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“驱动”设计支持的工业以太网

2019年04月16日 09:19:23来源:电子发烧友网关键词:工业以太网
  引言
 
  工业以太网成为工厂自动化的主流技术,是有多方面原因的。而没有引起同样注重的是,需求在供货商体系中完成这一通信技术。而事实上,您怎样完成这一需求越来越大的功用关于您的体系本钱、产品外形以及功耗目标会有很大的不同。本文从工厂自动化供货商开发从机体系的角度动身,介绍完成工业以太网的各种挑选,例如 I/O 模块和驱动等从机体系。
 
  这些 OEM 面对的难题并不常见,因而,有很好的理由来检查从机体系体系结构。供货商不是针对某一协议来规划从机体系。他们有必要支撑可以在工厂中完成的任何规范,而不能指定某一种协议。他们的体系有必要习惯任何一种协议。
 
  开发的从机协议新规范也有共同的硬件特性。事实上,他们不能运用规范 MAC 完成,这会面对罕见的难题,影响对完成平台的挑选。
 
  工业以太网简介
 
  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材之间传送信号,都不能习惯工业运用。而快速以太网 (100 Mbps) 的出现,其交流模式支撑全双工功用,意味着可以在两个器材之间构建点对点链接,使得以太网可以用于大部分工业运用中。一切工业以太网协议都需求作出必定程度的判决,传统上是经过运用软件协议仓库来处理的。
 
  对速度的要求 ( 或许在这一案例中,延时 )
 
  我们都知道,工厂自动化体系有实时呼应要求。那么,“ 实时 ” 究竟是什么 ? 答案是这取决于运用类型。有时分,依照数百毫秒来衡量,而有时分依照微秒来衡量。有不同的规划办法使得通信协议可以满足不同的延时要求。
 
  如图 1 所示,PHY 层通常是独立的模拟器材。可是,可以在数字逻辑器材中完成其他功用,由处理器针对协议栈以及定制运用来运转软件。而一切的工业以太网协议都需求特别的软件仓库,某些新协议 ( 图中右侧所示 ) 在介质拜访控制 (MAC) 以及交流上运用共同的非规范规划。
 

工业以太网

  图 1. 工业以太网协议体系结构
 
  EtherCAT 和 Profinet IRT 是两种较新的协议,需求特别的 MAC 规划。特别是EtherCAT 运用了立异的办法,在一个以太网帧中封装了更多的数据包。多个从机器材的数据被封装到一个以太网帧中。当从机器材读取以太网帧时,它有必要为自己提取出数据包的内在意义,而疏忽其他信息。更重要的是,它有必要随时进行这种提取作业。
 
  当连接了许多从机器材时,对数据包进行提取,以满足最低延时要求。例如,如果您是网络上的第 256 个从机器材,会引起一个帧延时而不是 256 帧延时。典型的运用是运动控制以及多轴机器人驱动。
 
  为支撑所挑选的协议,从机器材中的 MAC 规划不同于传统的以太网 MAC,需求 FPGA 或许 ASIC 中的特别规划。从体系规划的角度看,如果您有必要支撑规范 MAC 完成以及特别完成,那么,规划应包含 MAC 规划,或许是硬件可编程的。图 2 显现了不同的实时要求是怎样导致通信协议规范不同体系结构的。
 

工业以太网

  图 2. 不同的实时要求导致不同的完成
 
  要害趋势影响了体系规划
 
  某些影响工业以太网体系规划的趋势包含嵌入式通信协议、工业以太网规范的快速开展,以及向千兆以太网的开展等。
 
  嵌入式通信协议
 
  驱动和 I/O 模块 ( 工厂自动化中典型的从机器材 ) 的第一个开展趋势是通信功用的深度嵌入,这是因为体系本钱下降、外形减小以及功耗预算降低等要素形成的。曩昔,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规划。另一替代计划是包含单独的 ASSP 专用于完成通信功用。因为不同的客户会运用不同的工业以太网规范,因而,这种 ASSP 或许会被过度规划,以支撑多种协议。
 
  可是,供货商期望将他们一切的数字驱动功用集成到一个硅片中,要求通信协议功用规划不大,可以作为整个 “ 芯片驱动 ” 体系的组成部分来完成。图 3 显现了工业以太网功用完成的改动。
 
  工业以太网规范的快速开展
 
  第二个趋势是工业以太网规范的快速开展。与现场总线协议类似,有许多类型的工业以太网协议,最重要的是,这些规范并没有在市场上合并。
 
  驱动体系供货商有必要可以支撑 6 到 8 个规范,才干将其产品出售到全球不同的工厂中。
 
  例如,如果您期望在亚洲和欧洲一起出售您的驱动设备,一起习惯 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT,那么,您需求:1)规划、开发,并保持两组驱动规划;或许 2)包含 ASSP 以支撑多种协议 —— 期望协议不会变化;或许 3)运用可编程平台表 1 列出了流行于全世界的某些竞争以太网规范。
 

工业以太网

  表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网规范
 
  曩昔,当工业以太网规范运用规范 MAC/ 交流时,很简单选用微处理器单元 (MPU) 进行通信。如果您需求支撑新规范,您只需求交流协议栈 ( 软件 )。可是,正如前面所讨论的,许多新规范需求特别的 MAC 完成。很显然,应对这些新规范时,在规范 MPU 上选用规范以太网 MAC 和交流机对通信协议进行规范化处理是不行的。
 
  某些 MPU 供货商开发了新办法,例如开发专用嵌入式处理器运用的定制微代码,用于仿真非规范 MAC。但这些是很艰深的办法,或许会有不知道的缺点。需求特别 MAC 完成的协议通常选用定制硬件办法,取决于产量以及要求的价格点而运用 ASIC 或许 FPGA。
 
  此外,MAC 规划总是有或许随着规范的开展而改动。为确保您的规划今后不会过期,选用可编程办法是最安全的。
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