以太網標準與驅動系統設計

因為多種原因，工業以太網已成為工廠自動化的主流技術。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應商系統中實現這一通信技術。本文從工廠自動化供應商開發從機系統的角度出發，介紹實現工業以太網的各種選擇，例如I/O模塊和驅動等從機系統。

　　這些OEM面臨的難題可以從查看機系統體系結構開始。供應商并非針對某一協議來設計從機系統，而必須支持可以在工廠中實現的任何標準，不能指定某一種協議，因此系統必須適應任何一種協議。

　　開發的從機協議新標準也有獨特的硬件特性，它們不能使用標準MAC實現。這些都直接影響對實現平臺的選擇。

　　以太網簡介

　　一開始，以太網——10 Mbps最初的以太網、100 Mbps的快速以太網，以及1 Gbps的千兆以太網，是在共享介質上在器件之間傳送信號，都不能適應工業應用。而快速以太網（100 Mbps）的出現，其交換模式支持全雙工功能，意味著可以在兩個器件之間構建點對點鏈接，使得以太網能夠用于大部分工業應用中。

　　但是，所有工業以太網協議都需要作出一定程度的判決，傳統上是通過使用軟件協議堆棧來解決的。一些新協議已經開始使用特殊MAC結構來實現更好的延時。圖1顯示了一些工業以太網協議的結構。

　　對速度的要求（或延時）

　　工廠自動化系統有實時響應要求。“實時”是什么？答案是取決于應用類型。有時候，按照數百毫秒來衡量，而有時候按照微秒來衡量。有不同的設計方法使得通信協議能夠滿足不同的延時要求。

　　圖1：工業以太網協議體系結構

　　如圖1所示，PHY層通常是獨立的模擬器件。但是，可以在數字邏輯器件中實現其他功能，由處理器針對協議棧以及定制應用來運行軟件。

　　而所有的工業以太網協議都需要特殊的軟件堆棧，某些新協議在MAC以及交換上使用獨特的非標準設計。

　　EtherCAT和Powerlink是兩種較新的協議，需要特殊的MAC設計。特別是EtherCAT使用了創新的方法，在一個以太網幀中封裝了更多的數據包。多個從機器件的數據被封裝到一個以太網幀中。當從機器件讀取以太網幀時，它必須為自己提取出數據包的內在含義，而忽略其他信息——更重要的是，它必須能夠“隨時”完成這一工作。當連接了很多從機器件時，也要滿足最低延時要求。典型的應用是運動控制以及多軸機器人驅動。

　　這一協議好的一面是，會引起一個幀延時而不是256幀延時（如果您是網絡上的第256個從機器件）。

　　為支持所選擇的協議，從機器件中的MAC設計不同于傳統的以太網MAC，是非標準的，需要FPGA或者ASIC特殊設計。圖2顯示了不同的實時要求是怎樣導致通信協議標準不同體系結構的。

　　從系統設計的角度看，如果您必須支持標準MAC實現以及特殊實現，那么，設計應包含MAC設計，或者是硬件可編程的。

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