引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)成為工廠自動化的主流技術(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)中實現(xiàn)這一通信技術(shù)。而事實上，您怎樣實現(xiàn)這一需求越來越大的功能對于您的系統(tǒng)成本、產(chǎn)品外形以及功耗指標會有很大的不同。本文從工廠自動化供應(yīng)商開發(fā)從機系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅(qū)動等從機系統(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系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。供應(yīng)商不是針對某一協(xié)議來設(shè)計從機系統(tǒng)。他們必須支持可以在工廠中實現(xiàn)的任何標準，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)的從機協(xié)議新標準也有獨特的硬件特性。事實上，他們不能使用標準 MAC 實現(xiàn)，這會面臨少見的難題，影響對實現(xiàn)平臺的選擇。

　　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，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，意味著可以在兩個器件之間構(gòu)建點對點鏈接，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。

　　對速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時 ）

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

　　如圖 1 所示，PHY 層通常是獨立的模擬器件。但是，可以在數(shù)字邏輯器件中實現(xiàn)其他功能，由處理器針對協(xié)議棧以及定制應(yīng)用來運行軟件。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） 以及交換上使用獨特的非標準設(shè)計。

　　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。特別是EtherCAT 使用了創(chuàng)新的方法，在一個以太網(wǎng)幀中封裝了更多的數(shù)據(jù)包。多個從機器件的數(shù)據(jù)被封裝到一個以太網(wǎng)幀中。當從機器件讀取以太網(wǎng)幀時，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，它必須隨時進行這種提取工作。

　　當連接了很多從機器件時，對數(shù)據(jù)包進行提取，以滿足最低延時要求。例如，如果您是網(wǎng)絡(luò)上的第 256 個從機器件，會引起一個幀延時而不是 256 幀延時。典型的應(yīng)用是運動控制以及多軸機器人驅(qū)動。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機器件中的 MAC 設(shè)計不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng) MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設(shè)計。從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，如果您必須支持標準 MAC 實現(xiàn)以及特殊實現(xiàn)，那么，設(shè)計應(yīng)包含 MAC 設(shè)計，或者是硬件可編程的。圖 2 顯示了不同的實時要求是怎樣導致通信協(xié)議標準不同體系結(jié)構(gòu)的。

　　圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現(xiàn)

　　關(guān)鍵趨勢影響了系統(tǒng)設(shè)計

　　某些影響工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的趨勢包括嵌入式通信協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速發(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)動和 I/O 模塊 （ 工廠自動化中典型的從機器件 ） 的第一個發(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，客戶花費數(shù)百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅(qū)動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用于小外形封裝驅(qū)動設(shè)計。另一替代方案是包括單獨的 ASSP 專用于實現(xiàn)通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業(yè)以太網(wǎng)標準，因此，這種 ASSP 可能會被過度設(shè)計，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)動功能集成到一個硅片中，要求通信協(xié)議功能規(guī)模不大，能夠作為整個 “ 芯片驅(qū)動 ” 系統(tǒng)的組成部分來實現(xiàn)。圖 3 顯示了工業(yè)以太網(wǎng)功能實現(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)標準的快速發(fā)展

　　第二個趨勢是工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速發(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，這些標準并沒有在市場上合并。

　　驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商必須能夠支持 6 到 8 個標準，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銷售您的驅(qū)動設(shè)備，同時適應(yīng) Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）設(shè)計、開發(fā)，并維持兩組驅(qū)動設(shè)計；或者 2）包括 ASSP 以支持多種協(xié)議 —— 希望協(xié)議不會變化；或者 3）使用可編程平臺表 1 列出了流行于全世界的某些競爭以太網(wǎng)標準。

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

　　過去，當工業(yè)以太網(wǎng)標準使用標準 MAC/ 交換時，很容易采用微處理器單元 （MPU） 進行通信。如果您需要支持新標準，您只需要交換協(xié)議棧 （ 軟件 ）。但是，正如前面所討論的，很多新標準需要特殊的 MAC 實現(xiàn)。很顯然，應(yīng)對這些新標準時，在標準 MPU 上采用標準以太網(wǎng) MAC 和交換機對通信協(xié)議進行標準化處理是不夠的。

　　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，用于仿真非標準 MAC。但這些是很深奧的方法，可能會有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 實現(xiàn)的協(xié)議通常采用定制硬件方法，取決于產(chǎn)量以及要求的價格點而使用 ASIC 或者 FPGA。

　　此外，MAC 設(shè)計總是有可能隨著標準的發(fā)展而改變。為保證您的設(shè)計今后不會過時，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)，即使標準開始向高于 1 Gbps 速率發(fā)展，經(jīng)過深思熟慮的系統(tǒng)設(shè)計也需要新的 FPGA 編程文件來支持這類標準的發(fā)展。在可編程架構(gòu)中以深度嵌入的功能來實現(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：功耗、成本和外形封裝。

　　未來是芯片驅(qū)動

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

　　圖 4. 芯片驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、數(shù)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(diào) DSP 模塊和收發(fā)器以及基于 FPGA 的電機控制系統(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)動控制環(huán)以及通信協(xié)議功能。采用單芯片實現(xiàn)驅(qū)動系統(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。

　　簡化工業(yè)以太網(wǎng)許可和設(shè)計

　　讓我們從系統(tǒng)規(guī)劃人員設(shè)計驅(qū)動模塊的角度了解一下某些難點：

　　（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)算壓縮了所有時間，因此，不可能與每一協(xié)議供應(yīng)商分別進行協(xié)商。

　　（3）不同的驅(qū)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(xié)議知識產(chǎn)權(quán) （IP） 能夠適用于多種 FPGA。

　　為解決這些難題，設(shè)計人員需要向 OEM 提供大部分從機工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)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(yè)自動化有限公司提供的，這是一家制造和過程自動化工業(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(xiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 —— 甚至選擇一個以上。

　　（2）從 Softing 下載定制從機協(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 ） 中評估您自己設(shè)計中的 IP。

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

　　圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設(shè)計大部分從機工業(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。

　　軟件組件包括運行在免費操作系統(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?shù)姆旁谝黄穑珉S每一協(xié)議 IP 發(fā)售的參考設(shè)計所示。您可以通過定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設(shè)計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(yè)網(wǎng)絡(luò)套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的實時以太網(wǎng)模塊 （RTEM） 進行硬件評估。使用這些開發(fā)套件，在硬件中驗證了 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)的實現(xiàn)已經(jīng)從模塊轉(zhuǎn)向器件，進而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發(fā)展趨勢，因為系統(tǒng)供應(yīng)商很難針對成本、功耗、外形封裝等因素來優(yōu)化他們的設(shè)計。工業(yè)以太網(wǎng)獨特的一面是，大量的全球標準，需要從機模塊供應(yīng)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(chǎn)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(xiàn)您的設(shè)計。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)，使用了標準 MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制 MAC 設(shè)計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)載請注明出處，違者必究！