使用多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)簡化工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)

傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和可編程邏輯控制器 (PLCs) 等工廠自動(dòng)化設(shè)備支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如 EtherCAT、Profinet、以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每種協(xié)議均可通過在硬件平臺(tái)上加載不同的軟件映像進(jìn)行替換。

多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)可在硬件開發(fā)周期內(nèi)降低制造成本，通過僅要求制造單個(gè)印刷電路板來降低物料清單成本，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。制造商可以使用不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為工廠自動(dòng)化提供現(xiàn)場設(shè)備，如數(shù)字輸入模塊或伺服驅(qū)動(dòng)器。

諸如德州儀器的可編程實(shí)時(shí)單元工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 等架構(gòu)，能夠支持現(xiàn)場器件 1,000Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)速率，特別是在采用新的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 協(xié)議的情況下。

工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1 展示了工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場器件中，與 PLC 和其他現(xiàn)場器件交換過程數(shù)據(jù)的主要元件。其中，兩個(gè)以太網(wǎng)端口支持線型或環(huán)型以太網(wǎng)拓?fù)洌@表示 PLC 通過以太網(wǎng)電纜連接到一系列現(xiàn)場器件，無需以太網(wǎng)交換機(jī)。

圖 1：工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場器件系統(tǒng)方框圖

從 RJ45 連接器上，介質(zhì)相關(guān)接口 (MDI) 連接到磁性元件，這些磁性元件在以太網(wǎng)幀到達(dá)以太網(wǎng)物理層 (PHY) 收發(fā)器之前提供與其他器件的隔離柵。

PHY 將以太網(wǎng)幀進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（接收器）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（發(fā)送器），并通過介質(zhì)獨(dú)立接口 (MII)、簡化千兆位介質(zhì)獨(dú)立接口 (RGMII) 或串行千兆位介質(zhì)獨(dú)立接口 (SGMII) 輸出數(shù)字比特流。

PHY 在工業(yè)以太網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用，其重要性與介質(zhì)訪問控制器 (MAC) 相當(dāng)。PHY 必須支持不同線對（用于 T1 單線對以太網(wǎng)的單線對、用于 100Mbps 以太網(wǎng)的雙線對和用于 1,000Mbps 以太網(wǎng)的四線對）的銅介質(zhì)，具體取決于 MDI。部分工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)還支持光纖，光纖具有更好的電磁兼容性 (EMC) 并能在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中更好地抵御電磁干擾。

接下來，以太網(wǎng)字節(jié)流通過 MII 進(jìn)入 MAC。MAC 負(fù)責(zé)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，是用于實(shí)現(xiàn)多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)支持的重要功能塊。

由于每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在提取和插入過程數(shù)據(jù)時(shí)處理工業(yè)以太網(wǎng)幀的方式各異，MAC 處理方法必須針對每種協(xié)議進(jìn)行變化。MAC 等應(yīng)用特定集成電路解決方案通常固定為使用單個(gè)協(xié)議，不具備多協(xié)議能力。支持多協(xié)議的 MAC 必須支持多種以太網(wǎng)幀處理方法，例如動(dòng)態(tài)處理、直通轉(zhuǎn)發(fā)、幀搶占以及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。

MAC 可通過接口將來自 PLC 的過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?(CPU)。如果 MAC 是物理上獨(dú)立的器件，該接口速率較低（串行外設(shè)接口 (SPI) 或 I2C，或者存儲(chǔ)器映射外部總線）。如果 MAC 與 CPU 集成，共享高速存儲(chǔ)器提供該接口并在 MAC 和 CPU 之間同步過程數(shù)據(jù)。

CPU 執(zhí)行多種任務(wù)。每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議均需要一個(gè)軟件棧來與 MAC 進(jìn)行交互，以便交換過程數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場器件使用此過程數(shù)據(jù)來控制數(shù)字輸入和輸出或控制伺服驅(qū)動(dòng)器的速度和旋轉(zhuǎn)。

如果系統(tǒng)包含多個(gè) CPU，通常的做法是將工作負(fù)載進(jìn)行拆分，其中工業(yè)以太網(wǎng)棧運(yùn)行在其自身的 CPU 上，工業(yè)應(yīng)用運(yùn)行在其他 CPU 上。

可以在 CPU 內(nèi)核上運(yùn)行不同種類的操作系統(tǒng) (OS)：高級操作系統(tǒng)（例如 Linux 或?qū)崟r(shí) Linux）或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。

用于多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的德州儀器 Sitara? 系列解決方案和以太網(wǎng) PHY

德州儀器 Sitara? 處理器系列支持可編程 MAC 以及與其集成的 PRU-ICSS 外設(shè)。PRU 在運(yùn)行時(shí)加載任一工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議固件。Sitara AM6442 如圖 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 協(xié)議，例如 TSN。PRU-ICSS 還充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 和兩端口以太網(wǎng)交換機(jī)。

圖 2：用于實(shí)現(xiàn)多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)支持的 Sitara AM6442 處理器解決方案和 PRU-ICSS

德州儀器 Sitara? 處理器系列能夠支持 PRU-ICSS 的多個(gè)實(shí)例，從而支持位置編碼器（EnDAT 2.2、HIPERFACE 數(shù)字伺服鏈路 [DSL]、雙向串行同步 [BiSS]）、脈寬調(diào)制 (PWM) 以及用于外部隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 Δ-Σ 抽取濾波器等工業(yè)外設(shè)。伺服驅(qū)動(dòng)器使用這些外設(shè)。

德州儀器 Sitara? 處理器還集成工業(yè)應(yīng)用使用的多種功能，包括 ADC、SPI、I2C 和通用存儲(chǔ)器控制器。片上系統(tǒng)還具有內(nèi)部共享存儲(chǔ)器，用于在 MAC 和 CPU 之間交換過程數(shù)據(jù)。

如圖 3 所示，德州儀器 Sitara? 處理器系列具有適用于高級操作系統(tǒng) (HLOS) 的多個(gè) Arm? Cortex?-A53 內(nèi)核，適用于 RTOS 或裸機(jī)應(yīng)用的多個(gè) Arm Cortex-R5F 內(nèi)核以及適用于工業(yè)以太網(wǎng) MAC 的 PRU-ICSS。

圖 3：使用 RTOS、HLOS 和固件的多核處理器解決方案和 PRU-ICSS

通過集成可編程 MAC 的方法，支持多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)所需的不同幀處理方法，并且將應(yīng)用處理器置于單個(gè)芯片上。通過內(nèi)部高速存儲(chǔ)器接口，可實(shí)現(xiàn)處理器和 MAC 之間過程數(shù)據(jù)的快速交換，并且該系列提供可擴(kuò)展的處理器內(nèi)核。