工业以太网协议的历史及其优势说明

每种工业以太网协议都有其独特的历史和不同的工业应用效益。本文将简述以下三种主要协议及其优势：Ethercat、Profinet 和 Multiprotocls 多协议方案。

工业以太网
工业以太网用于工厂自动化、楼宇自动化和许多其他工业应用。与标准以太网相比，工业以太网的主要优势在于确定性的实时数据交换和小于 1 ms 的同步循环时间。

用户不能使用标准以太网介质访问控制（MAC）来实现大多数工业以太网标准；相反，需要专用的应用特定型集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA），因为以太网帧作为“直通”接收，指在首个以太网端口正在接收帧的同时，一个专用的工业以太网 MAC 硬件模块已在处理该帧并将其传输到第二个以太网端口。快速转发的方式可实现以太网帧小于 1 µs 的端口至端口延迟。

以太网控制自动化技术
Beckhoff Automation 发明的以太网控制自动化技术（EtherCAT），自 2003 年以来一直在 EtherCAT 技术集团旗下公司发展壮大。在技术方面，EtherCAT 是一种控制器和器件网络体系结构，如图 1 所示。EtherCAT 器件具有两个以太网连接器来支持简单的线路拓扑。一个 EtherCAT 网络可支持多达 65,535 个 EtherCAT 器件。

 

图 1：具有 EtherCAT 帧流的控制器和器件示例

只有 EtherCAT 控制器会生成 EtherCAT 帧；所有器件都接收并处理该帧，最后一个器件回送 EtherCAT 帧，而 EtherCAT 帧则会通过所有节点（无需进一步处理）返至控制器。EtherCAT 帧具有预留空间来处理每个节点的数据，并保持原帧长度。

EtherCAT 器件需要特定的以太网硬件（EtherCAT MAC）支持处理传入的 EtherCAT 帧。典型的实现方式是使用 ASIC 或 FPGA，如图 2 所示。这意味着在执行帧接收时，EtherCAT MAC 将处理 EtherCAT 帧。典型的 EtherCAT 节点在接收和发送的帧之间具有 1 µs 的端口到端口延迟。

 

图 2：带有 ASIC/FPGA 和外部处理器的 EtherCAT 器件

EtherCAT 器件的关键特性和功能包括：

• 分布式时钟——跨器件和控制器的精确时间同步方法。
• 快速链路断开检测（需要以太网物理层[PHY]收发器支持）具有回执功能——当诸如 DP83822 或 DP83826E 之类的以太网 PHY 检测到链路断开时，以太网 PHY 会通知 EtherCAT MAC，在不到 10 µs 的时间内，EtherCAT MAC 将回送 EtherCAT 帧。

当支持 EtherCAT 以及其他协议时，使用 ASIC 或 FPGA 会增加成本和电路板空间。另一种解决方案是使用 Sitara™处理器中的可编程实时单元工业通信子系统（PRU-ICSS）外设，工程师可使用同一种芯片方案支持多种工业以太网协议。

过程现场网络
过程现场网络（Profinet）是用于工厂自动化的领先工业以太网标准之一。Profinet 有不同版本，但本文重点介绍 Profinet 输入 / 输出（I/O）。

Profinet 在全双工 100 Mbps 以太网上运行，采用器件和控制器网络体系结构，如图 3 所示。它由一个接管网络中的 Profinet 控制器组成，输入 / 输出器件接管器件。Profinet 在网络拓扑方面极其灵活，使用集线器和交换机器件，包括线路拓扑、环形拓扑、星形拓扑或这些拓扑的组合。

 

图 3：自动化系统中的过程现场网络（来源：Profibus International)

多年来，Profinet 标准已基于市场需求不断发展为 A、B 和 C 等各种性能等级。每个性能等级都比下述等级增加了更多功能，这种方法使 Profinet 与先前的 Profinet 器件代级向后兼容。

让我们回顾一下每个性能等级的主要功能。

• 符合等级（CC）A（CC-A）：
• 实时以太网通信。
• 循环输入 / 输出。
• 参数配置。
• 警报。

大多数情况下，此性能等级在标准以太网 MAC 上可以实现，甚至无需两个以太网端口，一个 MAC 就已足够。

CC-B 与 CC-A 的功能相同，此外：

• 网络诊断。
• 拓扑检测。
• 系统冗余。

此版本的 Profinet 输入 / 输出还可在 1ms 范围内执行循环时间。

• CC-C 与 CC-B 和 CC-A 的功能相同，此外：
• 为特定 Profinet 帧保留的带宽，也称为等时同步实时（IRT）。
• 控制器和器件的时间同步。

尽管大多数应用的循环时间为 250 µs 或以下，但此版本的 Profinet 输入 / 输出支持的循环时间低至 31.25 µs，RT 版本需要专用的两端口工业以太网 MAC。

多协议
由于提供的工业协议数量众多，产品制造商尚未定义通用的工业以太网标准，呈碎片化。许多领先的制造商已定义一种特定的工业以太网标准来满足他们的需求，这些标准通常是从他们现有的基于串行的现场总线之一衍生出来的。

为产品添加工业以太网标准，并认证通信接口具有挑战性。大多数制造商需要支持多种工业以太网协议，以使用不同的标准将其设备出售给客户。为产品添加多种以太网标准的一种方法是为每个工业以太网标准创建单独的印刷电路板（PCB）模块，将其中一个模块插入主板。但是交换协议需要更改硬件，会使产品材料清单（BOM）更为复杂且需要生成多个 PCB 模块和多芯片源解决方案。

为解决这一问题，设计人员可使用诸如 Sitara™ Arm®处理器之类的产品，这些应用处理器具有集成的 PRU-ICSS，可运行多协议工业以太网。回顾本解决方案的主要区别和优势，可通过演示视频了解更多有关多协议支持的信息并获取软件。

PRU 在器件运行时加载工业以太网协议固件。有 PRU-ICSS 协议固件版本可用于 EtherCAT、Profinet、以太网 /IP、高可用性无缝冗余 - 并行冗余协议（HSR-PRP）；Sitara 处理器在处理器 SDK 中内设工业以太的网（CC-Link IE）Field basic 的控制和通信链路，无需任何 FPGA 或 ASIC。

协议固件执行诸如快速转发处理等实时关键任务。

PRU-ICSS 以及可扩展且功能强大的 Arm 内核（Cortex®-A8，A9，A15 或 A53，取决于 Sitara 处理器）可为工厂自动化产品构建单芯片解决方案，然后通过灵活交换 PRU-ICSS 固件在多个工业以太网标准中运行。除这些优势以及处理实时关键工业以太网处理任务的能力之外，PRU-ICSS 还具有：

• 消除了对外部 ASIC 和 FPGA 的需求。
• 减少 BOM 和 PCB 空间，并因此降低成本。
• 通过内部高速存储器总线接口实现 Arm 处理器之间的快速输入 / 输出数据交换。 

审核编辑：符乾江