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工業(yè)以太網(wǎng)是指使用基于以太網(wǎng)的協(xié)議實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化和產(chǎn)品機械控制中實(shí)時(shí)可靠的通信，在車(chē)間底層控制器之間、車(chē)間之間，以及車(chē)間和辦公室之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現通用平臺。由于這些協(xié)議在以太網(wǎng)物理層，即第1層上實(shí)現基于相同的IEEE 802.3標準，因此可以使用一個(gè)基于FPGA的平臺來(lái)支持不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，不論這些協(xié)議有怎樣的實(shí)時(shí)屬性和實(shí)現方法。 對于速度和實(shí)時(shí)性能要求非常高的協(xié)議，在硬件中以專(zhuān)用協(xié)議MAC的形式實(shí)現實(shí)時(shí)功能。而協(xié)議的其他功能由運行在嵌入式處理器中的軟件堆棧來(lái)完成，這些處理器可以是在 Cyclone III FPGA中實(shí)現的Nios II軟核處理器。 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展狀況 圖1是來(lái)自ARC咨詢(xún)集團的市場(chǎng)數據。ARC預測在今后幾年內，工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)會(huì )出現強勁增長(cháng)。其中，在2011年之前工業(yè)以太網(wǎng)器件和交換機銷(xiāo)售增長(cháng)年度復合增長(cháng)率將達到30％。 
圖1 ARC咨詢(xún)集團預測：今后5年中以太網(wǎng)現場(chǎng)器件和交換機年度復合增長(cháng)將達到30% 目前的工業(yè)通信環(huán)境還不統一，有較多的競爭工業(yè)以太網(wǎng)標準和傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，很多解決方案采用了ASIC、ASSP和MCU來(lái)實(shí)現。這類(lèi)硬件不是很靈活，需要針對用戶(hù)支持的每一種協(xié)議改變硬件和相應的軟件堆棧。 目前，有幾種開(kāi)放標準工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括EtherCAT、Ethernet IP、Modbus/TCP、PROFINET、Ethernet POWERLINK和SERCOS III。這些協(xié)議都可以使用單一硬件設計在FPGA中實(shí)現，使工程師能夠在一個(gè)支持多種協(xié)議標準的硬件平臺上進(jìn)行標準化處理。 隨著(zhù)時(shí)間的推移，越來(lái)越多的標準采用了基于FPGA的平臺。推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)在工廠(chǎng)自動(dòng)化以及過(guò)程系統中應用的主要因素包括平臺的通用性和性能、辦公室和工廠(chǎng)信息集成以共享實(shí)時(shí)信息、降低總成本等。 工業(yè)以太網(wǎng)解決方案支持通用平臺，從而推動(dòng)了辦公室和工廠(chǎng)集成，在底層控制器和車(chē)間管理之間建立鏈接，共享實(shí)時(shí)信息，實(shí)現迅速響應。同時(shí)還可以通過(guò)內聯(lián)網(wǎng)連接車(chē)間內部、車(chē)間之間以及車(chē)間和辦公室之間的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)系統，與對應的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議后向兼容，支持新系統和老系統之間的平臺操作。 開(kāi)放協(xié)議標準簡(jiǎn)化了設備實(shí)施和網(wǎng)絡(luò )通信，有助于工廠(chǎng)從多層現場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)渡到單一的以太網(wǎng)，支持各種商用設備和電纜，即使工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議出現了變化，也可以重復使用這些設備和電纜。 通過(guò)定制網(wǎng)絡(luò )，支持多種拓撲，能夠在網(wǎng)絡(luò )中增加或者去掉器件，提供更多的控制功能，而且不會(huì )影響系統其他部分的工作，從而縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。 工業(yè)以太網(wǎng)基于穩定、成熟、可靠的以太網(wǎng)技術(shù)，降低了實(shí)施、維護和總的系統成本，從而實(shí)現了產(chǎn)品更迅速地面市，不需要ASIC、ASSP和MCU設計昂貴的專(zhuān)用解決方案，避免了硬件和軟件改動(dòng)導致的高成本。 工業(yè)以太網(wǎng)體系結構 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以分成三類(lèi)體系結構（圖2）：A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)協(xié)議標準。 A類(lèi)使用標準以太網(wǎng) TCP/IP，主要用于非實(shí)時(shí)信息層面的應用，例如工廠(chǎng)自動(dòng)化、低速傳感器和HMI顯示等PLC應用。其典型的響應時(shí)間大約為100ms左右，或者更長(cháng)。 EtherNet/IP、Modbus/TCP和PROFINET CBA是這一類(lèi)中常見(jiàn)的以太網(wǎng)協(xié)議。 B類(lèi)在標準以太網(wǎng)硬件之上使用定制軟件堆棧，提供適當的實(shí)時(shí)性能，響應時(shí)間小于10ms。B類(lèi)適合低精度電機控制和遠程I/O通信等應用，涉及到Ethernet Powerlink和PROFINET RT等協(xié)議。 C類(lèi)在MAC層使用改進(jìn)后的硬件，同時(shí)使用定制軟件來(lái)實(shí)現確定的快速實(shí)時(shí)性能，一般小于1ms，適用于器件級的精確運動(dòng)控制等應用。EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III都是C類(lèi)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的例子。C類(lèi)體系結構的標準網(wǎng)絡(luò )流量帶寬小于A(yíng)類(lèi)體系結構。 為支持所有三類(lèi)工業(yè)以太網(wǎng)體系結構，需要具有全面的可配置平臺能力，能夠同時(shí)改變硬件和軟件。 基于FPGA的以太網(wǎng)實(shí)現 傳統上，微控制器、ASIC或者ASSP一直用于實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。這些產(chǎn)品具有很高的性?xún)r(jià)比，當功能、協(xié)議標準和I/O固定不變，或者沒(méi)有硬件改變時(shí)，工作情況良好。然而由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準在不斷變化，而工業(yè)應用要求產(chǎn)品生命周期非常長(cháng)，通常在10年以上，此時(shí)，這些產(chǎn)品便具有一定的局限性。每一個(gè)新的解決方案都需要對電路板進(jìn)行重制，無(wú)數的軟件編程人員將代碼移植到新處理器和新平臺上，這是非常耗時(shí)的過(guò)程。 Altera Cyclone III系列等FPGA可以在同一平臺上將處理器功能和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與其他定制IP或者接口進(jìn)行更新和集成。當工程師熟悉了Altera提供的 Quartus II和SOPC Builder等FPGA開(kāi)發(fā)工具后，工作就會(huì )變得非常簡(jiǎn)單。 圖3是支持工業(yè)以太網(wǎng)的典型應用的體系結構。所有工業(yè)以太網(wǎng)標準都基于IEEE 802.3以太網(wǎng)物理層。所以，在圖3的下部，PHY和總是相同的。在標準以太網(wǎng)應用中，可以在PHY之上采用標準介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器或者M(jìn)AC，對于非實(shí)時(shí)工業(yè)協(xié)議，這就是其典型的實(shí)現方式。
圖2 工業(yè)以太網(wǎng)分類(lèi)
圖3 支持工業(yè)以太網(wǎng)的典型應用的體系結構 Ethernet IP、Modbus/TCP和Ethernet POWERLINK等協(xié)議應用了標準MAC，因此，可以只修改運行在Nios II處理器上的軟件堆棧，使用相同的以太網(wǎng)MAC IP來(lái)支持這些協(xié)議。 對于EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III等有實(shí)時(shí)要求的協(xié)議，標準MAC就不能滿(mǎn)足要求了。在這種情況下，必須使用專(zhuān)用協(xié)議MAC。對于采用了Cyclone III等FPGA的設計，可以使用支持專(zhuān)用協(xié)議的MAC來(lái)替代標準MAC。某些協(xié)議還可能需要支持IEEE 1588功能，或加入集線(xiàn)器或者交換機以提高性能，增加環(huán)形保護等其他功能。 正確的應用這些硬件就可以接收任何工業(yè)以太網(wǎng)標準數據包。此時(shí)，用戶(hù)需要一個(gè)處理器來(lái)處理數據包、管理通信功能。在FPGA中采用Nios II處理器內核等軟核處理器很容易實(shí)現這些功能，在這類(lèi)處理器上可以運行實(shí)時(shí)操作系統。 這種實(shí)現方法針對不同的堆棧，為工程師提供了一致的軟件平臺，在實(shí)現單芯片多標準解決方案時(shí)很容易對軟件進(jìn)行支持和維護�，F在，用戶(hù)可以通過(guò)任何工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)發(fā)送和接收數據。 通過(guò)軟件API抽象出以太網(wǎng)鏈接接口是實(shí)現應用程序數據流的最佳方法，這樣，當改變工業(yè)以太網(wǎng)標準時(shí)，只需要很少的改動(dòng)甚至不用改動(dòng)就可以運行應用程序。在支持多標準時(shí)，節省了大量的時(shí)間和投入。軟件API通過(guò)雙端口RAM、串行I/O或者并行I/O進(jìn)行通信。應用軟件可以運行在外部處理器或者FPGA內部的另一Nios處理器上。 FPGA硬件提供靈活的平臺，任何時(shí)候都能夠重新配置，支持對產(chǎn)品特性進(jìn)行立即更新。這意味著(zhù)可以在同一 Cyclone III FPGA上實(shí)現標準或者定制工業(yè)以太網(wǎng)MAC、DSP模塊以及其他定制邏輯和I/O接口，提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品的性能和接口能力。 基于A(yíng)ltera FPGA的解決方案和硬件/軟件設計工具能夠設計并集成工程師所需要的一切功能。嵌入在FPGA中的Nios II軟核處理器可以用于運行以太網(wǎng)堆棧驅動(dòng)軟件和其他功能。甚至還可以加入第二個(gè)處理器，以支持應用層軟件。而且，Ethernet IP和SERCOS III等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議僅以IP的形式發(fā)布，允許使用FPGA來(lái)支持這些協(xié)議標準。這一方法提供了單一平臺，很容易滿(mǎn)足需求的變化。不必花費大量時(shí)間針對每一以太網(wǎng)協(xié)議導入軟件堆棧，在處理器上運行，而是使用現成的工具和軟件堆棧，支持所有的以太網(wǎng)標準。而且，在FPGA平臺上改動(dòng)設計時(shí)，不需要針對每一新協(xié)議來(lái)設計新電路板。一塊電路板能夠支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，從而減小了NIE的費用，降低了長(cháng)期擁有成本。FPGA中實(shí)現的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議能夠在不同的設計和FPGA器件系列之間進(jìn)行移植，因此，下一代產(chǎn)品可以重新使用相同的IP。Altera及其合作伙伴所提供的工業(yè)以太網(wǎng)快速開(kāi)發(fā)解決方案確保了較短的產(chǎn)品面市周期。靈活的FPGA支持在最終產(chǎn)品中應用早期工程工作，設計人員可以在最后一刻更改設計，避免PCB重制。 SOPC Builder軟件工具 SOPC Builder是設計用于自動(dòng)交付、配置和集成IP模塊的工具，它采用了窗口類(lèi)型的圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以在其中建立全部的CPU系統，甚至不需要寫(xiě)入 HDL代碼。這樣，去掉了耗時(shí)的手動(dòng)編碼過(guò)程，設計人員能夠將精力集中在優(yōu)化解決方案上。 通過(guò)圖4，可以看到SOPC Builder窗口以及集成到設計中的Altera IP、第三方IP和硬件模塊列表。當用戶(hù)點(diǎn)擊這些IP模塊時(shí)，右側會(huì )打開(kāi)一個(gè)配置窗口，從這里可以選擇需要的配置選項，加入到用戶(hù)的系統中。加入所需的 IP后，會(huì )看到所選的組件列在主窗口中，窗口左側是已經(jīng)自動(dòng)連接在一起的模塊。用戶(hù)可以隨時(shí)通過(guò)鼠標編輯它，重新配置IP組件或者鏈接，為其應用建立理想的系統。完成系統后，只需要簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊底部的“Generate”按鈕，告訴SOPC Builder生成一個(gè)集成硬件模塊，它含有設計人員所選擇的所有IP以及從GUI中選擇的配置和鏈接。SOPC Builder生成完整的設計，將其交給Quartus II設計環(huán)境，并對系統進(jìn)行編譯，建立HDL仿真模型或者FPGA配置文件。 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程 圖5是嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)流程圖。如果是硬件設計人員，那么不需要很大的投入就可以不斷修改設計，實(shí)現最佳系統。但是，如果是軟件工程師，在典型的硬件/軟件集成過(guò)程中所面臨的挑戰是必須跟上不斷變化的處理器平臺。與修改FPGA和Nios II處理器配置相比，軟件更新需要做很多工作，要花較長(cháng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行更新。由于SOPC Builder還生成含有所有硬件配置信息的文件，這樣，Nios II軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境就能夠實(shí)現定制軟件，建立專(zhuān)用硬件支持庫。這種庫含有系統需要的所有器件驅動(dòng)以及硬件抽象層，即HAW，提取出訪(fǎng)問(wèn)硬件的所有應用程序。如果改動(dòng)硬件，軟件環(huán)境會(huì )探測到這些改變，在軟件工程中自動(dòng)更新所有硬件設置和器件驅動(dòng)。這種自動(dòng)工具解決方案能夠幫助硬件和軟件工程師更迅速、簡(jiǎn)單地修改設計，不會(huì )出錯。
圖4 SOPC builder窗口截圖
圖5 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程 問(wèn)答選編 問(wèn)：Altera是否已有現成完整的工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)IP可供使用? 答：Altera沒(méi)有工業(yè)以太網(wǎng)的IP核，只有通用以太網(wǎng)IP核。目前Altera的合作伙伴可以提供相關(guān)的工業(yè)以太網(wǎng)IP。 問(wèn)： Cyclone Ⅲ FPGA是不是只能配置工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而對于其它的協(xié)議，例如arcnet、mvb協(xié)議等，支持其開(kāi)發(fā)嗎？ 答：FPGA 屬于可編程器件，在資源允許的情況下可以支持，具體取決于相關(guān)的用戶(hù)設計。 問(wèn)：SOPC Builder是否也需要不定時(shí)地升級lisense？ 答：SOPC不需要專(zhuān)門(mén)的license，會(huì )隨著(zhù)QII版本更新。 問(wèn)：Altera 有沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)培訓資料可以下載？ 答：相關(guān)的工業(yè)以太網(wǎng)的材料請參考以下的鏈接：http://www.altera.com /end-markets/industrial/automation/ethernet/ind-ethernet.html?GSA_pos=1&WT.oss_r=1&WT.oss=Industrial Ethernet。 |
