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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)也有獨特的硬件特性。事實上，他們不能使用標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)行這種提取工作。

當(dāng)連接了很多從機器件時，對數(shù)據(jù)包進(jìn)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(biāo)準(zhǔn) 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(dǎo)致通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同體系結(jié)構(gòu)的。

圖 2. 不同的實時要求導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展

第二個趨勢是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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)