使用多协议工业以太网系统简化工厂自动化设计
【导读】传感器、执行器、驱动器和可编程逻辑控制器 (PLCs) 等工厂自动化设备支持多种工业以太网协议（例如 EtherCAT、Profinet、以太网工业协议 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每种协议均可通过在硬件平台上加载不同的软件映像进行替换。
传感器、执行器、驱动器和可编程逻辑控制器 (PLCs) 等工厂自动化设备支持多种工业以太网协议（例如 EtherCAT、Profinet、以太网工业协议 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每种协议均可通过在硬件平台上加载不同的软件映像进行替换。
多协议工业以太网系统可在硬件开发周期内降低制造成本，通过仅要求制造单个印刷电路板来降低物料清单成本，从而加快产品上市时间。制造商可以使用不同的工业以太网协议为工厂自动化提供现场设备，如数字输入模块或伺服驱动器。
诸如德州仪器的可编程实时单元工业通信子系统 (PRU-ICSS) 等架构，能够支持现场器件 1,000Mbps 的工业以太网速率，特别是在采用新的时间敏感型网络 (TSN) 协议的情况下。
工业以太网系统架构
图 1 展示了工业以太网现场器件中，与 PLC 和其他现场器件交换过程数据的主要元件。其中，两个以太网端口支持线型或环型以太网拓扑，这表示 PLC 通过以太网电缆连接到一系列现场器件，无需以太网交换机。
图 1：工业以太网现场器件系统方框图
从 RJ45 连接器上，介质相关接口 (MDI) 连接到磁性元件，这些磁性元件在以太网帧到达以太网物理层 (PHY) 收发器之前提供与其他器件的隔离栅。
PHY 将以太网帧进行模数转换（接收器）和数模转换（发送器），并通过介质独立接口 (MII)、简化千兆位介质独立接口 (RGMII) 或串行千兆位介质独立接口 (SGMII) 输出数字比特流。
PHY 在工业以太网中发挥着重要的作用，其重要性与介质访问控制器 (MAC) 相当。PHY 必须支持不同线对（用于 T1 单线对以太网的单线对、用于 100Mbps 以太网的双线对和用于 1,000Mbps 以太网的四线对）的铜介质，具体取决于 MDI。部分工业以太网网络还支持光纤，光纤具有更好的电磁兼容性 (EMC) 并能在严苛的工业环境中更好地抵御电磁干扰。
接下来，以太网字节流通过 MII 进入 MAC。MAC 负责工业以太网协议，是用于实现多协议工业以太网支持的重要功能块。
由于每种工业以太网协议在提取和插入过程数据时处理工业以太网帧的方式各异，MAC 处理方法必须针对每种协议进行变化。MAC 等应用特定集成电路解决方案通常固定为使用单个协议，不具备多协议能力。支持多协议的 MAC 必须支持多种以太网帧处理方法，例如动态处理、直通转发、帧抢占以及存储转发。
MAC 可通过接口将来自 PLC 的过程数据传输到中央处理单元 (CPU)。如果 MAC 是物理上独立的器件，该接口速率较低（串行外设接口 (SPI) 或 I2C，或者存储器映射外部总线）。如果 MAC 与 CPU 集成，共享高速存储器提供该接口并在 MAC 和 CPU 之间同步过程数据。
CPU 执行多种任务。每种工业以太网协议均需要一个软件栈来与 MAC 进行交互，以便交换过程数据。现场器件使用此过程数据来控制数字输入和输出或控制伺服驱动器的速度和旋转。
如果系统包含多个 CPU，通常的做法是将工作负载进行拆分，其中工业以太网栈运行在其自身的 CPU 上，工业应用运行在其他 CPU 上。
可以在 CPU 内核上运行不同种类的操作系统 (OS)：高级操作系统（例如 Linux 或实时 Linux）或实时操作系统 (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。
用于多协议工业以太网的德州仪器 Sitara?系列解决方案和德州仪器以太网 PHY
德州仪器Sitara?处理器系列支持可编程 MAC 以及与其集成的 PRU-ICSS 外设。PRU 在运行时加载任一工业以太网协议固件。Sitara AM6442 如图 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 协议，例如 TSN。PRU-ICSS 还充当标准以太网 MAC 和两端口以太网交换机。
图 2：用于实现多协议工业以太网支持的 Sitara AM6442 处理器解决方案和 PRU-ICSS
德州仪器 Sitara?处理器系列能够支持 PRU-ICSS 的多个实例，从而支持位置编码器（EnDAT 2.2、HIPERFACE 数字伺服链路 [DSL]、双向串行同步 [BiSS]）、脉宽调制 (PWM) 以及用于外部隔离式模数转换器的 Δ-Σ 抽取滤波器等工业外设。伺服驱动器使用这些外设。
德州仪器 Sitara?处理器还集成工业应用使用的多种功能，包括 ADC、SPI、I2C 和通用存储器控制器。片上系统还具有内部共享存储器，用于在 MAC 和 CPU 之间交换过程数据。
如图 3 所示，德州仪器 Sitara?处理器系列具有适用于高级操作系统 (HLOS) 的多个 Arm?Cortex?-A53 内核，适用于 RTOS 或裸机应用的多个 Arm Cortex-R5F 内核以及适用于工业以太网 MAC 的 PRU-ICSS。
图 3：使用 RTOS、HLOS 和固件的多核处理
通过集成可编程 MAC 的方法，支持多协议工业以太网所需的不同帧处理方法，并且将应用处理器置于单个芯片上。通过内部高速存储器接口，可实现处理器和 MAC 之间过程数据的快速交换，并且该系列提供可扩展的处理器内核。
德州仪器提供了适用于 Sitara?处理器系列的评估模块 (EVM) 以及使用 DP83867 或 DP83869 以太网 PHY 收发器的以太网 PHY 解决方案。
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