以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　因?yàn)槎喾N原因，工業(yè)以太網(wǎng)已成為工廠自動化的主流技術(shù)。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應(yīng)商系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一通信技術(shù)。本文從工廠自動化供應(yīng)商開發(fā)從機(jī)系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實(shí)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(jī)系統(tǒng)。

　　這些OEM面臨的難題可以從查看機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開始。供應(yīng)商并非針對某一協(xié)議來設(shè)計(jì)從機(jī)系統(tǒng)，而必須支持可以在工廠中實(shí)現(xiàn)的任何標(biāo)準(zhǔn)，不能指定某一種協(xié)議，因此系統(tǒng)必須適應(yīng)任何一種協(xié)議。

　　開發(fā)的從機(jī)協(xié)議新標(biāo)準(zhǔn)也有獨(dú)特的硬件特性，它們不能使用標(biāo)準(zhǔn)MAC實(shí)現(xiàn)。這些都直接影響對實(shí)現(xiàn)平臺的選擇。

　　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(gè)器件之間構(gòu)建點(diǎn)對點(diǎn)鏈接，使得以太網(wǎng)能夠用于大部分工業(yè)應(yīng)用中。

　　但是，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。一些新協(xié)議已經(jīng)開始使用特殊MAC結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更好的延時(shí)。圖1顯示了一些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的結(jié)構(gòu)。

　　對速度的要求（或延時(shí)）

　　工廠自動化系統(tǒng)有實(shí)時(shí)響應(yīng)要求?！皩?shí)時(shí)”是什么？答案是取決于應(yīng)用類型。有時(shí)候，按照數(shù)百毫秒來衡量，而有時(shí)候按照微秒來衡量。有不同的設(shè)計(jì)方法使得通信協(xié)議能夠滿足不同的延時(shí)要求。

　　圖1：工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，PHY層通常是獨(dú)立的模擬器件。但是，可以在數(shù)字邏輯器件中實(shí)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(yùn)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)議在MAC以及交換上使用獨(dú)特的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

　　EtherCAT和Powerlink是兩種較新的協(xié)議，需要特殊的MAC設(shè)計(jì)。特別是EtherCAT使用了創(chuàng)新的方法，在一個(gè)以太網(wǎng)幀中封裝了更多的數(shù)據(jù)包。多個(gè)從機(jī)器件的數(shù)據(jù)被封裝到一個(gè)以太網(wǎng)幀中。當(dāng)從機(jī)器件讀取以太網(wǎng)幀時(shí)，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，它必須能夠“隨時(shí)”完成這一工作。當(dāng)連接了很多從機(jī)器件時(shí)，也要滿足最低延時(shí)要求。典型的應(yīng)用是運(yùn)動控制以及多軸機(jī)器人驅(qū)動。

　　這一協(xié)議好的一面是，會引起一個(gè)幀延時(shí)而不是256幀延時(shí)（如果您是網(wǎng)絡(luò)上的第256個(gè)從機(jī)器件）。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機(jī)器件中的MAC設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)MAC，是非標(biāo)準(zhǔn)的，需要FPGA或者ASIC特殊設(shè)計(jì)。圖2顯示了不同的實(shí)時(shí)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。

　　從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，如果您必須支持標(biāo)準(zhǔn)MAC實(shí)現(xiàn)以及特殊實(shí)現(xiàn)，那么，設(shè)計(jì)應(yīng)包含MAC設(shè)計(jì)，或者是硬件可編程的。

　　圖2：不同的實(shí)時(shí)要求導(dǎo)致不同的實(shí)現(xiàn)

　　關(guān)鍵趨勢影響了系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動和I/O模塊（工廠自動化中典型的從機(jī)器件）的第一個(gè)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(fèi)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(jià)比不高，而且也不適用于小外形封裝驅(qū)動設(shè)計(jì)。

　　另一替代方案是包括單獨(dú)的ASSP專用于實(shí)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(jì)，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(gè)硅片中，要求通信協(xié)議功能規(guī)模不大，能夠作為整個(gè)“芯片驅(qū)動”設(shè)計(jì)的組成部分來實(shí)現(xiàn)。

　　圖3顯示了工業(yè)以太網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。

　　圖3：從模塊到器件，到芯片集成功能

　　第二個(gè)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(gè)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(shí)銷售您的驅(qū)動設(shè)備，同時(shí)適應(yīng)EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 設(shè)計(jì)、開發(fā)，并維持兩組驅(qū)動設(shè)計(jì)

　　或者

　　· 包括ASSP以支持多種協(xié)議——希望協(xié)議不會變化

　　或者

　　· 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(biāo)準(zhǔn)。

　　表1：出現(xiàn)了競爭以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，基于底層現(xiàn)場總線協(xié)議

　　過去，當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn)MAC/交換機(jī)時(shí)，很容易采用MPU進(jìn)行通信。如果您需要支持新標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)需要特殊的MAC實(shí)現(xiàn)。

　　很顯然，應(yīng)對這些新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)MPU上采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC和交換機(jī)對通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理是不夠的。

　　某些MPU供應(yīng)商開發(fā)了創(chuàng)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(biāo)準(zhǔn)MAC。但是，編寫專用RISC引擎定制微代碼來仿真硬件MAC并不是實(shí)現(xiàn)或者更新邏輯設(shè)計(jì)最直接簡單的方法。

　　需要特殊MAC實(shí)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(jià)格點(diǎn)而使用ASIC或者FPGA。而且，MAC設(shè)計(jì)總是有可能隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而改變。為保證您的設(shè)計(jì)今后不會過時(shí)，采用可編程方法是最安全的。

　　另一考慮是可能向千兆以太網(wǎng)發(fā)展。由于幾乎所有的FPGA都支持千兆以太網(wǎng)，即使標(biāo)準(zhǔn)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(jì)也需要新的FPGA編程文件來支持這類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

　　在可編程架構(gòu)中以深度嵌入的功能來實(shí)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(jì)——功耗、成本和外形封裝。