如何选择合适的工业以太网标准

电子设计 2021-11-23 2523

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Other Parts Discussed in Post： TIDEP0010， TMDSICE3359

客户和同事经常向笔者问及工业以太网的用途（它在哪里使用），尤其频繁问及许多不同工业以太网标准的优势。

这个全新的博客系列主要面向那些决定在自己系统中使用工业以太网的设计人员。笔者将谈论几种常见的工业以太网通信协议。这可能会帮您更好地选择最适合您应用的标准。

工业以太网适用于工厂自动化与控制、流程自动化、楼宇自动化以及许多其它工业应用。和标准以太网相比，工业以太网的优势之一就是确定性实时数据交换和不到1ms的同步周期时间。

有超过20种工业以太网协议被作为标准进行了部署并在工业应用中使用：这些包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP和以太网Powerlink。为什么会有如此多的标准可供选择？原因是工业设备的每家制造商似乎都知道要求通过以太网进行实时数据交换更好一些，并已根据它们对过去串行现场总线领域的了解制定了自己的标准。

您无法通过标准以太网介质访问控制（MAC）来实施大多数工业以太网标准；它们需要应用专用集成电路（ASIC）或专门的现场可编程门阵列（FPGA）。这是因为以太网帧是被即时（也称为“用捷径法”）接收的，意思是：当在第一个以太网端口接收到该帧时，该帧已得到处理并由专用工业以太网MAC硬件块传输到了第二个以太网端口。采用捷径法，可为以太网帧实现不到1μs的端口到端口延迟。

另一方面，标准以太网MAC采用存储和转发的方法。首先必须接收到完整的以太网帧，然后以太网MAC才能接着对该帧进行任何处理或转发。这会为该帧增加抖动和延迟，所以对工业设备制造而言它不是一个很好的选择。

可编程实时单元和工业通信子系统（PRU-ICSS）能提供极大的灵活性，以支持各种工业以太网协议，但这些内容笔者想以后再详加讨论。

Sercos已在工厂自动化应用（适合机械工程和建筑）领域风靡了25年。Sercos III是第三代协议，制定于2003年。这种具有高效性和确定性的通信协议可将Sercos接口的实时数据交换与以太网相融合。迄今为止，Sercos III技术集成只在FPGA中实施过。

一个Sercos III主器件可控制多个Sercos III从属器件（如驱动器、传感器以及模拟和数字I/O器件） —— 图1展示了这种情况。一个主器件可控制多达511个从属器件。

Sercos III的一个关键优势是它支持线型拓扑结构旁的环型拓扑结构。如果以太网线缆发生故障，那么Sercos III网络可切换到线型拓扑结构，使主器件能继续与网络中的所有从属器件进行通信。一旦以太网线缆已修复，主器件就可以把Sercos III网络从线型拓扑结构切换到环型拓扑结构。

该通信协议是时分多路复用的，如图2所示。在一个Sercos III通信周期内有一个专用于实时Sercos III帧、被称为实时（RT）通道的时间片。在这个时间片中，主器件和从属器件能交换在可编程逻辑控制器（PLC）内使用的进程数据。在被称为统一通信通道（UCC）的第二个时间片中，网络内的所有器件（主器件和从属器件）均可交换标准的互联网协议（IP）报文。UCC能用来交换Web服务器的信息，借助简单文件传输协议（TFTP）来更新器件软件，或为基于IP的应用（任何种类）传输以太网帧。

将FPGA用于Sercos III会增加成本和电路板占用空间。可消除成本增加因素的一个替代解决方案是使用PRU-ICSS —— 在许多TI Sitara™处理器中均可用的一种外设。例如，TI为AM335x处理器提供了PRU-ICSS固件，无需使用外部FPGA即可启用Sercos III从属器件。您可使用在图3中所见的TMDSICE3359评估板来对该解决方案进行评估。此外，通过访问TI Designs Sercos III通信开发平台（TIDEP0010），您还能找到更多有关Sercos III解决方案的信息。

笔者希望这篇博客文章可使人对Sercos III的功能有一些了解。如果您想知道哪种工业以太网标准最适合您的应用，那么务请密切关注这个关于工业以太网的博客系列，并了解更多与其它工业以太网标准相关的信息。

编辑：jq

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