Hoki评测Artix-7 50T开发板 (五) 工业以太网应用

huxiaokai2005

此篇介绍一下工业以太网的应用，并评测在Artix-7 50T开发板上的实现：

工业以太网，顾名思义，其是应用在工业控制领域的专用以太网协议，应用领域如定子传动系统，机床，机器人，楼宇技术等。IEEE802.3以太网中存在的用于解决数据碰撞的机制带来了数据传输的延迟， 为了达到实时性能，工业以太网协议采用了不同的方法去避免这种碰撞， 对于硬实时，信号传输时间必须精确的按照时间帧来进行， 或者他们可以触发一个错误机制。循环时间在数百个毫秒的系统应用对于软件实时是足够的， 例如温度控制， 而对于数字控制或运动控制应用经常需要其循环周期小于1mS。综上，实时性可谓是工业以太网中一项比较重要的系统指标了。

现市场大约四分之三的工业以太网使用Ethernet/IP， PROFINET，或Modbus/TCP。 其次为POWERLINK，EtherCAT和SERCOS III这三个系统特别适合硬实时性要求，以下为各工业以太网系统结构图：

• Ethernet/IP

在标准以太网硬件上运行，并同时使用TCP/IP和UDP/IP进行数据传输，通常实现10ms左右的软实时性能。

• PROFINET 过程现场网络

通常用于软实时或没有实时性要求的应用市场，在应用层配置协议包数据，在数据链路层和物理层使用标准的以太网。数据传输，高优先级的有效载荷数据通过以太网协议并以以太网帧VLAN的优先次序直接发送，而诊断和配置数据发送使用UDP/IP。通常系统实现循环周期约10ms的应用。

• POWERLINK

完全免专利费的技术，独立于供应商，采用纯软件方式的协议，却可达到硬实时的性能，μs级别。POWERLINK集成了完整的CANopen机制，并充分满足IEEE802.3以太网标准，即该协议提供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热插拔，允许网络以任意方式进行拓扑。

• EtherCAT 以太网控制自动化技术

基于集束帧方法：EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包，这个帧按照顺序通过网络上的所有节点，当它到达最后一个帧，帧将被再次返回。当它在一个方向上通过时节点处理帧中的数据，每个节点读出数据并将响应数据插入到帧中。

另外EtherCAT实现并不是基于标准的以太网硬件，需要配合专用的ASIC或者基于FPGA的硬件来处理数据。

• SERCOS III

在主站和从站均采用特定硬件，这些SERCOSIII硬件减轻了主CPU的通信任务，并确保了快速的实时数据处理和基于硬件的同步，从站需要特殊的硬件，而主站可以基于软件方案，SERCOS用户组织提供SERCOSIII的IP Core给基于FPGA的SERCOSIII硬件开发者。SERCOSIII采用集束帧方式来传输，网络节点必须采用菊花链或封闭的环形拓扑，由于以太网具有全双工能力，菊花链实际上已经构成一个独立的环。因此对于一个环形拓扑实际上相当于提供一个双环，使得它允许冗余数据传输。直接交叉通信能力是由每个节点上的两个端口来实现，在菊花链和环形网络，实时报文在他们向前和向后时经过每个节点，因此，节点具有在每个通信周期中相互通信两次而无需通过主站的能力，无需经过主站对数据进行路由。

• Artix-7 50T工业以太网应用

笔者的项目是工业以太网在Artix-7 50T开发板上的应用，通过数据链路层和物理层采用专用的以太网结构，使性能可以达到硬实时，类似的实现有EtherCAT和SERCOS III，笔者的项目实现架构类似于SERCOS III，相比于EtherCAT结构，优势在于具有直接交叉通信能力，主站与从站、从站与从站之间的数据交互可以在一个通信周期内完成。

在Artix-7 50T开发板中实现一个主站的功能，另外还需要从站的开发板，因此笔者另外找了一块开发板：LX9 Microboard

▼ 主站和从站最佳CP

主站与从站连接如下图，其中数据流向如下：

1）
由主站发出，从站接收数据；

2）
从站返回数据，主站接收数据；

3）
主站上传数据至PC

数据交互动态图

solala

不错，学习学习。。。