靈活的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案

自從Xerox公司在上個(gè)世紀(jì)70年代中期引入以太網(wǎng)概念，并由IEEE 802.3在1983年標(biāo)準(zhǔn)化后，以太網(wǎng)已經(jīng)成為世界上計(jì)算機(jī)通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。從3Mb/s的銅纜系統(tǒng)發(fā)展到了可靠性更高、成本更低的100Mb/s非屏蔽雙絞線（Cat5 UTP）系統(tǒng)，以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，市場(chǎng)上已經(jīng)有支持1Gb/s以太網(wǎng)的器件，10Gb/s器件也浮出水面，以太網(wǎng)今后將繼續(xù)服務(wù)于市場(chǎng)。

以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍、實(shí)用性和易用性，以及工廠系統(tǒng)和公司網(wǎng)絡(luò)相集成的壓力，促使工業(yè)開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的工業(yè)連網(wǎng)解決方案，兼容工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信方案，甚至能夠替代它。目前有很多基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議，每種協(xié)議都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。部分協(xié)議已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，或者“開(kāi)放”，任何開(kāi)發(fā)人員都可以實(shí)施這些協(xié)議。很顯然，開(kāi)放協(xié)議會(huì)越來(lái)越流行，被業(yè)界廣泛采用。

有的解決方案只是簡(jiǎn)單的在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中封裝現(xiàn)場(chǎng)總線或者應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此，僅僅需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(盡管由于不具有確定性而導(dǎo)致實(shí)時(shí)性能較差)。但是，很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需要額外的定制軟件，大部分高性能協(xié)議還需要定制硬件，所以很難開(kāi)發(fā)并維護(hù)支持多種協(xié)議的解決方案。

協(xié)議不但數(shù)量多，而且還在不斷發(fā)展，在技術(shù)上改進(jìn)基本以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。為提高競(jìng)爭(zhēng)能力，工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)商必須找到有效的途徑，盡可能多的支持工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，迅速適應(yīng)協(xié)議的變化，支持新協(xié)議，采用其他的系統(tǒng)改進(jìn)措施。

實(shí)現(xiàn)通用工業(yè)以太網(wǎng)解決方案

當(dāng)需要新的工業(yè)以太網(wǎng)ASIC/ASSP器件時(shí)，必須開(kāi)發(fā)電路板，帶來(lái)了和新硬件相關(guān)的成本以及時(shí)間問(wèn)題。當(dāng)以太網(wǎng)協(xié)議更新時(shí)，需要開(kāi)發(fā)新的ASIC/ASSP器件，甚至多次開(kāi)發(fā)電路板，以同時(shí)支持已有的協(xié)議和新協(xié)議。依靠ASIC/ASSP器件會(huì)帶來(lái)供應(yīng)問(wèn)題，隨著協(xié)議的迅速發(fā)展，器件可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)時(shí)問(wèn)題。這類(lèi)解決方案比較昂貴，難以提供支持，不能迅速實(shí)現(xiàn)新功能。

然而，所有這些問(wèn)題都可以通過(guò)使用FPGA器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口來(lái)解決，如圖1所示。FPGA的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是它很容易重新配置；開(kāi)發(fā)一塊電路板，任何時(shí)候都可以針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)硬件進(jìn)行編程，例如，在產(chǎn)品發(fā)售前，甚至是在現(xiàn)場(chǎng)! 如果需要不同的協(xié)議，或者客戶修改了訂單，所要做的只是對(duì)FPGA重新編程，利用FPGA配置文件幾秒鐘內(nèi)就可以完成。這類(lèi)多標(biāo)準(zhǔn)解決方案大大降低了開(kāi)發(fā)成本，減少了庫(kù)存和供應(yīng)鏈問(wèn)題。

圖1 基于FPGA的2通道普通工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)

結(jié)合以太網(wǎng)收發(fā)器(稱(chēng)為PHY)后，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)接口需要的所有功能。

FPGA硬件是可編程的，因此，可以建立含有兩個(gè)以上軟核微處理器的系統(tǒng)，在FPGA中集成應(yīng)用軟件處理功能。

基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)

進(jìn)行處理器和以太網(wǎng)MAC硬件設(shè)計(jì)表面看起來(lái)會(huì)很困難，但是，由于有SOPC Builder等工具以及預(yù)構(gòu)建的處理器和以太網(wǎng)MAC IP組件，實(shí)際是相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)。SOPC Builder集成在Altera的Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境中，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可以輕松進(jìn)行基于IP的可編程芯片系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)人員利用圖形用戶接口(GUI)而不是HDL編碼來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；SOPC Builder自動(dòng)加速實(shí)現(xiàn)IP系統(tǒng)的配置、集成和生成。

在處理器上運(yùn)行軟件協(xié)議

在支持以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)中，處理器提供高層功能（如TCP和UDP等）。以Altera的免版稅32位RISC Nios II處理器為例，它有三種二進(jìn)制兼容型號(hào)，每一型號(hào)都針對(duì)不同的體積和性能比進(jìn)行了優(yōu)化，如表2所示：Nios II/f面向高性能，Nios II/e體積最小，Nios II/s在體積和性能上達(dá)到均衡。由于Nios II處理器作為SOPC Builder IP組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，很容易建立基于處理器的系統(tǒng)，它包括以太網(wǎng)MAC IP、大量的其他外設(shè)組件，甚至是多個(gè)Nios II處理器。利用SOPC Builder GUI，可以迅速輕松地構(gòu)建Nios II處理器系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)人員的需求，甚至針對(duì)不同的應(yīng)用建立不同版本的系統(tǒng)。

SOPC Builder可以直接使用Nios II處理器，它與Quartus II軟件提供的免費(fèi)IP兼容。這些IP包括標(biāo)準(zhǔn)處理器外設(shè)功能模塊（如UART、PIO和存儲(chǔ)控制器等)，以及Altera及其合作伙伴提供的大量IP組件（如以太網(wǎng)MAC、CAN、USB、PCI、PCI Express、FFT、FIRDSP和視頻處理等)。在功能強(qiáng)大的Nios II軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，由自動(dòng)集成到軟件構(gòu)建系統(tǒng)中的Nios II驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些組件。這一環(huán)境基于開(kāi)發(fā)人員熟悉的Eclipse和GNU，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

工業(yè)以太網(wǎng)硬件和軟件IP

目前，已經(jīng)有7種不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以使用的商用IP包。硬件IP一般封裝為SOPC Builder組件，它包括MAC以及其他需要的邏輯。軟件IP則作為以C語(yǔ)言針對(duì)Nios II處理器編寫(xiě)的庫(kù)或者軟件API來(lái)實(shí)現(xiàn)。有的供應(yīng)商提供預(yù)構(gòu)建FPGA配置，設(shè)計(jì)人員使用FPGA器件與使用現(xiàn)成的ASIC/ASSP組件一樣方便。

總結(jié)

工業(yè)市場(chǎng)的以太網(wǎng)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)該技術(shù)今后五年會(huì)有強(qiáng)勁增長(zhǎng)。有很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，每一協(xié)議都有自己的獨(dú)到之處。很明顯，以太網(wǎng)技術(shù)會(huì)不斷發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)有和新的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的進(jìn)展。1Gb/s和10Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)以及目前802.3標(biāo)準(zhǔn)的不斷改進(jìn)會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的性能，提高可靠性。同樣，保密和安全協(xié)議等其他工業(yè)領(lǐng)域也推動(dòng)了工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展，這對(duì)工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)商而言是進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

低成本FPGA和軟核微處理器IP的出現(xiàn)為工業(yè)以太網(wǎng)提供了高性價(jià)比的可編程解決方案。在相同的基本硬件上，F(xiàn)PGA能夠支持基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議，具有可編程器件的系統(tǒng)集成、靈活性以及不會(huì)過(guò)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)?？删幊逃布?、SOPC Builder和Nios II處理器相結(jié)合，使開(kāi)發(fā)人員能夠輕松地修改上層和底層以太網(wǎng)協(xié)議，而不必改動(dòng)物理硬件。隨著現(xiàn)有協(xié)議的發(fā)展，以及新協(xié)議的出現(xiàn)，擁有靈活的高性價(jià)比工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議解決方案顯得非常重要。利用FPGA實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為所有工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)商必須采用的方法。