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采用嵌入式MCU实现以太网在工业网络领域的应用

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-12 13:50:13 | 260 次阅读

以太网在企业网络中的主导地位使其在工业网络领域具有明显的优势。在整个企业中使用单核协议可以使数据从工厂无缝地流向业务部门,从而可以更有效地管理生产计划,最大限度地降低库存成本并优化维护操作。

以太网不是为然而,工厂车间以及标准以太网的主要缺点是它无法提供许多工业应用所需的实时响应,例如过程和电机控制。几十年来,诸如CAN(控制器区域网络)和PROFIBUS(过程现场总线)之类的确定性协议主导了工业网络。尽管这些协议仍然保持着相当大的市场份额,但几年前以太网变体开始出现,提供了标准以太网所缺乏的实时性能。

为了合理化工业网络中产生的非生产性多样性,2001年开放设备供应商协会(OVDA)的成立是为了创建和维护通用工业协议(CIP)以确保某种程度的兼容性。从那时起,包括EtherNet/IP,DeviceNet,ControlNet和CompoNet在内的多种协议已在其协议栈的上层实现了CIP。现在有数百家供应商支持CIP。

EtherNet/IP是CIP在IEEE 802.3定义的标准以太网上实现的名称。 EtherNet/IP中的“IP”代表工业协议。

EtherNet/IP技术

图1显示了如何使用CIP实现多标准环境。来自顶层CIP块的红色箭头定义了通过UDP进行实时控制的路径。绿色箭头显示标准IEEE 802.3以太网的路径。总之,它们包含EtherNet/IP。可以使用现有的TCP/IP堆栈开发产品,或者在工业应用中,可以简单地修改现有的Modbus接口以与PLC通信。

采用嵌入式MCU实现以太网在工业网络领域的应用

图1:CIP完全兼容以太网和Internet协议(由开放设备供应商协会提供)。面向对象的编程模型

CIP使用对象模型来简化软件开发。在应用层中定义了与公共接口和行为相关的一组对象和设备配置文件。 CIP使用三类对象:应用程序对象,它定义表示设备数据的方法;定义以太网/IP特定功能的网络对象以及如何配置IP地址等参数;和通信对象,它们创建了建立通信关联和访问设备数据和服务的方法。

CIP网络上设备之间的端到端通信由CIP通信服务处理。由于EtherNet/IP将CIP通信服务映射到以太网和TCP/IP,因此可确保多厂商互操作性。

EtherNet/IP节点的组件

每个EtherNet/IP节点包含四个与OSI模型对应的层。它们如下:

物理层(PHY)。只要支持100 Mbit/s数据速率,就可以使用任何标准以太网介质(双绞铜线或光纤)。

数据链路层将数据包从设备传输到设备并包含以太网/IP MAC,可以通过ASICFPGA或运行高速固件的定制硬件实现。

会话/传输层,处理TCP/IP以及真实的UDP/IP时间消息。 CIP对象定义也在此层中以启用与应用程序层的通信。

应用程序层。在节点内部,应用程序可以在硬件上运行,也可以由嵌入式CPU实现的硬件/软件组合运行。当然,应用程序必须支持基于EtherNet/IP的协议。

在实现EtherNet/IP节点时,设计人员可以选择多种架构。只要节点完全由硬件实现,就可以使用ASIC,FPGA或板级解决方案。虽然这些简单的数字I/O设备解决方案适用于对成本敏感的产品,但需要配置,监控和控制的应用通常也需要MCU。例如,传感器通常由MCU控制。在EtherNet/IP节点中,MCU还可以实现设备驱动程序并运行EtherNet/IP协议栈。 ASIC或FPGA仍然是架构不可或缺的一部分。

嵌入式MCU实现

更复杂的架构将EtherNet/IP节点作为带有集成CPU的MCU的外设实现。该架构如图2所示。处理器可以使用FPGA中的可用门配置。

采用嵌入式MCU实现以太网在工业网络领域的应用

图2:带处理器的集成EtherNet/IP节点(由德州仪器公司提供)。不使用具有EtherNet/IP节点的MCU作为外设,而是可以反转拓扑结构,并且MCU可以在实现EtherNet/IP节点的同一FPGA或ASIC上实现。从设计角度来看,这种方法需要仔细考虑嵌入式MCU所需的处理能力和时钟频率,既适用于目标应用,也适用于未来可能的设计旋转。 FPGA实现也可能使满足产品价格目标成为一项挑战。无论如何实现,MCU都需要一些方法来执行与另一个嵌入式外设的实时操作。

‘Sitara™例如,AM33x处理器通过可编程实时单元(PRU)解决了这个问题,它支持与两个PHY收发器芯片的低级交互,这两个PHY收发器芯片是图2所示解决方案的一部分。使用固件,Sitara AM33X处理器将整个以太网MAC层封装在PRU子系统中。

为了优化传输效率,EtherNet/IP节点仅处理专门发送给它们的数据包。中断用于维护应用程序和ARM处理器之间的实时通信。由于几乎所有的低级,高速EtherNet/IP功能都由PRU子系统处理,因此ARM处理器几乎可以分配所有处理能力来运行堆栈和复杂的应用,如电机控制。

TI’s Sitara AM335x处理器采用ARM Cortex-A8处理器,工作频率为275 MHz,适用于高达1 GHz的基本应用,适用于电机控制等高性能应用。

Sitara AM3352采用275 MHz(AM3352ZCE27),600 MHz(AM3352BZCZ60)和1 GHz(AM3352BZCZA100)版本。

图3显示了TI Sitara AM335x处理器的框图。

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图3:Sitara AM335x框图(由德州仪器提供)。

以太网PHY设备,如德州仪器的TLK110收发器完善了设计。 TLK110针对低延迟性能进行了优化。它还具有先进的电缆诊断功能,可以快速定位电缆故障。除了TI的解决方案,飞思卡尔半导体还为其几个处理器系列开发了EtherNet/IP实现产品。 Molex的实时EtherNet/IP堆栈已移植到飞思卡尔的PowerQUICC和ColdFire处理器上。

软件和固件

除硬件配置外,开发人员还应熟悉Sitara解决方案和固件架构等软件。用于EtherNet/IP从站实现。软件包含三个基本元素:

数据链路层功能微代码,在PRU中实现

EtherNet/IP从属协议栈和非IP/IP栈两者都在ARM处理器上运行的实时通信

应用程序

使用两个以太网堆栈,因为实时消息传递由UDP/IP和 - 来处理最大化效率 - 不经常的低优先级消息(例如绑定到业务单元的消息)由TCP/IP处理。

数据链路层中的固件包括两个PRU,每个收发器一个。 PRU管理与两个硬件接口的连接,并执行基本的以太网交换机协议,如MAC学习,风暴防御和数据包统计。两个PRU使用一组特殊指令通过共享存储器相互通信以确保协调。

由于冗余和同步是实时网络中的重要属性,因此Sitara固件还执行环形冗余协议(设备级环网或DLR)和IEEE的精确时间协议(PTP/1588)进行同步。采用TLK110的TI Sitara AM335x处理器的延迟小于2μs,这使其成为领先的EtherNet/IP从站解决方案。

固件架构如图4所示。

采用嵌入式MCU实现以太网在工业网络领域的应用

图4:固件架构(礼貌:德州仪器)。

EtherNet/IP设计

EtherNet/IP从站节点可以在TI的多个AM335x处理器上实现,这些处理器有多种工作频率可供选择。毫不奇怪,TI为此解决方案提供模拟产品。 TLK110以太网PHY芯片和TPS65910电源管理芯片都是任何EtherNet/IP从节点实现的理想选择。

TI还提供全套工具和软件代码。 Sitara AM335x工业软件开发套件(SDK)包括EtherNet/IP协议的固件,软件驱动程序,硬件初始化程序,堆栈应用程序编程接口(API)的适配层以及EtherNet/IP协议栈。

对于硬件设计,TI开发了一款Sitara AM3359评估板,该评估板面向工业通信,可编程逻辑控制器(PLC)和运动控制系统。该套件的软件包括TI的SYS/BIOS™实时内核,EtherNet/IP固件以及EtherNet/IP应用级堆栈的评估版。

该主板的主要组件是EtherNet/IP优化的PHY设备,调试硬件,SD/MMC,以太网和UART。附加组件包括用于特定应用,例如运动,电机和过程控制。该套件还可用于开发其他工业通信标准,如PROFIBUS,PROFINET-RT和CAN,以及POWERLINK,EtherCAT和SERCOS III等实时以太网标准。

TI还提供低成本Sitara AM3359工业通信引擎2板(TMDSICE3359),一种小型(70 x 90 mm)开发板,专为通信模块,I/O设备,传感器和类似应用而开发,包括EtherNet的基本外设/IP,PROFINET,PROFIBUS和EtherCAT通信标准。 SDK包括基于SYS/BIOS的实时内核,其中包含应用程序级通信堆栈和设备驱动程序。该平台还包含开发和调试工具链。

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