以太网标准与驱动系统设计

　　因为多种原因，工业以太网已成为工厂自动化的主流技术。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。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面临的难题可以从查看机系统体系结构开始。供应商并非针对某一协议来设计从机系统，而必须支持可以在工厂中实现的任何标准，不能指定某一种协议，因此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，它们不能使用标准MAC实现。这些都直接影响对实现平台的选择。

　　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。

　　但是，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。一些新协议已经开始使用特殊MAC结构来实现更好的延时。图1显示了一些工业以太网协议的结构。

　　对速度的要求（或延时）

　　工厂自动化系统有实时响应要求。"实时"是什么？答案是取决于应用类型。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。

　　图1：工业以太网协议体系结构

　　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，某些新协议在MAC以及交换上使用独特的非标准设计。

　　EtherCAT和Powerlink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，它必须能够"随时"完成这一工作。当连接了很多从机器件时，也要满足最低延时要求。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。

　　这一协议好的一面是，会引起一个帧延时而不是256帧延时（如果您是网络上的第256个从机器件）。

　　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，是非标准的，需要FPGA或者ASIC特殊设计。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。

　　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：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

　　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"设计的组成部分来实现。

　　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

　　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EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 设计、开发，并维持两组驱动设计

　　或者

　　· 包括ASSP以支持多种协议——希望协议不会变化

　　或者

　　· 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：出现了竞争以太网标准，基于底层现场总线协议

　　过去，当工业以太网标准使用标准MAC/交换机时，很容易采用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