支持多协议的工业以太网芯片纷纷亮相

飞扬紫百合

多种工业以太网规格各自为政，支持哪个好呢？这是让供应传感器和致动器等现场设备，以及PLC等控制器的工业设备厂商头疼的问题。为了减轻这种负担，半导体厂商开始提供支持多种协议的工业级以太网通信芯片（表A-1），用户从支持的多种协议中选择一个使用即可。


       半导体厂商的方法大致有两种，分别是采用FPGA的方法和提供专用芯片的方法。

       使用FPGA的方法的特点是，易于支持多种工业以太网。工业设备厂商选定一种协议，使用时指定支持该协议的IP（知识产权）。即使因某种原因突然采用不同于当初预定的规格，只需在FPGA中改为新的IP即可。赛灵思日本公司介绍说，“工业以太网规格处于各自为政的状态，尤其是在增长旺盛的亚洲市场，很难统一成一种协议。于是，FPGA就有了用武之地”。

利用外置CPLD减轻负担

       这种优点是采用FPGA的方法共有的，不过各公司产品提供IP的方法各不相同。例如，阿尔特拉从2012年秋季开始面向工业以太网提供在FPGA上外置专用CPLD的解决方案。用户利用该CPLD，就无需预付采用各规格IP所需的授权费，也能省去供货报告及使用条件的交涉等手续（图A-1）。目的是减轻用户负担注A-1）。


图A-1：通过认证用CPLD减轻授权使用时的负担
阿尔特拉提供的方案可省去在FPGA上利用工业以太网规格协议IP时所需的手续。为FPGA外置认证用CPLD，就能省去使用各规格的IP时所需的授权许可手续和授权费等。
注A-1）阿尔特拉在提供IP方面与德国Softing展开了合作。

       用户把必要的IP下载到FPGA上进行评估，量产配备FPGA的设备时，只需外置CPLD即可。CPLD是认证用密钥，使下载的IP能实际使用。该方法虽然能省去很多手续，但会产生追加CPLD的成本。批量购买5000个时，用于EtherCAT的CPLD的单价为3.95美元，用于其他规格的CPLD为3美元。

       而赛灵思的方案与之不同，提供的是嵌有IP的FPGA单体。虽然需要用户处理使用IP时的手续，不过该公司表示，“FPGA明明已经具备了功能，却要外置部件，恐怕用户难以接受”。

抑制耗电量
        第二种方法是提供专用芯片，瑞萨电子2013年6月开始量产支持多种协议的专用芯片。该芯片的特点是，除了处理器内核外，还通过配备多种加速器确保实时性，降低了耗电量（图A-2）。据该公司介绍，“与FPGA相比，只需约1/10的耗电量”。在工厂的现场设备中，从设备大多体积较小，为避免振动，还有不配备风扇的产品。这些设备容易聚热，因此需要使用耗电量小、发热量低的芯片。

       配备的加速器有两种。一种是可缩短工业以太网协议处理相关任务的启动时间和切换时间等的“实时OS加速器”。另一种是执行内存拷贝和报头排序等以太网通信相关处理的“以太网加速器”。


图A-2：配备加速器确保实时性
瑞萨电子的工业以太网通信LSI“R-IN32M3系列”配备两种加速器，确保了通信和处理的实时性。分别是以太网通信用加速器，以及可缩短工业以太网协议处理相关任务的启动时间和切换时间等的加速器。
       瑞萨电子的产品有两种，分别为配备CC-Link IE Field控制器电路的品种和配备EtherCAT控制器电路的品种。前者配备CC-Link IE Field所需的1Gbit/秒的MAC层，但物理层LSI需要外置。后者配备EtherCAT所需的100Mbit/秒的MAC层和物理层。

       这两种产品均支持EherNet/IP和PROFINET RT。利用这两种规格时，用户必须要使用瑞萨电子以外的企业提供的协议处理用软件。

       德州仪器（TI）也是提供支持多协议的工业以太网芯片的公司之一。为实现工业以太网要求的实时处理，该公司的微处理器“AM335x”配备了名为“ICSS”的协处理器。除EtherCAT外，还支持PROFINET IRT、EherNet/IP。

       该公司的产品已开始被采用，例如，已配备于日立产机系统支持EtherCAT的I/O从设备（图A-3）。


图A-3：德州仪器的采用事例
采用德州仪器EtherCAT芯片的日立产机系统的I/O从设备。照片是在2013年7月举行的“TECHNO-FRONTIER 2013”上展示时的样子。