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

　　因為多種原因，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面臨的難題可以從查看機系統(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)計從機系統(tǒng)，而必須支持可以在工廠中實現(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)的從機協(xié)議新標(biāo)準(zhǔn)也有獨特的硬件特性，它們不能使用標(biāo)準(zhǔn)MAC實現(xiàn)。這些都直接影響對實現(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。

　　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)來實現(xiàn)更好的延時。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）

　　工廠自動化系統(tǒng)有實時響應(yīng)要求?！皩崟r”是什么？答案是取決于應(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。

　　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)議在MAC以及交換上使用獨特的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

　　EtherCAT和Powerlink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，它必須能夠“隨時”完成這一工作。當(dāng)連接了很多從機器件時，也要滿足最低延時要求。典型的應(yīng)用是運動控制以及多軸機器人驅(qū)動。

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

　　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，是非標(biāo)準(zhǔn)的，需要FPGA或者ASIC特殊設(shè)計。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。

　　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：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

　　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”設(shè)計的組成部分來實現(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

　　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)備，同時適應(yīng)EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 設(shè)計、開發(fā)，并維持兩組驅(qū)動設(shè)計

　　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/交換機時，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實現(xiàn)。

　　很顯然，應(yīng)對這些新標(biāo)準(zhǔn)時，在標(biāo)準(zhǔn)MPU上采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC和交換機對通信協(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并不是實現(xiàn)或者更新邏輯設(shè)計最直接簡單的方法。

　　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。而且，MAC設(shè)計總是有可能隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而改變。為保證您的設(shè)計今后不會過時，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

　　FPGA現(xiàn)在不僅僅可以處理簡單的接口邏輯和橋接功能，而且還可以實現(xiàn)嵌入式處理功能，因此，芯片驅(qū)動（圖4）的可行性越來越高。這一特性支持傳統(tǒng)FPGA功能與驅(qū)動控制環(huán)以及通信協(xié)議功能的集成。

　　由于可以采用單芯片實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的數(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。

　　圖4：芯片驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計降低了BOM成本，減小了外形

　　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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，需要從機模塊供應(yīng)商支持多種標(biāo)準(zhǔn)。支持8到10種不同標(biāo)準(zhǔn)，而且在這些從機產(chǎn)品生命周期中不斷適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)更新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。

　　采用這類器件，系統(tǒng)供應(yīng)商能夠支持各種工業(yè)以太網(wǎng)，使用了標(biāo)準(zhǔn)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工業(yè)以太網(wǎng)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經(jīng)常的硬件更新。