設計板圖像的 PRU-ICSS

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SORTE 協議作為 TI Designs 參考設計系列發布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區分產品的協議。

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審核編輯 黃宇