如何快速選擇工業以太網標準之串行實時通信協議

　　工業以太網適用于工廠自動化與控制、流程自動化、樓宇自動化以及許多其它工業應用。和標準以太網相比，工業以太網的優勢之一就是確定性實時數據交換和不到1ms的同步周期時間。

　　有超過20種工業以太網協議被作為標準進行了部署并在工業應用中使用：這些包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP和以太網Powerlink.為什么會有如此多的標準可供選擇？原因是工業設備的每家制造商似乎都知道要求通過以太網進行實時數據交換更好一些，并已根據它們對過去串行現場總線領域的了解制定了自己的標準。

　　無法通過標準以太網介質訪問控制（MAC）來實施大多數工業以太網標準；它們需要應用專用集成電路（ASIC）或專門的現場可編程門陣列（FPGA）。這是因為以太網幀是被即時（也稱為“用捷徑法”）接收的，意思是：當在第一個以太網端口接收到該幀時，該幀已得到處理并由專用工業以太網MAC硬件塊傳輸到了第二個以太網端口。采用捷徑法，可為以太網幀實現不到1μs的端口到端口延遲。

　　另一方面，標準以太網MAC采用存儲和轉發的方法。首先必須接收到完整的以太網幀，然后以太網MAC才能接著對該幀進行任何處理或轉發。這會為該幀增加抖動和延遲，所以對工業設備制造而言它不是一個很好的選擇。

　　可編程實時單元和工業通信子系統（PRU-ICSS）能提供極大的靈活性，以支持各種工業以太網協議，但這些內容以后再詳加討論。

　　Sercos已在工廠自動化應用（適合機械工程和建筑）領域風靡了25年。Sercos III是第三代協議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協議可將Sercos接口的實時數據交換與以太網相融合。迄今為止，Sercos III技術集成只在FPGA中實施過。

　　一個Sercos III主器件可控制多個Sercos III從屬器件（如驅動器、傳感器以及模擬和數字I/O器件）——圖1展示了這種情況。一個主器件可控制多達511個從屬器件。

　　圖1：范例性Sercos III網絡環型拓撲結構

　　Sercos III的一個關鍵優勢是它支持線型拓撲結構旁的環型拓撲結構。如果以太網線纜發生故障，那么Sercos III網絡可切換到線型拓撲結構，使主器件能繼續與網絡中的所有從屬器件進行通信。一旦以太網線纜已修復，主器件就可以把Sercos III網絡從線型拓撲結構切換到環型拓撲結構。

　　該通信協議是時分多路復用的，如圖2所示。在一個Sercos III通信周期內有一個專用于實時Sercos III幀、被稱為實時（RT）通道的時間片。在這個時間片中，主器件和從屬器件能交換在可編程邏輯控制器（PLC）內使用的進程數據。在被稱為統一通信通道（UCC）的第二個時間片中，網絡內的所有器件（主器件和從屬器件）均可交換標準的互聯網協議（IP）報文。UCC能用來交換Web服務器的信息，借助簡單文件傳輸協議（TFTP）來更新器件軟件，或為基于IP的應用（任何種類）傳輸以太網幀。

　　圖2：Sercos III時分多路復用通信周期

　　將FPGA用于Sercos III會增加成本和電路板占用空間。可消除成本增加因素的一個替代解決方案是使用PRU-ICSS——在許多TI Sitara處理器中均可用的一種外設。例如，TI為AM335x處理器提供了PRU-ICSS固件，無需使用外部FPGA即可啟用Sercos III從屬器件。可使用在圖3中所見的TMDSICE3359評估板來對該解決方案進行評估。

　　圖3：適用于Sercos III的TMDSICE3359工業通信開發平臺