如何實施時間敏感型網(wǎng)絡(luò)以確保確定性通信

作者：Jeff Shepard

確定性通信在各種應(yīng)用中至關(guān)重要，如自主機器人和其他工業(yè) 4.0 系統(tǒng)、5G 通信、汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 以及實時流服務(wù)。IEEE 802以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（即時間敏感型網(wǎng)絡(luò) （TSN））已經(jīng)擴展，以支持確定性通信。如果實施得當(dāng)，TSN 可以與非 TSN 設(shè)備互操作，但確定性通信僅可在啟用 TSN
的設(shè)備之間進行。在實施 TSN 時，有許多 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)需要協(xié)調(diào)，并確保其提供確定性通信和互操作性，這使得從頭將 TSN設(shè)計到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中變得復(fù)雜而耗時。

相反，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計人員可以使用具有內(nèi)置 TSN 功能的微處理器單元 （MPU），以加速產(chǎn)品上市并降低開發(fā)風(fēng)險。本文回顧了 TSN操作和實施的基礎(chǔ)知識，介紹了一些實施 TSN 的 IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)，考慮了 IEC/IEEE 60802 與 TSN 的關(guān)系，并將 TSN與其他協(xié)議（如 EtherCAT、ProfiNet 和 EtherNet/IP）進行了比較。隨后，本文介紹了 Texas Instruments、NXP 和Renesas 的具有 TSN 功能的 MPU，以及支持將確定性網(wǎng)絡(luò)集成到工業(yè) 4.0 設(shè)備的開發(fā)平臺。

在開發(fā) TSN 之前，實時網(wǎng)絡(luò)只在專門的工業(yè)現(xiàn)場總線上可用?，F(xiàn)場總線通常被稱為“工業(yè)以太網(wǎng)”。802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)定義了第二層功能和局域網(wǎng) （LAN）級交換，并增加了時間和同步的概念。TSN 未取代第二層以上級別的協(xié)議，也未定義軟件接口或硬件配置和功能，使其與各種應(yīng)用編程接口 （API） 兼容（圖 1）。

現(xiàn)有的 TSN流量整形算法使實時流量與常規(guī)盡力而為流量在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中共存。對于時間關(guān)鍵型通信，可以保證確定性和低延遲。這可以支持工業(yè)和汽車環(huán)境中的安全相關(guān)系統(tǒng)的部署。一些關(guān)鍵的IEEE 802.1 TSN 次級標(biāo)準(zhǔn)包括（表 1）：

IEEE 802.1 AS – 計時和同步

IEEE 802.1Qbv – 時間感知整形器

IEEE 802.3Qbr – 散布快速流量

IEEE 802.1Qbu – 幀搶占

IEEE 802.1Qca – 路徑控制和保留

IEEE 802.1CB –冗余

IEEE 802.1 Qcc – 為實現(xiàn)流保留的增強和改進

IEEE 802.1 Qch – 循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)

IEEE 802.1Qci – 每個數(shù)據(jù)流的過濾和控制

IEEE 802.1CM – 用于前傳的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)

IEEE TSN 可以劃分為四類次級標(biāo)準(zhǔn)，這些是確保 TSN 運行所必需的。時間同步是確保整個網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步的基礎(chǔ)。802.1AS（也稱802.1ASrev）是與同步有關(guān)的主要次級標(biāo)準(zhǔn)。

另一組次級標(biāo)準(zhǔn)與有限的低延遲有關(guān)。支持有限的低延遲是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸確定性的必要條件，利用五個次級標(biāo)準(zhǔn)進行定義：802.1Qat（基于信用的整形器）、802.3Qbr（散布快速流量）、802.1Qbu（幀搶占）、802.1Qbv（時間感知整形器（TAS））、802.1Qav（循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)）以及 802.1Qcr（異步流量整形）。

需要有超強的可靠性來處理故障、錯誤，并提供冗余和相關(guān)功能。相關(guān)的次級標(biāo)準(zhǔn)包括：802.1CB（幀復(fù)制和消除）、802.1Qca（路徑控制和保留）、802.1qci（每個數(shù)據(jù)流的過濾和控制）以及802.1AS 和 802.1AVB 的部分內(nèi)容（TSN 和 IEEE 音頻橋接標(biāo)準(zhǔn)中計時和同步部分的時間同步可靠性）。

有一組與專用資源、API和其他“經(jīng)常要使用的”必要功能有關(guān)的一般次級標(biāo)準(zhǔn)，包括更高層次的規(guī)劃和配置以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。這些一般次級標(biāo)準(zhǔn)的示例包括：802.1Qat（流保留協(xié)議）、P802.1Acc（TSN配置）、與 YANG （Yet Another Next Generation） 數(shù)據(jù)建模語言的兼容性，以及 802.1Qdd（資源分配協(xié)議）。

TSN 的模塊化設(shè)計使其能夠針對特定的應(yīng)用和用例進行優(yōu)化。并非每次都需要每個功能。例如 802.1AS，定時和同步在 TSN的所有工廠自動化用例中特別重要，而冗余可能只被自動化用例的一個子集所需要。

IEC/IEEE 60802 與 TSN 有什么關(guān)系？

在撰寫本報告時，IEC/IEEE 60802 草案 1.4《用于工業(yè)自動化的 TSN 配置文件》正在征求意見，預(yù)計將于 2023 年獲得批準(zhǔn)。該 IECSC65C/WG18 和 IEEE 802 項目將為工業(yè)自動化定義 TSN配置文件。這項聯(lián)合工作將包括橋接器、終端站和局域網(wǎng)的配置文件選擇功能、選項、配置、默認(rèn)值、協(xié)議以及程序，以建立工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有的 IEEE 802 TSN標(biāo)準(zhǔn)一樣，60802 將是靈活、模塊化的，適合諸多網(wǎng)絡(luò)場景。

IEC/IEEE 60802 將超越 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)，它為工業(yè)自動化領(lǐng)域可互操作橋接時間型敏感網(wǎng)絡(luò)的用戶和供應(yīng)商在選擇和使用 TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和功能時提供相關(guān)指導(dǎo)，以便有效地部署同時支持操作技術(shù)流量和其他流量的融合網(wǎng)絡(luò)。IEC/IEEE 60802《用于工業(yè)自動化的 TSN配置文件》發(fā)布后可能會引起困惑，至少在發(fā)布之初，因為各種現(xiàn)場總線通常被稱為“工業(yè)以太網(wǎng)”。

TSN 和現(xiàn)場總線

TSN 和現(xiàn)場總線并非只能二選一。它們是兼容的，經(jīng)常一起使用，都采用與時間同步有關(guān)的概念。然而，PROFINET、EtherNet/IP 和EtherCAT 等現(xiàn)場總線以不同的方式實現(xiàn)同步。PROFINET 使用精確時間控制協(xié)議 （PTCP）。EtherCAT使用分布式時鐘，采用專用和相關(guān)的寄存器進行同步。

PROFINET 和 EtherNet/IP 包括 IEEE 以太網(wǎng)學(xué)習(xí)橋作為基礎(chǔ)交換技術(shù)。因此，這些協(xié)議現(xiàn)在可以調(diào)整 TAS和幀搶占的擴展，以使用標(biāo)準(zhǔn)的 TSN 硬件。EtherNet/IP 使用 UDP 數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)交換，與 TSN 交換層兼容。對于由可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS） TSN 解決方案支持的數(shù)據(jù)，PROFINET 支持直接第二層緩沖模型。

TSN 設(shè)計支持至少與 EtherCAT 和 PROFINET 及其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議一樣短的周期時間。當(dāng)升級到千兆位以太網(wǎng)時，TSN預(yù)計會超過其他協(xié)議的性能。EtherCAT 中對確定性流量的支持僅限于特殊類型的數(shù)據(jù)包。EtherCAT 和 TSN相結(jié)合可以提高靈活性。例如，圍繞同步，TSN 增加了多主控能力。這三種協(xié)議以不同的方式提供冗余。TSN 使用平行冗余協(xié)議 （PRP） 和 IEC 62439-3中定義的高可用性無縫冗余 （HSR） 協(xié)議等技術(shù)實現(xiàn)零損耗冗余（表 2）。

TSN 不包括應(yīng)用層，也不在應(yīng)用層面上挑戰(zhàn)現(xiàn)場總線。例如，在機器層面仍使用 EtherCAT 的情況下，用交換機將機器互連，可以創(chuàng)建一個具有 TSN功能的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。TSN-EtherCAT 集成網(wǎng)絡(luò)不是將技術(shù)混合，而是定義了無縫集成：使用兩種技術(shù)并實現(xiàn)每種技術(shù)的最佳性能。

具有多達 6 個 TSN 端口的 MCU

對于需要 TSN 連接的工業(yè) 4.0 嵌入式設(shè)備，設(shè)計人員可以使用 Texas Instruments 的 AM652x Sitara 處理器，如AM6528BACDXEA。這些 MCU 搭載兩個 Arm Cortex-A53 內(nèi)核和一個雙 Cortex-R5F 以及三個可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)千兆（PRU_ICSSG） 子系統(tǒng)，可用于提供多達六個工業(yè)以太網(wǎng)端口，包括 TSN、PROFINET、EtherCAT 和其他協(xié)議，或者可用于標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)連接（圖2）。

除了由設(shè)備管理和安防控制 （DMSC） 子系統(tǒng)管理的粒度防火墻外，AM652x 系列 MCU 還包括安全啟動和加密加速的功能。此外，雙Cortex-R5F MCU 子系統(tǒng)可作為兩個單獨的內(nèi)核用于一般用途，也可將這些內(nèi)核用于功能性安全應(yīng)用的鎖步。

帶有 CC-Link IE TSN 棧的 MCU

NXP 的 i.MX RT1170 跨界 MCU，如 MIMXRT1176DVMAA，具有雙核架構(gòu)：一個高性能的 Cortex-M7 內(nèi)核（運行頻率高達1 GHz）和一個高能效的 Cortex-M4 內(nèi)核（運行頻率高達 400 MHz）。這種雙核架構(gòu)有助于使應(yīng)用程序并行運行，并在必要時關(guān)閉各內(nèi)核以支持功耗優(yōu)化。這些 MCU 提供一個完整的 CC-Link IE TSN通信棧，進行了優(yōu)化以支持實時操作，并提供 12ns 的中斷響應(yīng)時間。

為了加快機器學(xué)習(xí) （ML） 應(yīng)用、實時電機控制、面部識別等高級人機界面 （HMI） 以及其他工業(yè) 4.0 應(yīng)用的開發(fā)，NXP 提供了MIMXRT1170-EVK 評估套件（圖 4）。該評估套件建立在 6 層印刷電路板 （PCB） 上，采用通孔設(shè)計，具有更好的電磁兼容性 （EMC）性能，設(shè)兩個以太網(wǎng)端口，用于開發(fā) TSN 連接。

用于 TSN 的 MCU 和入門套件

Renesas 的 RZ/N2L 系列 MCU（如 R9A07G084M04GBG#AC0），旨在簡化工業(yè) 4.0 應(yīng)用中工業(yè)以太網(wǎng)和 TSN的實施。它們通過一個支持 TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 和 OPC UA 的 3
端口千兆以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)確定性通信。Renesas 還提供用于 RZ/N2L MCU 的 RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+。該入門套件包括適合工業(yè)應(yīng)用的大量外設(shè)功能，并支持工業(yè)以太網(wǎng)和 TSN 的評估（圖 7）。該套件包括所有需要的硬件和軟件：

硬件

帶有 RZ/N2L MCU 和板載仿真器的 CPU 板

電源 USB 電纜（Type C 至 Type C）。

板載仿真器連接 USB 電纜（Type A 至 Type Micro B）。

PC 終端調(diào)試 USB 電纜（Type A 至 Type Mini B）。

軟件

開發(fā)環(huán)境、示例代碼和應(yīng)用說明可在網(wǎng)上獲得，其中還包括一個帶有外設(shè)驅(qū)動程序的軟件支持包和大量用于快速評估和原型設(shè)計的應(yīng)用實例。

總結(jié)

TSN 已添加至 IEEE 802.1 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，以支持確定性通信的開發(fā)。TSN 定義了第二層通信功能，并與更高層次的協(xié)議兼容，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等。它很快將在國際標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)，即 IEC/IEEE 60802《用于工業(yè)自動化的 TSN配置文件》。供應(yīng)商已經(jīng)開始將 TSN 集成到 MCU 和相關(guān)開發(fā)平臺中，以幫助設(shè)計人員快速將確定性通信集成到新一代工業(yè) 4.0 設(shè)備中。