技術干貨｜使用多協議工業以太網系統簡化工廠自動化設計

傳感器、執行器、驅動器和可編程邏輯控制器 (PLCs) 等工廠自動化設備支持多種工業以太網協議（例如 EtherCAT、Profinet、以太網工業協議 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每種協議均可通過在硬件平臺上加載不同的軟件映像進行替換。

多協議工業以太網系統可在硬件開發周期內降低制造成本，通過僅要求制造單個印刷電路板來降低物料清單成本，從而加快產品上市時間。制造商可以使用不同的工業以太網協議為工廠自動化提供現場設備，如數字輸入模塊或伺服驅動器。

諸如德州儀器的可編程實時單元工業通信子系統 (PRU-ICSS) 等架構，能夠支持現場器件 1,000Mbps 的工業以太網速率，特別是在采用新的時間敏感型網絡 (TSN) 協議的情況下。

圖 1 展示了工業以太網現場器件中，與 PLC 和其他現場器件交換過程數據的主要元件。其中，兩個以太網端口支持線型或環型以太網拓撲，這表示 PLC 通過以太網電纜連接到一系列現場器件，無需以太網交換機。

圖 1：工業以太網現場器件系統方框圖

從 RJ45 連接器上，介質相關接口 (MDI) 連接到磁性元件，這些磁性元件在以太網幀到達以太網物理層 (PHY) 收發器之前提供與其他器件的隔離柵。

PHY 將以太網幀進行模數轉換（接收器）和數模轉換（發送器），并通過介質獨立接口 (MII)、簡化千兆位介質獨立接口 (RGMII) 或串行千兆位介質獨立接口 (SGMII) 輸出數字比特流。

PHY 在工業以太網中發揮著重要的作用，其重要性與介質訪問控制器 (MAC) 相當。PHY 必須支持不同線對（用于 T1 單線對以太網的單線對、用于 100Mbps 以太網的雙線對和用于 1,000Mbps 以太網的四線對）的銅介質，具體取決于 MDI。部分工業以太網網絡還支持光纖，光纖具有更好的電磁兼容性 (EMC) 并能在嚴苛的工業環境中更好地抵御電磁干擾。

接下來，以太網字節流通過 MII 進入 MAC。MAC 負責工業以太網協議，是用于實現多協議工業以太網支持的重要功能塊。

由于每種工業以太網協議在提取和插入過程數據時處理工業以太網幀的方式各異，MAC 處理方法必須針對每種協議進行變化。MAC 等應用特定集成電路解決方案通常固定為使用單個協議，不具備多協議能力。支持多協議的 MAC 必須支持多種以太網幀處理方法，例如動態處理、直通轉發、幀搶占以及存儲轉發。

MAC 可通過接口將來自 PLC 的過程數據傳輸到中央處理單元 (CPU)。如果 MAC 是物理上獨立的器件，該接口速率較低（串行外設接口 (SPI) 或 I2C，或者存儲器映射外部總線）。如果 MAC 與 CPU 集成，共享高速存儲器提供該接口并在 MAC 和 CPU 之間同步過程數據。

CPU 執行多種任務。每種工業以太網協議均需要一個軟件棧來與 MAC 進行交互，以便交換過程數據。現場器件使用此過程數據來控制數字輸入和輸出或控制伺服驅動器的速度和旋轉。

如果系統包含多個 CPU，通常的做法是將工作負載進行拆分，其中工業以太網棧運行在其自身的 CPU 上，工業應用運行在其他 CPU 上。

可以在 CPU 內核上運行不同種類的操作系統 (OS)：高級操作系統（例如 Linux 或實時 Linux）或實時操作系統 (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。

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。PRU 在運行時加載任一工業以太網協議固件。Sitara AM6442 如圖 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 協議，例如 TSN。PRU-ICSS 還充當標準以太網 MAC 和兩端口以太網交換機。

圖 2：用于實現多協議工業以太網支持的 Sitara AM6442 處理器解決方案和 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，支持多協議工業以太網所需的不同幀處理方法，并且將應用處理器置于單個芯片上。通過內部高速存儲器接口，可實現處理器和 MAC 之間過程數據的快速交換，并且該系列提供可擴展的處理器內核。

德州儀器提供了適用于 Sitara? 處理器系列的評估模塊 (EVM) 以及使用 DP83867 或 DP83869 以太網 PHY 收發器的以太網 PHY 解決方案。