以太網(wǎng)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)地位使其在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在整個(gè)企業(yè)中使用單核協(xié)議可以使數(shù)據(jù)從工廠無(wú)縫地流向業(yè)務(wù)部門，從而可以更有效地管理生產(chǎn)計(jì)劃，最大限度地降低庫(kù)存成本并優(yōu)化維護(hù)操作。

以太網(wǎng)不是為然而，工廠車間以及標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的主要缺點(diǎn)是它無(wú)法提供許多工業(yè)應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)響應(yīng)，例如過(guò)程和電機(jī)控制。幾十年來(lái)，諸如CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))和PROFIBUS(過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線)之類的確定性協(xié)議主導(dǎo)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。盡管這些協(xié)議仍然保持著相當(dāng)大的市場(chǎng)份額，但幾年前以太網(wǎng)變體開始出現(xiàn)，提供了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)所缺乏的實(shí)時(shí)性能。

為了合理化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的非生產(chǎn)性多樣性，2001年開放設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)(OVDA)的成立是為了創(chuàng)建和維護(hù)通用工業(yè)協(xié)議(CIP)以確保某種程度的兼容性。從那時(shí)起，包括EtherNet/IP，DeviceNet，ControlNet和CompoNet在內(nèi)的多種協(xié)議已在其協(xié)議棧的上層實(shí)現(xiàn)了CIP?，F(xiàn)在有數(shù)百家供應(yīng)商支持CIP。

EtherNet/IP是CIP在IEEE 802.3定義的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的名稱。 EtherNet/IP中的“IP”代表工業(yè)協(xié)議。

EtherNet/IP技術(shù)

圖1顯示了如何使用CIP實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。來(lái)自頂層CIP塊的紅色箭頭定義了通過(guò)UDP進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的路徑。綠色箭頭顯示標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3以太網(wǎng)的路徑?？傊?，它們包含EtherNet/IP?？梢允褂矛F(xiàn)有的TCP/IP堆棧開發(fā)產(chǎn)品，或者在工業(yè)應(yīng)用中，可以簡(jiǎn)單地修改現(xiàn)有的Modbus接口以與PLC通信。

圖1：CIP完全兼容以太網(wǎng)和Internet協(xié)議(由開放設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)提供)。面向?qū)ο蟮木幊棠Ｐ?/p>

CIP使用對(duì)象模型來(lái)簡(jiǎn)化軟件開發(fā)。在應(yīng)用層中定義了與公共接口和行為相關(guān)的一組對(duì)象和設(shè)備配置文件。 CIP使用三類對(duì)象：應(yīng)用程序?qū)ο?，它定義表示設(shè)備數(shù)據(jù)的方法;定義以太網(wǎng)/IP特定功能的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象以及如何配置IP地址等參數(shù);和通信對(duì)象，它們創(chuàng)建了建立通信關(guān)聯(lián)和訪問(wèn)設(shè)備數(shù)據(jù)和服務(wù)的方法。

CIP網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備之間的端到端通信由CIP通信服務(wù)處理。由于EtherNet/IP將CIP通信服務(wù)映射到以太網(wǎng)和TCP/IP，因此可確保多廠商互操作性。

EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)的組件

每個(gè)EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)包含四個(gè)與OSI模型對(duì)應(yīng)的層。它們?nèi)缦拢?/p>

物理層(PHY)。只要支持100 Mbit/s數(shù)據(jù)速率，就可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)(雙絞銅線或光纖)。

數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)包從設(shè)備傳輸?shù)皆O(shè)備并包含以太網(wǎng)/IP MAC，可以通過(guò)ASIC，F(xiàn)PGA或運(yùn)行高速固件的定制硬件實(shí)現(xiàn)。

會(huì)話/傳輸層，處理TCP/IP以及真實(shí)的UDP/IP時(shí)間消息。 CIP對(duì)象定義也在此層中以啟用與應(yīng)用程序?qū)拥耐ㄐ拧?/p>

應(yīng)用程序?qū)?。在?jié)點(diǎn)內(nèi)部，應(yīng)用程序可以在硬件上運(yùn)行，也可以由嵌入式CPU實(shí)現(xiàn)的硬件/軟件組合運(yùn)行。當(dāng)然，應(yīng)用程序必須支持基于EtherNet/IP的協(xié)議。

在實(shí)現(xiàn)EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇多種架構(gòu)。只要節(jié)點(diǎn)完全由硬件實(shí)現(xiàn)，就可以使用ASIC，F(xiàn)PGA或板級(jí)解決方案。雖然這些簡(jiǎn)單的數(shù)字I/O設(shè)備解決方案適用于對(duì)成本敏感的產(chǎn)品，但需要配置，監(jiān)控和控制的應(yīng)用通常也需要MCU。例如，傳感器通常由MCU控制。在EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)中，MCU還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并運(yùn)行EtherNet/IP協(xié)議棧。 ASIC或FPGA仍然是架構(gòu)不可或缺的一部分。

嵌入式MCU實(shí)現(xiàn)

更復(fù)雜的架構(gòu)將EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)作為帶有集成CPU的MCU的外設(shè)實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)如圖2所示。處理器可以使用FPGA中的可用門配置。

圖2：帶處理器的集成EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)(由德州儀器公司提供)。不使用具有EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)的MCU作為外設(shè)，而是可以反轉(zhuǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且MCU可以在實(shí)現(xiàn)EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)的同一FPGA或ASIC上實(shí)現(xiàn)。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，這種方法需要仔細(xì)考慮嵌入式MCU所需的處理能力和時(shí)鐘頻率，既適用于目標(biāo)應(yīng)用，也適用于未來(lái)可能的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)。 FPGA實(shí)現(xiàn)也可能使?jié)M足產(chǎn)品價(jià)格目標(biāo)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。無(wú)論如何實(shí)現(xiàn)，MCU都需要一些方法來(lái)執(zhí)行與另一個(gè)嵌入式外設(shè)的實(shí)時(shí)操作。

‘Sitara™例如，AM33x處理器通過(guò)可編程實(shí)時(shí)單元(PRU)解決了這個(gè)問(wèn)題，它支持與兩個(gè)PHY收發(fā)器芯片的低級(jí)交互，這兩個(gè)PHY收發(fā)器芯片是圖2所示解決方案的一部分。使用固件，Sitara AM33X處理器將整個(gè)以太網(wǎng)MAC層封裝在PRU子系統(tǒng)中。

為了優(yōu)化傳輸效率，EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)僅處理專門發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)包。中斷用于維護(hù)應(yīng)用程序和ARM處理器之間的實(shí)時(shí)通信。由于幾乎所有的低級(jí)，高速EtherNet/IP功能都由PRU子系統(tǒng)處理，因此ARM處理器幾乎可以分配所有處理能力來(lái)運(yùn)行堆棧和復(fù)雜的應(yīng)用，如電機(jī)控制。

TI’s Sitara AM335x處理器采用ARM Cortex-A8處理器，工作頻率為275 MHz，適用于高達(dá)1 GHz的基本應(yīng)用，適用于電機(jī)控制等高性能應(yīng)用。

Sitara AM3352采用275 MHz(AM3352ZCE27)，600 MHz(AM3352BZCZ60)和1 GHz(AM3352BZCZA100)版本。[!--empirenews.page--]

圖3顯示了TI Sitara AM335x處理器的框圖。

圖3：Sitara AM335x框圖(由德州儀器提供)。

以太網(wǎng)PHY設(shè)備，如德州儀器的TLK110收發(fā)器完善了設(shè)計(jì)。 TLK110針對(duì)低延遲性能進(jìn)行了優(yōu)化。它還具有先進(jìn)的電纜診斷功能，可以快速定位電纜故障。除了TI的解決方案，飛思卡爾半導(dǎo)體還為其幾個(gè)處理器系列開發(fā)了EtherNet/IP實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品。 Molex的實(shí)時(shí)EtherNet/IP堆棧已移植到飛思卡爾的PowerQUICC和ColdFire處理器上。

軟件和固件

除硬件配置外，開發(fā)人員還應(yīng)熟悉Sitara解決方案和固件架構(gòu)等軟件。用于EtherNet/IP從站實(shí)現(xiàn)。軟件包含三個(gè)基本元素：

數(shù)據(jù)鏈路層功能微代碼，在PRU中實(shí)現(xiàn)

EtherNet/IP從屬協(xié)議棧和非IP/IP棧兩者都在ARM處理器上運(yùn)行的實(shí)時(shí)通信

應(yīng)用程序

使用兩個(gè)以太網(wǎng)堆棧，因?yàn)閷?shí)時(shí)消息傳遞由UDP/IP和 - 來(lái)處理最大化效率 - 不經(jīng)常的低優(yōu)先級(jí)消息(例如綁定到業(yè)務(wù)單元的消息)由TCP/IP處理。

數(shù)據(jù)鏈路層中的固件包括兩個(gè)PRU，每個(gè)收發(fā)器一個(gè)。 PRU管理與兩個(gè)硬件接口的連接，并執(zhí)行基本的以太網(wǎng)交換機(jī)協(xié)議，如MAC學(xué)習(xí)，風(fēng)暴防御和數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)。兩個(gè)PRU使用一組特殊指令通過(guò)共享存儲(chǔ)器相互通信以確保協(xié)調(diào)。

由于冗余和同步是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的重要屬性，因此Sitara固件還執(zhí)行環(huán)形冗余協(xié)議(設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)或DLR)和IEEE的精確時(shí)間協(xié)議(PTP/1588)進(jìn)行同步。采用TLK110的TI Sitara AM335x處理器的延遲小于2μs，這使其成為領(lǐng)先的EtherNet/IP從站解決方案。

固件架構(gòu)如圖4所示。

圖4：固件架構(gòu)(禮貌：德州儀器)。

EtherNet/IP設(shè)計(jì)

EtherNet/IP從站節(jié)點(diǎn)可以在TI的多個(gè)AM335x處理器上實(shí)現(xiàn)，這些處理器有多種工作頻率可供選擇。毫不奇怪，TI為此解決方案提供模擬產(chǎn)品。 TLK110以太網(wǎng)PHY芯片和TPS65910電源管理芯片都是任何EtherNet/IP從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的理想選擇。

TI還提供全套工具和軟件代碼。 Sitara AM335x工業(yè)軟件開發(fā)套件(SDK)包括EtherNet/IP協(xié)議的固件，軟件驅(qū)動(dòng)程序，硬件初始化程序，堆棧應(yīng)用程序編程接口(API)的適配層以及EtherNet/IP協(xié)議棧。

對(duì)于硬件設(shè)計(jì)，TI開發(fā)了一款Sitara AM3359評(píng)估板，該評(píng)估板面向工業(yè)通信，可編程邏輯控制器(PLC)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該套件的軟件包括TI的SYS/BIOS™實(shí)時(shí)內(nèi)核，EtherNet/IP固件以及EtherNet/IP應(yīng)用級(jí)堆棧的評(píng)估版。

該主板的主要組件是EtherNet/IP優(yōu)化的PHY設(shè)備，調(diào)試硬件，SD/MMC，以太網(wǎng)和UART。附加組件包括用于特定應(yīng)用，例如運(yùn)動(dòng)，電機(jī)和過(guò)程控制。該套件還可用于開發(fā)其他工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，如PROFIBUS，PROFINET-RT和CAN，以及POWERLINK，EtherCAT和SERCOS III等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

TI還提供低成本Sitara AM3359工業(yè)通信引擎2板(TMDSICE3359)，一種小型(70 x 90 mm)開發(fā)板，專為通信模塊，I/O設(shè)備，傳感器和類似應(yīng)用而開發(fā)，包括EtherNet的基本外設(shè)/IP，PROFINET，PROFIBUS和EtherCAT通信標(biāo)準(zhǔn)。 SDK包括基于SYS/BIOS的實(shí)時(shí)內(nèi)核，其中包含應(yīng)用程序級(jí)通信堆棧和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該平臺(tái)還包含開發(fā)和調(diào)試工具鏈。