利用時間敏感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

OT（操作技術(shù)）和IT（信息技術(shù)）可能有不同的實(shí)時需求，但它們被合并到基于TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中。了解在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中實(shí)施TSN所涉及的理論和硬件。

當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，工廠中的設(shè)備可能有非常不同的需求和潛在的沖突目標(biāo)。操作技術(shù)（OT）流量，如機(jī)器控制數(shù)據(jù)和傳感器值讀數(shù)，通常需要固定的時間延遲、低延遲和可預(yù)測的抖動。另一方面，信息技術(shù)（IT）流量是電子郵件流量等數(shù)據(jù)。

在IT領(lǐng)域中，通信通常是最大的努力，準(zhǔn)確的響應(yīng)時間不是最重要的。相反，總體吞吐量才是最重要的。對于OT，在某個時間丟失數(shù)據(jù)會導(dǎo)致失敗，因此數(shù)據(jù)包必須在一定的實(shí)時限制內(nèi)到達(dá)目的地。

今天，有許多不同的工業(yè)協(xié)議用于解決這個問題。然而，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是建立在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上的，它的目標(biāo)是為以太網(wǎng)上的實(shí)時通信創(chuàng)建一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。它通過在一根網(wǎng)線上合并OT和It流量，并向以太網(wǎng)添加確定性來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。其目標(biāo)是減少網(wǎng)絡(luò)延遲并降低端點(diǎn)之間的延遲，以確保某些數(shù)據(jù)包準(zhǔn)時到達(dá)目的地。

本文討論了TSN，三個基本的TSN標(biāo)準(zhǔn)，以及它們的典型用例。它還檢查了三個NXP設(shè)備（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus），這些設(shè)備允許嵌入式工程師為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計現(xiàn)代連接的實(shí)時系統(tǒng)。

TSN不是一個單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是一個IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)系列. TSN標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了TSN體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)：

圖1TSN體系結(jié)構(gòu)包括三層。IEEE標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了基礎(chǔ)。TSN配置文件位于基礎(chǔ)之上，協(xié)議使用這些配置文件

TSN配置文件位于TSN標(biāo)準(zhǔn)之上，形成體系結(jié)構(gòu)的下一層。這些配置文件具體說明了如何參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)中定義的某些TSN特性。例如，這樣一個配置文件可以包含一些參數(shù)，這些參數(shù)描述了應(yīng)用程序中需要多少時鐘周期精度。

相對成熟的TSN配置文件是IEC60802，它定義了工業(yè)應(yīng)用的參數(shù)。然而，許多其他的TSN配置文件，如汽車和醫(yī)療應(yīng)用，目前正在開發(fā)中。因此，體系結(jié)構(gòu)的第二層根據(jù)特定的行業(yè)或應(yīng)用程序來配置和指定在TSN標(biāo)準(zhǔn)中定義的特性。最后，頂層包含協(xié)議本身。

802.1AS的定時和同步標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了TSN的基礎(chǔ)。ieee802.1AS建立在精確時間協(xié)議（PTP）之上，允許網(wǎng)絡(luò)中的多個設(shè)備同步它們的內(nèi)部時鐘，從而支持更高級的功能，如時間感知調(diào)度。

802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)允許支持TSN的設(shè)備組合OT和IT流量，并在一根以太網(wǎng)電纜上進(jìn)行傳輸。此外，這個次級標(biāo)準(zhǔn)還包括一個時間感知整形器，使得創(chuàng)建一個時間表成為可能，該時間表規(guī)定了某些數(shù)據(jù)包何時可以在線路上發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備同意遵守這個時間表，并為特定的包預(yù)留時間段。當(dāng)在兩個終端節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送優(yōu)先化消息時，這些措施將導(dǎo)致最小且可預(yù)測的抖動和延遲：

請注意，802.1AS確保網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備共享一個同步的時基。因此，它們都知道何時通過網(wǎng)線發(fā)送何種類型的流量。

802.1CB是TSN的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)。此子標(biāo)準(zhǔn)允許系統(tǒng)設(shè)計者在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建冗余通信流，以提高容錯能力。啟用此功能后，支持802.1CB的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將在需要時自動復(fù)制指定的包。此外，當(dāng)支持TSN的交換機(jī)第一次接收到唯一消息時，它會在以后自動丟棄所有冗余副本。將這些任務(wù)外包給支持TSN的硬件，消除了對復(fù)雜軟件的需求，減輕了主CPU的負(fù)載。

最后，802.Qbu幀搶占是工業(yè)自動化最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。從本質(zhì)上講，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對某種實(shí)時方法非常關(guān)注，這種方法要求遵守非常嚴(yán)格的周期時間。搶占有助于保持這樣的時間，因?yàn)樗梢栽诙鄠€片段上分割一個幀，這些片段將被連續(xù)發(fā)送，除非出現(xiàn)一個快速幀。

只要每個消息的傳輸可以在稱為guardband（802.Qbr）的可配置時間段內(nèi)完成，所有標(biāo)準(zhǔn)幀都可以在多個消息中中斷和分段。這種系統(tǒng)與搶占結(jié)合使用，可以防止過長或非循環(huán)消息延長周期時間。

這個時間敏感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)提供對TSN和此處討論的一些標(biāo)準(zhǔn)的更詳細(xì)的了解。

這個 層角LS1028A，i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表總結(jié)了TSN標(biāo)準(zhǔn)以及哪些NXP設(shè)備實(shí)現(xiàn)了這些標(biāo)準(zhǔn)：

支持TSN的硬件是創(chuàng)建可靠的支持TSN的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的第一步。NXP為其產(chǎn)品提供了廣泛的軟件支持，并提供了一個sdk庫和演示各種特性的軟件示例。

Layerscape LS1028A通常運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)，例如openindustrialinux（OpenIL），或者其他高級操作系統(tǒng)。i.mx8mplus也將很快獲得對OpenIL的支持。NXP還提供了對TSN的開源支持以及配置它的工具。對于OpenIL，NXP為PTP提供了開源驅(qū)動程序支持。這些驅(qū)動程序允許用戶控制PTP硬件時鐘和時間戳。除了NXP的軟件產(chǎn)品，工程師還可以從一系列現(xiàn)成的商業(yè)軟件堆棧中進(jìn)行選擇。

NXP產(chǎn)品組合提供了一些設(shè)備，為工業(yè)環(huán)境中的時間敏感網(wǎng)絡(luò)提供硬件支持。例如Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和i.MX 8M Plus。這些設(shè)備使嵌入式系統(tǒng)工程師能夠通過將高處理能力與廣泛的外圍設(shè)備、安全功能和能夠處理高要求任務(wù)的協(xié)處理器相結(jié)合來設(shè)計未來的工業(yè)設(shè)備。

這個LS1028A是一款成熟的應(yīng)用處理器，基于兩個Cortex A72處理核心。它主要用于汽車和工業(yè)市場，它配備了一個集成網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過四個以太網(wǎng)端口支持各種TSN功能。LS1028A還提供了豐富的外圍設(shè)備（如CAN-FD接口）、各種片上協(xié)處理器、專用GPU和LCD控制器以及眾多安全功能。目標(biāo)應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)HID和機(jī)器人技術(shù)。

圖2LS1028A框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

這個iMX RT1170系列MCU利用兩個處理核心。ARM?Cortex?-M7內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)1GHz，第二個專用Cortex?-M4處理器的時鐘頻率高達(dá)400MHz，使這些設(shè)備成為當(dāng)今市場上最快的微控制器之一。其性能和豐富的外設(shè)和功能組合使i.MX RT1170系列mcu成為廣泛應(yīng)用的理想選擇。這些設(shè)備支持高達(dá)2兆字節(jié)的SRAM和多達(dá)3個以太網(wǎng)接口。

i.MX RT1170交叉MCU還提供了一套現(xiàn)代安全和加密功能。對于HMI應(yīng)用，設(shè)備包括一個專用的2D GPU和2D加速器和顯示接口。i.MX RT1170針對低功耗和低泄漏應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，允許高效、快速、小型和經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計。

圖3i.MX RT1170框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

i.MX 8M系列包含各種針對特定市場的應(yīng)用處理器，以滿足特定應(yīng)用的需求。i.MX 8M Plus是該系列的最新型號，包括用于機(jī)器視覺應(yīng)用的專用硬件、具有2.3個頂部的NPU單元用于更快的AI推斷、改進(jìn)的LVDS、支持TSN的實(shí)時聯(lián)網(wǎng)以及2D/3D圖形加速器。

此外，i.MX 8M Plus是目前i.MX 8M系列中唯一提供多個CAN-FD接口的設(shè)備。它還具有可靠性特性，如用于高可靠性工業(yè)應(yīng)用的內(nèi)聯(lián)ECC。

圖4i.MX 8M Plus方框圖。圖片來源：NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170和i.MX 8M Plus是15年NXP長壽計劃的一部分，該計劃保證組件從產(chǎn)品發(fā)布之日起至少15年內(nèi)可供銷售，這對于需要經(jīng)歷長期啟用或認(rèn)證階段的設(shè)計師特別有用。

在這個例子中，每個組件通過利用上面描述的各種TSN標(biāo)準(zhǔn)彼此通信，以便保持高水平的同步和保證的延遲，而不依賴于網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的流量。

i.MX 8mplus用于圖像識別，利用其ISP和嵌入式神經(jīng)處理單元（NPU）進(jìn)行優(yōu)化操作，并支持生產(chǎn)線的實(shí)時操作。

根據(jù)i.mxrt1170驅(qū)動的分析，i.MX RT1170用于引導(dǎo)機(jī)器人手臂從虛擬傳送帶上取下產(chǎn)品。

在這兩者之間，Layerscape LS1028運(yùn)行一個TSN網(wǎng)絡(luò)，并在另外兩個設(shè)備之間以及其他潛在節(jié)點(diǎn)之間中繼幀。TSN用于確保數(shù)據(jù)從i.MX 8M Plus可靠地傳輸?shù)絠.MX RT1170。

在本例中，還連接了一臺筆記本電腦，以便模擬任何現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)中可能存在的最大努力流量