以太網(wǎng)標準與驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

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)的任何標準，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(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。“實時”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準設(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，是非標準的，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)議標準不同體系結(jié)構(gòu)的。

　　從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，如果您必須支持標準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。

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