奈圖爾科技（www.ntooler.com）整理消息：

　CAN 和其他現場(chǎng)總線(xiàn)互連等低端、低成本網(wǎng)絡(luò )在分布式嵌入式系統中無(wú)處不在，但如今許多應用需要更多帶寬——尤其是當多媒體進(jìn)入嵌入式空間和工業(yè)應用時(shí)?；?span style="text-decoration: underline;">以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )可以支持更高的帶寬要求，并且仍然通過(guò)添加到基線(xiàn)標準的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )層來(lái)支持實(shí)時(shí)應用程序要求。讓我們評估可應用于工業(yè)控制等應用的可用網(wǎng)絡(luò )。我們還將考慮可以支持這種快速網(wǎng)絡(luò )的微控制器 （MCU） 和嵌入式微處理器技術(shù)，以及如何在嵌入式應用程序中實(shí)現這些協(xié)議。

　　自 MCU 和微處理器進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域以來(lái)，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是一系列以工業(yè)和控制為中心的互連，已被用于連接分布式控制器。這一趨勢始于處理器節點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn) RS-232 鏈路，并隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)標準的發(fā)展而發(fā)展，例如在一個(gè)互連上連接多個(gè)節點(diǎn)的 PROFIBUS?？刂破骶钟蚓W(wǎng) （CAN） 是汽車(chē)領(lǐng)域的一種選擇，但這些技術(shù)都無(wú)法提供接近以太網(wǎng)的帶寬以及由 IT 空間驅動(dòng)的帶寬不斷增加的任何地方。

與其他嵌入式計算領(lǐng)域一樣，控制領(lǐng)域有很多理由追求基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò )。IT 世界正在降低支持以太網(wǎng)的成本，并且隨著(zhù)時(shí)間的推移，IT 世界將保證更快的物理層技術(shù)。

　　實(shí)際上，嵌入式領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)一直將以太網(wǎng)用作與 IT 基礎設施相關(guān)的工廠(chǎng)控制系統等應用。然而，這些用途實(shí)際上只是變相的 IT 實(shí)施。許多嵌入式系統需要連接到 Internet 或專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，如今您可以在相對低端的 MCU 上找到標準以太網(wǎng)支持。

　　以太網(wǎng)作為連接分布式控制系統的網(wǎng)絡(luò )的問(wèn)題在于，以 IT 為中心的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器 （MAC） 層不支持實(shí)時(shí)、低延遲的數據傳輸。以太網(wǎng)旨在允許節點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò )并傳輸相對較大的數據包?？刂凭W(wǎng)絡(luò )需要確定性傳輸相對少量的控制或狀態(tài)數據。

　　幾家不同的公司和組織已經(jīng)著(zhù)手修改以太網(wǎng)，或者更確切地說(shuō)，添加可選層，例如實(shí)時(shí)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制，以提供分布式控制應用程序所需的功能集。通常，這些努力試圖讓基線(xiàn)以太網(wǎng)物理層 （PHY） 和 MAC 能夠承載傳統的 IT 流量或實(shí)時(shí)收集的確定性控制命令和數據。這些互連中的大多數最近才進(jìn)入控制領(lǐng)域，因此我們將回顧 MCU 上的網(wǎng)絡(luò )選項和實(shí)施可能性。

　　PROFINET

　　PROFINET 可能是率先源自以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò )，并且由推動(dòng) PROFIBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的同一組織頒布。創(chuàng )建者為 TCP/IP 添加了新的傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層替代方案，以提供更好的實(shí)時(shí)支持，盡管這兩個(gè)堆?？梢圆⒋?。PROFIBUS 標準仍然依賴(lài)于以太網(wǎng) MAC。PROFIBUS 通過(guò)為實(shí)時(shí)控制部署定義特定拓撲來(lái)規避這一限制。

　　PROFINET 實(shí)際上有三種形式?；€(xiàn)技術(shù)提供了對以太網(wǎng)的一些改進(jìn)，但不支持低于 100 ms 的控制周期時(shí)間。PROFINET RT（實(shí)時(shí)）版本可以支持 1 到 100 ms 的循環(huán)時(shí)間，PROFINET IRT（同步實(shí)時(shí)）版本可以支持低于 1 ms 的循環(huán)時(shí)間，抖動(dòng)小于 1 μs。

　　PROFINET 在標準以太網(wǎng) MAC 層之上運行，許多支持以太網(wǎng)的 MCU 和處理器可以托管 PROFINET 協(xié)議棧。例如，飛思卡爾報告稱(chēng)，任何包含以太網(wǎng)的Power Architecture MCU和ColdFire MCU都可以托管該堆棧。MPC5121e _是飛思卡爾針對工業(yè)以太網(wǎng)應用的一種特定 MCU。那個(gè) 760-MIPS MCU 有大量的性能開(kāi)銷(xiāo)來(lái)處理網(wǎng)絡(luò )堆棧和手頭的應用程序。它還包括一個(gè)音頻加速器和一個(gè)圖形引擎。

　　然而，對 PROFINET 支持的廣泛聲明有一個(gè)警告。像 MPC5121e 這樣的 MCU 當然可以支持 PROFINET 和 PROFINET RT。飛思卡爾承認您將需要 FPGA 或 ASIC 來(lái)加速 PROFINET IRT 堆棧并滿(mǎn)足更嚴格的時(shí)序要求。

　　Atmel 是另一家支持工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的公司。該公司推薦 AT91SAM9G45 MCU 用于 PROFINET 應用，包括 RT 版本。Atmel 還推薦使用 FPGA 或 ASIC 來(lái)支持 IRT 低延遲響應。圖 1 描繪了低延遲工業(yè)以太網(wǎng)的一般 Atmel 架構策略，包括 PROFINET IRT 和我們將在稍后討論的其他標準。

　　圖 1：Atmel 在支持確定的工業(yè)以太網(wǎng)類(lèi)型（如 PROFINET IRT 和 EtherCAT）時(shí)，依靠 FPGA 或 ASIC 作為其 MCU 的補充。

　　EtherNet/IP 和以太網(wǎng) Powerlink

　　EtherNet/IP（以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）是另一種為控制應用定制的以太網(wǎng)，盡管在這種情況下的修改位于網(wǎng)絡(luò )堆棧的頂層。除了為節點(diǎn)同步定義更精確的時(shí)鐘之外，標準中幾乎沒(méi)有隱含地改進(jìn)確定性。EtherNet/IP 的優(yōu)勢確實(shí)在于使用速度更快的處理器。

　　Ethernet Powerlink 由 Ethernet Powerlink 標準化組支持，并引入了在標準以太網(wǎng) MAC 之上運行的時(shí)間分片機制。該方案支持低到 200 μs 的控制周期時(shí)間和低于 1 μs 的抖動(dòng)。此外，該標準能夠在應用層托管 CAN 協(xié)議，使其成為需要遷移到更快網(wǎng)絡(luò )的 CAN 應用的理想選擇。

　　在實(shí)施以太網(wǎng) Powerlink 方面，好消息和壞消息來(lái)自同一事實(shí)。該實(shí)現完全基于軟件，并且與標準以太網(wǎng)完全兼容。但是，您需要一個(gè)強大的、以通信為中心的處理器來(lái)實(shí)現 Powerlink 的優(yōu)勢。例如，飛思卡爾推薦其PowerQUICC 處理器集成了可編程通信引擎。目前，該技術(shù)超出了大多數 MCU 的能力。

　　EtherCAT

　　我們將在這里討論的后面一項技術(shù)是用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)。EtherCAT 試圖解決我們在本文前面沒(méi)有描述的確定性應用中的以太網(wǎng)核心問(wèn)題。通常，以太網(wǎng)依賴(lài)于將信息從一個(gè)節點(diǎn)傳送到另一個(gè)節點(diǎn)的相對較大的數據幀。如果控制器需要將數據傳輸到多個(gè)遠程節點(diǎn)，它必須在順序幀中這樣做。在許多控制應用程序的情況下，這些幀中的大部分將是空的，因為控制信息的性質(zhì)很短。

　　EtherCAT 定義了網(wǎng)絡(luò )上的主/從拓撲。主節點(diǎn)可以將多個(gè)從節點(diǎn)的數據混合到一個(gè)幀中。此外，拓撲確保確定性響應。該技術(shù)允許同時(shí)向多個(gè)節點(diǎn)發(fā)送消息，因為 EtherCAT 技術(shù)組沒(méi)有指定單個(gè)控制周期的極小值。但是，該組織報告說(shuō)您可以在 30 μs 內更新 1，000 個(gè) I/O。

　　與其他工業(yè)以太網(wǎng)類(lèi)型一樣，EtherCAT 技術(shù)也有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。飛思卡爾指出，其 MPC5121e 可以作為 EtherCAT 主站輕松處理任務(wù)。圖 2 描繪了這種設計的典型飛思卡爾方法。如您所見(jiàn)，該實(shí)施同時(shí)支持傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

　　圖 2：飛思卡爾在廣泛的 MCU 架構中支持 EtherCAT 主站功能，包括基于 Power Architecture 的架構，在某些情況下或者包括 ColdFire MCU。

　　從屬實(shí)現是另一回事，因為從屬必須實(shí)時(shí)剖析每一幀以找到指向它的數據。與 PROFINET IRT 技術(shù)一樣，實(shí)時(shí)幀處理需要 FPGA 或 ASIC。

　　盡管如此，EtherCAT 似乎正在獲得動(dòng)力。隨著(zhù) MCU 集成度和性能的提升，設想集成 EtherCAT 從站功能的 MCU 相對容易。

　　對該技術(shù)的支持也在建設中。今年早些時(shí)候德州儀器（TI） 宣布已獲得 EtherCAT 技術(shù)的許可。該公司計劃在其Stellaris 系列基于 ARM 的 MCU 中支持 EtherCAT。

　　在工業(yè)控制應用中部署基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)可能比使用 CAN、PROFIBUS 或其他現場(chǎng)總線(xiàn)標準要困難一些。然而，以太網(wǎng)在數據速率方面可以提供明顯的優(yōu)勢。此外，工業(yè)以太網(wǎng)風(fēng)格通常保持對標準以太網(wǎng)流量的支持，因此您可能會(huì )發(fā)現將控制數據與操作信息或者多媒體內容混合起來(lái)很方便。您可能需要更強大的 MCU 或處理器來(lái)支持工業(yè)以太網(wǎng)，或者是 FPGA。如果您在控制應用程序中遇到帶寬問(wèn)題，這種選擇可能被證明是最可行的選擇。