CAN 和其他現(xiàn)場總線互連等低端、低成本網(wǎng)絡(luò)在分布式嵌入式系統(tǒng)中無處不在，但如今許多應(yīng)用需要更多帶寬——尤其是當(dāng)多媒體進(jìn)入嵌入式空間和工業(yè)應(yīng)用時。基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可以支持更高的帶寬要求，并且仍然通過添加到基線標(biāo)準(zhǔn)的專用網(wǎng)絡(luò)層來支持實時應(yīng)用程序要求。讓我們評估可應(yīng)用于工業(yè)控制等應(yīng)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(yīng)用程序中實現(xiàn)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，現(xiàn)場總線技術(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(jié)點之間的點對點 RS-232 鏈路，并隨著現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而發(fā)展，例如在一個互連上連接多個節(jié)點的 PROFIBUS。控制器局域網(wǎng) （CAN） 是汽車領(lǐng)域的一種選擇，但這些技術(shù)都無法提供接近以太網(wǎng)的帶寬以及由 IT 空間驅(qū)動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，并且隨著時間的推移，IT 世界將保證更快的物理層技術(shù)。

　　實際上，嵌入式領(lǐng)域長期以來一直將以太網(wǎng)用作與 IT 基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的工廠控制系統(tǒng)等應(yīng)用。然而，這些用途實際上只是變相的 IT 實施。許多嵌入式系統(tǒng)需要連接到 Internet 或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，如今您可以在相對低端的 MCU 上找到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持。

　　以太網(wǎng)作為連接分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)的問題在于，以 IT 為中心的媒體訪問控制器 （MAC） 層不支持實時、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)旨在允許節(jié)點控制網(wǎng)絡(luò)并傳輸相對較大的數(shù)據(jù)包。控制網(wǎng)絡(luò)需要確定性傳輸相對少量的控制或狀態(tài)數(shù)據(jù)。

　　幾家不同的公司和組織已經(jīng)著手修改以太網(wǎng)，或者更確切地說，添加可選層，例如實時媒體訪問控制，以提供分布式控制應(yīng)用程序所需的功能集。通常，這些努力試圖讓基線以太網(wǎng)物理層 （PHY） 和 MAC 能夠承載傳統(tǒng)的 IT 流量或?qū)崟r收集的確定性控制命令和數(shù)據(jù)。這些互連中的大多數(shù)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)選項和實施可能性。

　　PROFINET

　　PROFINET 可能是第一個源自以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)，并且由推動 PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(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，以提供更好的實時支持，盡管這兩個堆棧可以并存。PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)仍然依賴于以太網(wǎng) MAC。PROFIBUS 通過為實時控制部署定義特定拓?fù)鋪硪?guī)避這一限制。

　　PROFINET 實際上有三種形式。基線技術(shù)提供了對以太網(wǎng)的一些改進(jìn)，但不支持低于 100 ms 的控制周期時間。PROFINET RT（實時）版本可以支持 1 到 100 ms 的循環(huán)時間，PROFINET IRT（同步實時）版本可以支持低于 1 ms 的循環(huán)時間，抖動小于 1 μs。

　　PROFINET 在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 層之上運(yùn)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，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(yīng)用的一種特定 MCU。那個 760-MIPS MCU 有大量的性能開銷來處理網(wǎng)絡(luò)堆棧和手頭的應(yīng)用程序。它還包括一個音頻加速器和一個圖形引擎。

　　然而，對 PROFINET 支持的廣泛聲明有一個警告。像 MPC5121e 這樣的 MCU 當(dāng)然可以支持 PROFINET 和 PROFINET RT。飛思卡爾承認(rèn)您將需要 FPGA 或 ASIC 來加速 PROFINET IRT 堆棧并滿足更嚴(yán)格的時序要求。

　　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(yīng)用，包括 RT 版本。Atmel 還推薦使用 FPGA 或 ASIC 來支持 IRT 低延遲響應(yīng)。圖 1 描繪了低延遲工業(yè)以太網(wǎng)的一般 Atmel 架構(gòu)策略，包括 PROFINET IRT 和我們將在稍后討論的其他標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖 1：Atmel 在支持最具確定性的工業(yè)以太網(wǎng)類型（如 PROFINET IRT 和 EtherCAT）時，依靠 FPGA 或 ASIC 作為其 MCU 的補(bǔ)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(yīng)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(jié)點同步定義更精確的時鐘之外，標(biāo)準(zhǔn)中幾乎沒有隱含地改進(jìn)確定性。EtherNet/IP 的優(yōu)勢確實在于使用速度更快的處理器。

　　Ethernet Powerlink 由 Ethernet Powerlink 標(biāo)準(zhǔn)化組支持，并引入了在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 之上運(yùn)行的時間分片機(jī)制。該方案支持低至 200 μs 的控制周期時間和低于 1 μs 的抖動。此外，該標(biāo)準(zhǔn)能夠在應(yīng)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(yīng)用的理想選擇。

　　在實施以太網(wǎng) Powerlink 方面，好消息和壞消息來自同一事實。該實現(xiàn)完全基于軟件，并且與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完全兼容。但是，您需要一個強(qiáng)大的、以通信為中心的處理器來實現(xiàn) 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(shù) MCU 的能力。

　　EtherCAT

　　我們將在這里討論的最后一項技術(shù)是用于控制自動化技術(shù)的以太網(wǎng)。EtherCAT 試圖解決我們在本文前面沒有描述的確定性應(yīng)用中的以太網(wǎng)核心問題。通常，以太網(wǎng)依賴于將信息從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點的相對較大的數(shù)據(jù)幀。如果控制器需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€遠(yuǎn)程節(jié)點，它必須在順序幀中這樣做。在許多控制應(yīng)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?fù)洹Ｖ鞴?jié)點可以將多個從節(jié)點的數(shù)據(jù)混合到一個幀中。此外，拓?fù)浯_保確定性響應(yīng)。該技術(shù)允許同時向多個節(jié)點發(fā)送消息，因為 EtherCAT 技術(shù)組沒有指定單個控制周期的最小值。但是，該組織報告說您可以在 30 μs 內(nèi)更新 1，000 個 I/O。

　　與其他工業(yè)以太網(wǎng)類型一樣，EtherCAT 技術(shù)也有其優(yōu)點和缺點。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(shè)計的典型飛思卡爾方法。如您所見，該實施同時支持傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議。

　　圖 2：飛思卡爾在廣泛的 MCU 架構(gòu)中支持 EtherCAT 主站功能，包括基于 Power Architecture 的架構(gòu)，在某些情況下甚至包括 ColdFire MCU。

　　從屬實現(xiàn)是另一回事，因為從屬必須實時剖析每一幀以找到指向它的數(shù)據(jù)。與 PROFINET IRT 技術(shù)一樣，實時幀處理需要 FPGA 或 ASIC。

　　盡管如此，EtherCAT 似乎正在獲得動力。隨著 MCU 集成度和性能的提升，設(shè)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(shè)中。今年早些時候德州儀器（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(yīng)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(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)要困難一些。然而，以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量的支持，因此您可能會發(fā)現(xiàn)將控制數(shù)據(jù)與操作信息甚至多媒體內(nèi)容混合起來很方便。您可能需要更強(qiáng)大的 MCU 或處理器來支持工業(yè)以太網(wǎng)，甚至是 FPGA。如果您在控制應(yīng)用程序中遇到帶寬問題，這種選擇可能被證明是最可行的選擇。