设计坊第三期：灵活的工业以太网解决方案
先来说说以太网：
自从 Xerox 公司在上个世纪 70 年代中期引入以太网概念，并由 IEEE 802.3 在 1983 年标准化后，以太网已经成为世界上计算机通信的事实标准。
以太网从 3-Mbps 的铜缆系统发展到可靠性更高、成本更低的 100-Mbps 非屏蔽双绞线 (Cat5 UTP) 系统。
以太网技术不断发展，市场上已经有支持 1-Gbps 以太网的器件，10-Gbps 器件也浮出水面，以太网今后将继续服务于市场
本期设计坊，以下几个问题和大家一起来探讨
1. 说说你所知道的以太网标准有哪些?
2. 目前比较流行的PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT以太网标准各自有哪些优缺点呢?大家来比较下
3. 随着市场上标准数量的增多，以及标准的不断发展，采用多块电路板的解决方案怎样才能最有效，同时迅速支持新功能和其他协议 ?
4. 采用FPGA实现通用工业以太网解决方案有哪些优点呢?
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中文版本：灵活的工业以太网解决方案
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1. 说说你所知道的以太网标准有哪些?
日期 标准 总结
1983 IEEE 802.3 基本以太网标准
1985 IEEE 802.3a 10Base2 以太网标准
1990 IEEE 802.3i 10Base-T 10-Mbps 以太网标准
1995 IEEE 802.3u 100Base-TX/T4/FX 100 Mbps ( 快速以太网)
1997 IEEE 802.3x 全双工以太网标准
1998 IEEE 802.3y UTP 上的100Base-T2 快速以太网标准
1999 IEEE 802.3ab 1000Base-T 1 Gbps
2003 IEEE 802.3af 电力线以太网
2006 IEEE 802.3an 10GBase-T 10 Gbps
2. 目前比较流行的PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT以太网标准各自有哪些优缺点呢?大家来比较下
目前有很多基于以太网的工业通信协议，每种协议都有自己的优缺点。包括流行的
PROFINET、EtherNet/IP 和EtherCAT 在内的某些协议已经标准化，成为“开放”协议
标准，因此，任何开发人员都可以开发实现这些协议。这些开放协议会越来越流行，
被业界广泛采用。
有的解决方案只是简单的在标准以太网数据包中封装现场总线或者应用数据，因此，
仅仅需要实现标准以太网TCP/IP。这一实现方法不具有目前很多工业网络要求的实时
性能和确定性。所有工业以太网协议需要额外的定制软件，大部分高性能协议还需要
定制硬件。协议专用硬件和软件相结合后，开发人员很难实现支持多种协议的解决方案。
现在不但有很多以太网协议，而且这些协议标准还在不断发展，在技术上改进基本以
太网标准。为提高竞争能力，工业设备生产商必须找到有效的途径，尽可能多的支持
工业以太网协议，迅速适应协议的变化，支持新协议，采用其他的系统改进措施。
3. 随着市场上标准数量的增多，以及标准的不断发展，采用多块电路板的解决方案怎样才能最有效，同时迅速支持新功能和其他协议 ?
解决这些问题的另一方案是使用FPGA 来实现网络解决方案 FPGA 的关键
优势之一是其灵活性。设计人员开发一块PCB，随时都可以针对工业以太网协议对硬件
进行编程( 重新配置)。在产品发售前，甚至是在现场，如果需要不同的协议，或者客
户修改了定单，所要做的只是采用必要的配置文件，对FPGA 重新编程，几秒钟内就可
以完成。这类多标准解决方案大大降低了开发成本，减少了库存和供应链问题。为
FPGA 建立新配置文件可能需要开发新的软件或者硬件，但是利用Altera Quartus ? II
开发工具以及Altera 合作伙伴提供的现成知识产权(IP)，在几个星期甚至更短的时间
内就可以完成这类更新。
4. 采用FPGA实现通用工业以太网解决方案有哪些优点呢?
开发周期短
更新时不用更换新的硬件 成本降低
1. 说说你所知道的以太网标准有哪些?
IEEE 802.1 局域网协议高层
IEEE 802.2 逻辑链路控制
IEEE 802.3 以太网
IEEE 802.4 令牌总线
IEEE 802.5 令牌环
IEEE 802.8 FDDI
IEEE 802.11 无线局域网
2. 目前比较流行的PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT以太网标准各自
有哪些优缺点呢?大家来比较下
PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是
新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创
新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了
诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当
前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工
业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。
Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准
UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问
和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。
EtherCAT 是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公
司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑
的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成
本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安
全协议(SIL3)。
3. 随着市场上标准数量的增多，以及标准的不断发展，采用多块电路板的
解决方案怎样才能最有效，同时迅速支持新功能和其他协议 ?
就通信领域而言，软件无线电的概念的提出和实践，证明了一种方案的优
势，那就是铁打的平台，造就不同的功能，功能的不同主要体现在软件的
不同实现。
目前，随着市场需求的不断变更，采用传统的重硬件轻软件的思路已经不
太适用，寻找可编程的硬件平台则是最佳出路。
4. 采用FPGA实现通用工业以太网解决方案有哪些优点呢?
开发周期短
更新时不用更换新的硬件，只需要更新软件
成本降低