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。

　　圖2：不同的實時要求導致不同的實現

　　關鍵趨勢影響了系統設計

　　驅動和I/O模塊（工廠自動化中典型的從機器件）的第一個發展趨勢是通信功能的深度嵌入，這是由于系統成本下降、外形減小以及功耗預算降低等因素造成的。

　　過去，客戶花費數百美元來購買商用通信模塊，然后將其加入到驅動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用于小外形封裝驅動設計。

　　另一替代方案是包括單獨的ASSP專用于實現通信功能。由于不同的客戶會使用不同的工業以太網標準，因此，這種ASSP可能會被過度設計，以支持多種協議。

　　但是，供應商希望將他們所有的數字驅動功能集成到一個硅片中，要求通信協議功能規模不大，能夠作為整個“芯片驅動”設計的組成部分來實現。

　　圖3顯示了工業以太網功能實現的轉變。

　　圖3：從模塊到器件，到芯片集成功能

　　第二個趨勢是工業以太網標準的快速發展。與現場總線協議相似，有很多類型的工業以太網協議，最重要的是，這些標準并沒有在市場上合并。

　　驅動系統供應商必須能夠支持6到8個標準，才能將其產品銷售到全球不同的工廠中。例如，如果您希望在亞洲和歐洲同時銷售您的驅動設備，同時適應EtherCAT和Ethernet Powerlink，那么，您需要：

　　· 設計、開發，并維持兩組驅動設計

　　或者

　　· 包括ASSP以支持多種協議——希望協議不會變化

　　或者

　　· 使用可編程平臺

　　表1列出了流行于全世界的某些競爭以太網標準。

　　表1：出現了競爭以太網標準，基于底層現場總線協議

　　過去，當工業以太網標準使用標準MAC/交換機時，很容易采用MPU進行通信。如果您需要支持新標準，您只需要交換協議棧（軟件）。但是，正如前面所討論的，很多新標準需要特殊的MAC實現。

　　很顯然，應對這些新標準時，在標準MPU上采用標準以太網MAC和交換機對通信協議進行標準化處理是不夠的。

　　某些MPU供應商開發了創新方法，例如開發專用嵌入式處理器使用的定制微代碼，用于仿真非標準MAC。但是，編寫專用RISC引擎定制微代碼來仿真硬件MAC并不是實現或者更新邏輯設計最直接簡單的方法。

　　需要特殊MAC實現的協議通常采用定制硬件方法，取決于產量以及要求的價格點而使用ASIC或者FPGA。而且，MAC設計總是有可能隨著標準的發展而改變。為保證您的設計今后不會過時，采用可編程方法是最安全的。

　　另一考慮是可能向千兆以太網發展。由于幾乎所有的FPGA都支持千兆以太網，即使標準開始向高于1 Gbps速率發展，經過深思熟慮的系統設計也需要新的FPGA編程文件來支持這類標準的發展。

　　在可編程架構中以深度嵌入的功能來實現工業以太網使您不僅能夠以相同的硬件靈活的支持多種協議，而且還受益于高度集成的設計——功耗、成本和外形封裝。

　　未來是芯片驅動

　　FPGA現在不僅僅可以處理簡單的接口邏輯和橋接功能，而且還可以實現嵌入式處理功能，因此，芯片驅動（圖4）的可行性越來越高。這一特性支持傳統FPGA功能與驅動控制環以及通信協議功能的集成。

　　由于可以采用單芯片實現驅動系統的數字功能，因此，工業以太網成為集成到FPGA中眾多的功能模塊中的一個。

　　圖4：芯片驅動系統設計降低了BOM成本，減小了外形

　　結論

　　與很多其他通信功能相似，工業以太網的實現已經從模塊轉向器件，進而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發展趨勢，因為系統供應商很難針對成本、功耗、外形封裝等因素來優化他們的設計。

　　工業以太網獨特的一面是，大量的全球標準，需要從機模塊供應商支持多種標準。支持8到10種不同標準，而且在這些從機產品生命周期中不斷適應任何標準更新的唯一高性價比方法是在同時具備硬件和軟件可編程能力的器件中實現您的設計。

　　采用這類器件，系統供應商能夠支持各種工業以太網，使用了標準MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制MAC設計和特殊軟件堆棧的工業以太網協議。而且，使用相同的硬件，能夠適應一般的軟件堆棧更新和不太經常的硬件更新。