[导读] 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。而没有引起同样重视的是，需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上，您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。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。
关键词：工厂自动化工业以太网通信技术FPGA
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。而没有引起同样重视的是，需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上，您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。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 面临的难题并不常见，因此，有很好的理由来检查从机系统体系结构。供应商不是针对某一协议来设计从机系统。他们必须支持可以在工厂中实现的任何标准，而不能指定某一种协议。他们的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。事实上，他们不能使用标准 MAC 实现，这会面临少见的难题，影响对实现平台的选择。
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。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。
对速度的要求 （ 或者在这一案例中，延时 ）
我们都知道，工厂自动化系统有实时响应要求。那么，“ 实时 ” 到底是什么 ？ 答案是这取决于应用类型。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。
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 （ 图中右侧所示 ） 在介质访问控制 （MAC） 以及交换上使用独特的非标准设计。
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，它必须随时进行这种提取工作。
当连接了很多从机器件时，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 个从机器件，会引起一个帧延时而不是 256 帧延时。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。
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，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊设计。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 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。
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
某些影响工业以太网系统设计的趋势包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展，以及向千兆以太网的发展等。
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 ” 系统的组成部分来实现。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
工业以太网标准的快速发展
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 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）设计、开发，并维持两组驱动设计；或者 2）包括 ASSP 以支持多种协议 —— 希望协议不会变化；或者 3）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. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准
过去，当工业以太网标准使用标准 MAC/ 交换时，很容易采用微处理器单元 （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。但这些是很深奥的方法，可能会有不知道的缺陷。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。
此外，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。
向千兆以太网的发展
另一考虑是今后向千兆以太网发展。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
与基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的传统驱动技术不同，基于一个 Altera® Cyclone® V FPGA 等单片 FPGA 平台的驱动系统提供了可扩展平台，满足了各种驱动需求，如图 4 所示。
图 4. 芯片驱动系统设计降低了 BOM 成本，减小了外形
Altera FPGA 支持您采用多种处理器体系结构，例如，Nios® II 嵌入式软核处理器，或者功能更强大的双核 ARM® CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核处理器。采用最新的工业以太网协议、数字编码器接口、浮点算法以及器件增强功能，例如，存储器控制器、精度可调 DSP 模块和收发器以及基于 FPGA 的电机控制系统，支持多种操作系统，使您能够集成传统的 FPGA 功能和驱动控制环以及通信协议功能。采用单芯片实现驱动系统的这些数字功能，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。
简化工业以太网许可和设计
让我们从系统规划人员设计驱动模块的角度了解一下某些难点：
（1）系统必须能够采用多种工业以太网协议重新编程，这样，系统可以采用任何可编程逻辑控制器 （PLC） 进行工作。
（2）OEM 需要使用多种经过硬件测试的工业以太网协议。由于产品面市和预算压缩了所有时间，因此，不可能与每一协议供应商分别进行协商。
（3）不同的驱动模块支持不同的特性，有不同的价格，因此，非常重要的是协议知识产权 （IP） 能够适用于多种 FPGA。
为解决这些难题，设计人员需要向 OEM 提供大部分从机工业以太网协议，而且没有前端许可，没有单独的版税。这类解决方案是由 Altera 和 Softing 工业自动化有限公司提供的，这是一家制造和过程自动化工业通信产品和技术前沿供应商。采用 Altera 和Softing 解决方案，您能够使用图 5 显示的所有协议，不需要许可协商，没有前端许可成本，也不需要单独的单片版税。相反，通过四个快捷步骤提供解决方案：
（1）选择要实现的工业以太网协议 —— 甚至选择一个以上。
（2）从 Softing 下载定制从机协议 IP 和软件堆栈，适用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。
（3）在 Quartus® 软件和硬件 （ 开发套件 ） 中评估您自己设计中的 IP。
（4）从 Altera 购买特殊安全 CPLD，在产品中实现任何所选择的协议。
图 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您设计大部分从机工业以太网协议，具有完整的 “ 无困难 ” 许可
协议 IP 的结构
让我们看一下协议 IP 的结构，您可以下载它来实现您需要的工业以太网协议。工业以太网协议 IP 有逻辑组件和软件 （ 堆栈 ） 组件。逻辑组件为各种协议实现所需的硬件模块，例如，PROFINET 和 EtherNet/IP 交换模块，以及 POWERLINK 集线器，等。以 “ 黑盒 IP” 的形式提供 IP，意味着，不提供内部源 RTL。必须通过定义好的有记录的接口来使用这一 IP。
软件组件包括运行在免费操作系统 （OS） 中的协议栈，例如，eCOS，以 Nios II 集成开发环境 （IDE） 中 .elf 库文件的方式来提供。源代码还是以黑盒的形式提供，二进制软件文件必须运行在 Nios II/f 处理器上。
如图 6 所示，将这些组件放在一起建立 “ 灰盒 ” 非常重要。灰盒包括 Nios II/f 处理器、黑盒 IP，以及存储器控制器，必须将它们恰当的放在一起，如随每一协议 IP 发售的参考设计所示。您可以通过定义好的逻辑接口将您 （ 逻辑 ） 设计的其他部分和这一黑盒连接起来，通过定义好的软件应用程序接口 （API） 使用协议栈，这一接口对于所有工业以太网协议是通用的。
图 6. 工业以太网协议 IP 的结构
设计完成后，您可以选择在 Quartus 软件中进行软件仿真，或者使用 Altera 基于Cyclone IV FPGA 的工业网络套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的实时以太网模块 （RTEM） 进行硬件评估。使用这些开发套件，在硬件中验证了 Softing 为Altera 开发的工业以太网协议 IP。。
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