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引言
工業以太網成為工廠自動化的主流技術，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統中實現這一通信技術。而事實上，您怎樣實現這一需求越來越大的功能對于您的系統成本、產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商開發從機系統的角度出發，介紹實現工業以太網的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅動等從機系統。
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體系結構。供應商不是針對某一協議來設計從機系統。他們必須支持可以在工廠中實現的任何標準，而不能指定某一種協議。他們的系統必須適應任何一種協議。
開發的從機協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，這會面臨少見的難題，影響對實現平臺的選擇。
工業以太網簡介
一開始，以太網 ——10 Mbps 最初的以太網、100 Mbps 的快速以太網，以及 1 Gbps 的千兆以太網，是在共享介質上在器件之間傳送信號，都不能適應工業應用。而快速以太網 （100 Mbps） 的出現，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建點對點鏈接，使得以太網能夠用于大部分工業應用中。所有工業以太網協議都需要作出一定程度的判決，傳統上是通過使用軟件協議堆棧來解決的。
對速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時 ）
我們都知道，工廠自動化系統有實時響應要求。那么，“ 實時 ” 到底是什么 ？ 答案是這取決于應用類型。有時候，按照數百毫秒來衡量，而有時候按照微秒來衡量。有不同的設計方法使得通信協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，可以在數字邏輯器件中實現其他功能，由處理器針對協議棧以及定制應用來運行軟件。而所有的工業以太網協議都需要特殊的軟件堆棧，某些新協議 （ 圖中右側所示 ） 在介質訪問控制 （MAC） 以及交換上使用獨特的非標準設計。
圖 1. 工業以太網協議體系結構
EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協議，需要特殊的 MAC 設計。特別是EtherCAT 使用了創新的方法，在一個以太網幀中封裝了更多的數據包。多個從機器件的數據被封裝到一個以太網幀中。當從機器件讀取以太網幀時，它必須為自己提取出數據包的內在含義，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，對數據包進行提取，以滿足最低延時要求。例如，如果您是網絡上的第 256 個從機器件，會引起一個幀延時而不是 256 幀延時。典型的應用是運動控制以及多軸機器人驅動。
為支持所選擇的協議，從機器件中的 MAC 設計不同于傳統的以太網 MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設計。從系統設計的角度看，如果您必須支持標準 MAC 實現以及特殊實現，那么，設計應包含 MAC 設計，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議標準不同體系結構的。
圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現
關鍵趨勢影響了系統設計
某些影響工業以太網系統設計的趨勢包括嵌入式通信協議、工業以太網標準的快速發展，以及向千兆以太網的發展等。
嵌入式通信協議
驅動和 I/O 模塊 （ 工廠自動化中典型的從機器件 ） 的第一個發展趨勢是通信功能的深度嵌入，這是由于系統成本下降、外形減小以及功耗預算降低等因素造成的。過去，客戶花費數百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用于小外形封裝驅動設計。另一替代方案是包括單獨的 ASSP 專用于實現通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業以太網標準，因此，這種 ASSP 可能會被過度設計，以支持多種協議。
但是，供應商希望將他們所有的數字驅動功能集成到一個硅片中，要求通信協議功能規模不大，能夠作為整個 “ 芯片驅動 ” 系統的組成部分來實現。圖 3 顯示了工業以太網功能實現的轉變。
圖 3. 從模塊到器件，到芯片集成功能
工業以太網標準的快速發展
第二個趨勢是工業以太網標準的快速發展。與現場總線協議相似，有很多類型的工業以太網協議，最重要的是，這些標準并沒有在市場上合并。
驅動系統供應商必須能夠支持 6 到 8 個標準，才能將其產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動設備，同時適應 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）設計、開發，并維持兩組驅動設計；或者 2）包括 ASSP 以支持多種協議 —— 希望協議不會變化；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標準。
表 1. 基于底層現場總線協議的競爭以太網標準
過去，當工業以太網標準使用標準 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。很顯然，應對這些新標準時，在標準 MPU 上采用標準以太網 MAC 和交換機對通信協議進行標準化處理是不夠的。
某些 MPU 供應商開發了新方法，例如開發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 實現的協議通常采用定制硬件方法，取決于產量以及要求的價格點而使用 ASIC 或者 FPGA。
此外，MAC 設計總是有可能隨著標準的發展而改變。為保證您的設計今后不會過時，采用可編程方法是最安全的。
向千兆以太網的發展
另一考慮是今后向千兆以太網發展。由于幾乎所有的 FPGA 都支持千兆以太網，即使標準開始向高于 1 Gbps 速率發展，經過深思熟慮的系統設計也需要新的 FPGA 編程文件來支持這類標準的發展。在可編程架構中以深度嵌入的功能來實現工業以太網使您不僅能夠以相同的硬件靈活的支持多種協議，而且還受益于高度集成的設計：功耗、成本和外形封裝。
未來是芯片驅動
與基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的傳統驅動技術不同，基于一個 Altera? Cyclone? V FPGA 等單片 FPGA 平臺的驅動系統提供了可擴展平臺，滿足了各種驅動需求，如圖 4 所示。
圖 4. 芯片驅動系統設計降低了 BOM 成本，減小了外形
Altera FPGA 支持您采用多種處理器體系結構，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。采用最新的工業以太網協議、數字編碼器接口、浮點算法以及器件增強功能，例如，存儲器控制器、精度可調 DSP 模塊和收發器以及基于 FPGA 的電機控制系統，支持多種操作系統，使您能夠集成傳統的 FPGA 功能和驅動控制環以及通信協議功能。采用單芯片實現驅動系統的這些數字功能，因此，工業以太網成為集成到 FPGA 中眾多的功能模塊中的一個。
簡化工業以太網許可和設計
讓我們從系統規劃人員設計驅動模塊的角度了解一下某些難點：
（1）系統必須能夠采用多種工業以太網協議重新編程，這樣，系統可以采用任何可編程邏輯控制器 （PLC） 進行工作。
（2）OEM 需要使用多種經過硬件測試的工業以太網協議。由于產品面市和預算壓縮了所有時間，因此，不可能與每一協議供應商分別進行協商。
（3）不同的驅動模塊支持不同的特性，有不同的價格，因此，非常重要的是協議知識產權 （IP） 能夠適用于多種 FPGA。
為解決這些難題，設計人員需要向 OEM 提供大部分從機工業以太網協議，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 工業自動化有限公司提供的，這是一家制造和過程自動化工業通信產品和技術前沿供應商。采用 Altera 和Softing 解決方案，您能夠使用圖 5 顯示的所有協議，不需要許可協商，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）選擇要實現的工業以太網協議 —— 甚至選擇一個以上。
（2）從 Softing 下載定制從機協議 IP 和軟件堆棧，適用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。
（3）在 Quartus? 軟件和硬件 （ 開發套件 ） 中評估您自己設計中的 IP。
（4）從 Altera 購買特殊安全 CPLD，在產品中實現任何所選擇的協議。
圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設計大部分從機工業以太網協議，具有完整的 “ 無困難 ” 許可
協議 IP 的結構
讓我們看一下協議 IP 的結構，您可以下載它來實現您需要的工業以太網協議。工業以太網協議 IP 有邏輯組件和軟件 （ 堆棧 ） 組件。邏輯組件為各種協議實現所需的硬件模塊，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 （OS） 中的協議棧，例如，eCOS，以 Nios II 集成開發環境 （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，必須將它們恰當的放在一起，如隨每一協議 IP 發售的參考設計所示。您可以通過定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設計的其他部分和這一黑盒連接起來，通過定義好的軟件應用程序接口 （API） 使用協議棧，這一接口對于所有工業以太網協議是通用的。
圖 6. 工業以太網協議 IP 的結構
設計完成后，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 的工業網絡套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的實時以太網模塊 （RTEM） 進行硬件評估。使用這些開發套件，在硬件中驗證了 Softing 為Altera 開發的工業以太網協議 IP。
結論
與很多其他通信功能相似，工業以太網的實現已經從模塊轉向器件，進而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發展趨勢，因為系統供應商很難針對成本、功耗、外形封裝等因素來優化他們的設計。工業以太網獨特的一面是，大量的全球標準，需要從機模塊供應商支持多種標準。
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您的設計。采用硬件和軟件可編程器件，系統供應商能夠支持各種工業以太網，使用了標準 MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制 MAC 設計和特殊軟件堆棧的協議。而且，使用相同的硬件，能夠適應一般的軟件堆棧更新和不太常用的邏輯更新。
工商網監
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