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本帖最后由 huxiaokai2005 于 2016-9-13 16:33 编辑
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
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