以太网标准与驱动系统设计 - 全文

　　因为多种原因，工业以太网已成为工厂自动化的主流技术。而没有引起同样重视的是，需要在供应商系统中实现这一通信技术。本文从工厂自动化供应商开发从机系统的角度出发，介绍实现工业以太网的各种选择，例如I/O模块和驱动等从机系统。

　　这些OEM面临的难题可以从查看机系统体系结构开始。供应商并非针对某一协议来设计从机系统，而必须支持可以在工厂中实现的任何标准，不能指定某一种协议，因此系统必须适应任何一种协议。

　　开发的从机协议新标准也有独特的硬件特性，它们不能使用标准MAC实现。这些都直接影响对实现平台的选择。

　　以太网简介

　　一开始，以太网——10 Mbps最初的以太网、100 Mbps的快速以太网，以及1 Gbps的千兆以太网，是在共享介质上在器件之间传送信号，都不能适应工业应用。而快速以太网（100 Mbps）的出现，其交换模式支持全双工功能，意味着可以在两个器件之间构建点对点链接，使得以太网能够用于大部分工业应用中。

　　但是，所有工业以太网协议都需要作出一定程度的判决，传统上是通过使用软件协议堆栈来解决的。一些新协议已经开始使用特殊MAC结构来实现更好的延时。图1显示了一些工业以太网协议的结构。

　　对速度的要求（或延时）

　　工厂自动化系统有实时响应要求。“实时”是什么？答案是取决于应用类型。有时候，按照数百毫秒来衡量，而有时候按照微秒来衡量。有不同的设计方法使得通信协议能够满足不同的延时要求。

　　

　　图1：工业以太网协议体系结构

　　如图1所示，PHY层通常是独立的模拟器件。但是，可以在数字逻辑器件中实现其他功能，由处理器针对协议栈以及定制应用来运行软件。

　　而所有的工业以太网协议都需要特殊的软件堆栈，某些新协议在MAC以及交换上使用独特的非标准设计。

　　EtherCAT和Powerlink是两种较新的协议，需要特殊的MAC设计。特别是EtherCAT使用了创新的方法，在一个以太网帧中封装了更多的数据包。多个从机器件的数据被封装到一个以太网帧中。当从机器件读取以太网帧时，它必须为自己提取出数据包的内在含义，而忽略其他信息——更重要的是，它必须能够“随时”完成这一工作。当连接了很多从机器件时，也要满足最低延时要求。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。

　　这一协议好的一面是，会引起一个帧延时而不是256帧延时（如果您是网络上的第256个从机器件）。

　　为支持所选择的协议，从机器件中的MAC设计不同于传统的以太网MAC，是非标准的，需要FPGA或者ASIC特殊设计。图2显示了不同的实时要求是怎样导致通信协议标准不同体系结构的。

　　从系统设计的角度看，如果您必须支持标准MAC实现以及特殊实现，那么，设计应包含MAC设计，或者是硬件可编程的。

　　

　　图2：不同的实时要求导致不同的实现

　　关键趋势影响了系统设计

　　驱动和I/O模块（工厂自动化中典型的从机器件）的第一个发展趋势是通信功能的深度嵌入，这是由于系统成本下降、外形减小以及功耗预算降低等因素造成的。

　　过去，客户花费数百美元来购买商用通信模块，然后将其加入到驱动模块中。这类模块性价比不高，而且也不适用于小外形封装驱动设计。

　　另一替代方案是包括单独的ASSP专用于实现通信功能。由于不同的客户会使用不同的工业以太网标准，因此，这种ASSP可能会被过度设计，以支持多种协议。

　　但是，供应商希望将他们所有的数字驱动功能集成到一个硅片中，要求通信协议功能规模不大，能够作为整个“芯片驱动”设计的组成部分来实现。

　　图3显示了工业以太网功能实现的转变。

　　

　　图3：从模块到器件，到芯片集成功能

　　第二个趋势是工业以太网标准的快速发展。与现场总线协议相似，有很多类型的工业以太网协议，最重要的是，这些标准并没有在市场上合并。

　　驱动系统供应商必须能够支持6到8个标准，才能将其产品销售到全球不同的工厂中。例如，如果您希望在亚洲和欧洲同时销售您的驱动设备，同时适应EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 设计、开发，并维持两组驱动设计

　　或者

　　· 包括ASSP以支持多种协议——希望协议不会变化

　　或者

　　· 使用可编程平台

　　表1列出了流行于全世界的某些竞争以太网标准。

　　

　　表1：出现了竞争以太网标准，基于底层现场总线协议

　　过去，当工业以太网标准使用标准MAC/交换机时，很容易采用MPU进行通信。如果您需要支持新标准，您只需要交换协议栈（软件）。但是，正如前面所讨论的，很多新标准需要特殊的MAC实现。

　　很显然，应对这些新标准时，在标准MPU上采用标准以太网MAC和交换机对通信协议进行标准化处理是不够的。

　　某些MPU供应商开发了创新方法，例如开发专用嵌入式处理器使用的定制微代码，用于仿真非标准MAC。但是，编写专用RISC引擎定制微代码来仿真硬件MAC并不是实现或者更新逻辑设计最直接简单的方法。

　　需要特殊MAC实现的协议通常采用定制硬件方法，取决于产量以及要求的价格点而使用ASIC或者FPGA。而且，MAC设计总是有可能随着标准的发展而改变。为保证您的设计今后不会过时，采用可编程方法是最安全的。

　　另一考虑是可能向千兆以太网发展。由于几乎所有的FPGA都支持千兆以太网，即使标准开始向高于1 Gbps速率发展，经过深思熟虑的系统设计也需要新的FPGA编程文件来支持这类标准的发展。

　　在可编程架构中以深度嵌入的功能来实现工业以太网使您不仅能够以相同的硬件灵活的支持多种协议，而且还受益于高度集成的设计——功耗、成本和外形封装。

　　未来是芯片驱动

　　FPGA现在不仅仅可以处理简单的接口逻辑和桥接功能，而且还可以实现嵌入式处理功能，因此，芯片驱动（图4）的可行性越来越高。这一特性支持传统FPGA功能与驱动控制环以及通信协议功能的集成。

　　由于可以采用单芯片实现驱动系统的数字功能，因此，工业以太网成为集成到FPGA中众多的功能模块中的一个。

　　

　　图4：芯片驱动系统设计降低了BOM成本，减小了外形

　　结论

　　与很多其他通信功能相似，工业以太网的实现已经从模块转向器件，进而成为深度嵌入的功能。这是很多功能的发展趋势，因为系统供应商很难针对成本、功耗、外形封装等因素来优化他们的设计。

　　工业以太网独特的一面是，大量的全球标准，需要从机模块供应商支持多种标准。支持8到10种不同标准，而且在这些从机产品生命周期中不断适应任何标准更新的唯一高性价比方法是在同时具备硬件和软件可编程能力的器件中实现您的设计。

　　采用这类器件，系统供应商能够支持各种工业以太网，使用了标准MAC，提供特殊的软件堆栈以及需要定制MAC设计和特殊软件堆栈的工业以太网协议。而且，使用相同的硬件，能够适应一般的软件堆栈更新和不太经常的硬件更新。