以太網標準與驅動系統(tǒng)設計

　　因為多種原因，工業(yè)以太網已成為工廠自動化的主流技術。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統(tǒng)中實現(xiàn)這一通信技術。本文從工廠自動化供應商開發(fā)從機系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實現(xiàn)工業(yè)以太網的各種選擇，例如I/O模塊和驅動等從機系統(tǒng)。

　　這些OEM面臨的難題可以從查看機系統(tǒng)體系結構開始。供應商并非針對某一協(xié)議來設計從機系統(tǒng)，而必須支持可以在工廠中實現(xiàn)的任何標準，不能指定某一種協(xié)議，因此系統(tǒng)必須適應任何一種協(xié)議。

　　開發(fā)的從機協(xié)議新標準也有獨特的硬件特性，它們不能使用標準MAC實現(xiàn)。這些都直接影響對實現(xiàn)平臺的選擇。

　　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(yè)應用。而快速以太網（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建點對點鏈接，使得以太網能夠用于大部分工業(yè)應用中。

　　但是，所有工業(yè)以太網協(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)議已經開始使用特殊MAC結構來實現(xiàn)更好的延時。圖1顯示了一些工業(yè)以太網協(xié)議的結構。

　　對速度的要求（或延時）

　　工廠自動化系統(tǒng)有實時響應要求?！皩崟r”是什么？答案是取決于應用類型。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)以太網協(xié)議體系結構

　　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)議棧以及定制應用來運行軟件。

　　而所有的工業(yè)以太網協(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準設計。

　　EtherCAT和Powerlink是兩種較新的協(xié)議，需要特殊的MAC設計。特別是EtherCAT使用了創(chuàng)新的方法，在一個以太網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幀中。當從機器件讀取以太網幀時，它必須為自己提取出數(shù)據(jù)包的內在含義，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。當連接了很多從機器件時，也要滿足最低延時要求。典型的應用是運動控制以及多軸機器人驅動。

　　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（如果您是網絡上的第256個從機器件）。

　　為支持所選擇的協(xié)議，從機器件中的MAC設計不同于傳統(tǒng)的以太網MAC，是非標準的，需要FPGA或者ASIC特殊設計。圖2顯示了不同的實時要求是怎樣導致通信協(xié)議標準不同體系結構的。

　　從系統(tǒng)設計的角度看，如果您必須支持標準MAC實現(xiàn)以及特殊實現(xiàn)，那么，設計應包含MAC設計，或者是硬件可編程的。

　　圖2：不同的實時要求導致不同的實現(xiàn)

　　關鍵趨勢影響了系統(tǒng)設計

　　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(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(xiàn)通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業(yè)以太網標準，因此，這種ASSP可能會被過度設計，以支持多種協(xié)議。

　　但是，供應商希望將他們所有的數(shù)字驅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“芯片驅動”設計的組成部分來實現(xiàn)。

　　圖3顯示了工業(yè)以太網功能實現(xiàn)的轉變。

　　圖3：從模塊到器件，到芯片集成功能

　　第二個趨勢是工業(yè)以太網標準的快速發(fā)展。與現(xiàn)場總線協(xié)議相似，有很多類型的工業(yè)以太網協(xié)議，最重要的是，這些標準并沒有在市場上合并。

　　驅動系統(tǒng)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EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 設計、開發(fā)，并維持兩組驅動設計

　　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標準。

　　表1：出現(xiàn)了競爭以太網標準，基于底層現(xiàn)場總線協(xié)議

　　過去，當工業(yè)以太網標準使用標準MAC/交換機時，很容易采用MPU進行通信。如果您需要支持新標準，您只需要交換協(xié)議棧（軟件）。但是，正如前面所討論的，很多新標準需要特殊的MAC實現(xiàn)。

　　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(xié)議進行標準化處理是不夠的。

　　某些MPU供應商開發(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，用于仿真非標準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，取決于產量以及要求的價格點而使用ASIC或者FPGA。而且，MAC設計總是有可能隨著標準的發(fā)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。

　　另一考慮是可能向千兆以太網發(fā)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(fā)展，經過深思熟慮的系統(tǒng)設計也需要新的FPGA編程文件來支持這類標準的發(fā)展。

　　在可編程架構中以深度嵌入的功能來實現(xiàn)工業(yè)以太網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計——功耗、成本和外形封裝。