|
工業以太網是指使用基于以太網的協議實現工業自動化和產品機械控制中實時可靠的通信，在車間底層控制器之間、車間之間，以及車間和辦公室之間通過互聯網實現通用平臺。由于這些協議在以太網物理層，即第1層上實現基于相同的IEEE 802.3標準，因此可以使用一個基于FPGA的平臺來支持不同的工業以太網協議，不論這些協議有怎樣的實時屬性和實現方法。 對于速度和實時性能要求非常高的協議，在硬件中以專用協議MAC的形式實現實時功能。而協議的其他功能由運行在嵌入式處理器中的軟件堆棧來完成，這些處理器可以是在 Cyclone III FPGA中實現的Nios II軟核處理器。 工業以太網發展狀況 圖1是來自ARC咨詢集團的市場數據。ARC預測在今后幾年內，工業以太網市場會出現強勁增長。其中，在2011年之前工業以太網器件和交換機銷售增長年度復合增長率將達到30％。 
圖1 ARC咨詢集團預測：今后5年中以太網現場器件和交換機年度復合增長將達到30% 目前的工業通信環境還不統一，有較多的競爭工業以太網標準和傳統的現場總線標準，很多解決方案采用了ASIC、ASSP和MCU來實現。這類硬件不是很靈活，需要針對用戶支持的每一種協議改變硬件和相應的軟件堆棧。 目前，有幾種開放標準工業以太網協議，包括EtherCAT、Ethernet IP、Modbus/TCP、PROFINET、Ethernet POWERLINK和SERCOS III。這些協議都可以使用單一硬件設計在FPGA中實現，使工程師能夠在一個支持多種協議標準的硬件平臺上進行標準化處理。 隨著時間的推移，越來越多的標準采用了基于FPGA的平臺。推動工業以太網在工廠自動化以及過程系統中應用的主要因素包括平臺的通用性和性能、辦公室和工廠信息集成以共享實時信息、降低總成本等。 工業以太網解決方案支持通用平臺，從而推動了辦公室和工廠集成，在底層控制器和車間管理之間建立鏈接，共享實時信息，實現迅速響應。同時還可以通過內聯網連接車間內部、車間之間以及車間和辦公室之間的實時和非實時系統，與對應的現場總線協議后向兼容，支持新系統和老系統之間的平臺操作。 開放協議標準簡化了設備實施和網絡通信，有助于工廠從多層現場總線過渡到單一的以太網，支持各種商用設備和電纜，即使工業以太網協議出現了變化，也可以重復使用這些設備和電纜。 通過定制網絡，支持多種拓撲，能夠在網絡中增加或者去掉器件，提供更多的控制功能，而且不會影響系統其他部分的工作，從而縮短了開發時間。 工業以太網基于穩定、成熟、可靠的以太網技術，降低了實施、維護和總的系統成本，從而實現了產品更迅速地面市，不需要ASIC、ASSP和MCU設計昂貴的專用解決方案，避免了硬件和軟件改動導致的高成本。 工業以太網體系結構 工業以太網協議可以分成三類體系結構（圖2）：A類、B類和C類協議標準。 A類使用標準以太網 TCP/IP，主要用于非實時信息層面的應用，例如工廠自動化、低速傳感器和HMI顯示等PLC應用。其典型的響應時間大約為100ms左右，或者更長。 EtherNet/IP、Modbus/TCP和PROFINET CBA是這一類中常見的以太網協議。 B類在標準以太網硬件之上使用定制軟件堆棧，提供適當的實時性能，響應時間小于10ms。B類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等協議。 C類在MAC層使用改進后的硬件，同時使用定制軟件來實現確定的快速實時性能，一般小于1ms，適用于器件級的精確運動控制等應用。EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III都是C類工業以太網協議的例子。C類體系結構的標準網絡流量帶寬小于A類體系結構。 為支持所有三類工業以太網體系結構，需要具有全面的可配置平臺能力，能夠同時改變硬件和軟件。 基于FPGA的以太網實現 傳統上，微控制器、ASIC或者ASSP一直用于實現現場總線和工業以太網解決方案。這些產品具有很高的性價比，當功能、協議標準和I/O固定不變，或者沒有硬件改變時，工作情況良好。然而由于工業網絡標準在不斷變化，而工業應用要求產品生命周期非常長，通常在10年以上，此時，這些產品便具有一定的局限性。每一個新的解決方案都需要對電路板進行重制，無數的軟件編程人員將代碼移植到新處理器和新平臺上，這是非常耗時的過程。 Altera Cyclone III系列等FPGA可以在同一平臺上將處理器功能和工業以太網協議與其他定制IP或者接口進行更新和集成。當工程師熟悉了Altera提供的 Quartus II和SOPC Builder等FPGA開發工具后，工作就會變得非常簡單。 圖3是支持工業以太網的典型應用的體系結構。所有工業以太網標準都基于IEEE 802.3以太網物理層。所以，在圖3的下部，PHY和總是相同的。在標準以太網應用中，可以在PHY之上采用標準介質訪問控制器或者MAC，對于非實時工業協議，這就是其典型的實現方式。
圖2 工業以太網分類
圖3 支持工業以太網的典型應用的體系結構 Ethernet IP、Modbus/TCP和Ethernet POWERLINK等協議應用了標準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MAC IP來支持這些協議。 對于EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III等有實時要求的協議，標準MAC就不能滿足要求了。在這種情況下，必須使用專用協議MAC。對于采用了Cyclone III等FPGA的設計，可以使用支持專用協議的MAC來替代標準MAC。某些協議還可能需要支持IEEE 1588功能，或加入集線器或者交換機以提高性能，增加環形保護等其他功能。 正確的應用這些硬件就可以接收任何工業以太網標準數據包。此時，用戶需要一個處理器來處理數據包、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現這些功能，在這類處理器上可以運行實時操作系統。 這種實現方法針對不同的堆棧，為工程師提供了一致的軟件平臺，在實現單芯片多標準解決方案時很容易對軟件進行支持和維護。現在，用戶可以通過任何工業以太網協議來發送和接收數據。 通過軟件API抽象出以太網鏈接接口是實現應用程序數據流的最佳方法，這樣，當改變工業以太網標準時，只需要很少的改動甚至不用改動就可以運行應用程序。在支持多標準時，節省了大量的時間和投入。軟件API通過雙端口RAM、串行I/O或者并行I/O進行通信。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，任何時候都能夠重新配置，支持對產品特性進行立即更新。這意味著可以在同一 Cyclone III FPGA上實現標準或者定制工業以太網MAC、DSP模塊以及其他定制邏輯和I/O接口，提高工業網絡產品的性能和接口能力。 基于Altera 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堆棧驅動軟件和其他功能。甚至還可以加入第二個處理器，以支持應用層軟件。而且，Ethernet IP和SERCOS III等工業以太網協議僅以IP的形式發布，允許使用FPGA來支持這些協議標準。這一方法提供了單一平臺，很容易滿足需求的變化。不必花費大量時間針對每一以太網協議導入軟件堆棧，在處理器上運行，而是使用現成的工具和軟件堆棧，支持所有的以太網標準。而且，在FPGA平臺上改動設計時，不需要針對每一新協議來設計新電路板。一塊電路板能夠支持多種工業以太網協議，從而減小了NIE的費用，降低了長期擁有成本。FPGA中實現的工業以太網協議能夠在不同的設計和FPGA器件系列之間進行移植，因此，下一代產品可以重新使用相同的IP。Altera及其合作伙伴所提供的工業以太網快速開發解決方案確保了較短的產品面市周期。靈活的FPGA支持在最終產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是設計用于自動交付、配置和集成IP模塊的工具，它采用了窗口類型的圖形開發環境，用戶可以在其中建立全部的CPU系統，甚至不需要寫入 HDL代碼。這樣，去掉了耗時的手動編碼過程，設計人員能夠將精力集中在優化解決方案上。 通過圖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。當用戶點擊這些IP模塊時，右側會打開一個配置窗口，從這里可以選擇需要的配置選項，加入到用戶的系統中。加入所需的 IP后，會看到所選的組件列在主窗口中，窗口左側是已經自動連接在一起的模塊。用戶可以隨時通過鼠標編輯它，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，只需要簡單的點擊底部的“Generate”按鈕，告訴SOPC Builder生成一個集成硬件模塊，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設計環境，并對系統進行編譯，建立HDL仿真模型或者FPGA配置文件。 嵌入式軟件開發流程 圖5是嵌入式軟件的開發流程圖。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，要花較長的時間來進行更新。由于SOPC Builder還生成含有所有硬件配置信息的文件，這樣，Nios II軟件開發環境就能夠實現定制軟件，建立專用硬件支持庫。這種庫含有系統需要的所有器件驅動以及硬件抽象層，即HAW，提取出訪問硬件的所有應用程序。如果改動硬件，軟件環境會探測到這些改變，在軟件工程中自動更新所有硬件設置和器件驅動。這種自動工具解決方案能夠幫助硬件和軟件工程師更迅速、簡單地修改設計，不會出錯。
圖4 SOPC builder窗口截圖
圖5 嵌入式軟件開發流程 問答選編 問：Altera是否已有現成完整的工業以太網相關IP可供使用? 答：Altera沒有工業以太網的IP核，只有通用以太網IP核。目前Altera的合作伙伴可以提供相關的工業以太網IP。 問： Cyclone Ⅲ FPGA是不是只能配置工業以太網協議，而對于其它的協議，例如arcnet、mvb協議等，支持其開發嗎？ 答：FPGA 屬于可編程器件，在資源允許的情況下可以支持，具體取決于相關的用戶設計。 問：SOPC Builder是否也需要不定時地升級lisense？ 答：SOPC不需要專門的license，會隨著QII版本更新。 問：Altera 有沒有相關的技術培訓資料可以下載？ 答：相關的工業以太網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。 |
