如何选择合适的工业以太网标准设备（工业以太网标准有哪些）

帖子中讨论的其他部分：TIDEP0010、TMDSICE3359

客户和同事经常问我工业以太网的用途（在哪里使用），尤其经常被问到许多不同工业以太网标准的优点。

这个新的博客系列面向决定在其系统中使用工业以太网的设计人员。笔者将讲一下几种常见的工业以太网通信协议。这可以帮助您更好地选择最适合您的应用的标准。

工业以太网适用于工厂自动化和控制、过程自动化、楼宇自动化和许多其他工业应用。与标准以太网相比，工业以太网的优势之一是确定性的实时数据交换和小于1毫秒的同步周期时间。

有20 多种工业以太网协议作为标准部署并用于工业应用：其中包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP 和Ethernet Powerlink。为什么有这么多标准可供选择？原因是每个工业设备制造商似乎都知道最好需要通过以太网进行实时数据交换，并且基于过去对串行现场总线世界的了解开发了自己的标准。

您无法通过标准以太网媒体访问控制(MAC) 来实施大多数工业以太网标准；它们需要专用集成电路（ASIC）或专门的现场可编程门阵列（FPGA）。这是因为以太网帧是动态接收的（也称为“快捷方式”），这意味着：当第一个以太网端口接收到帧时，该帧已经被处理并传输到专用工业以太网端口。 MAC 硬件块被传输到第二个以太网端口。使用捷径方法，以太网帧的端口到端口延迟可以达到小于1 s。

另一方面，标准以太网MAC 使用存储转发方法。必须先接收完整的以太网帧，然后以太网MAC 才能对帧执行任何处理或转发。这会增加帧的抖动和延迟，因此对于工业设备制造来说这不是一个好的选择。

可编程实时单元和工业通信子系统（PRU-ICSS）提供了极大的灵活性来支持各种工业以太网协议，但我想稍后详细讨论这些。

Sercos 已在工厂自动化应用（适用于机械工程和建筑）中流行25 年。 Sercos III 是第三代协议，于2003 年开发。这种高效且确定性的通信协议将Sercos 接口的实时数据交换与以太网相结合。迄今为止，Sercos III 技术集成仅在FPGA 中实现。

一个Sercos III 主设备可以控制多个Sercos III 从设备（例如驱动器、传感器以及模拟和数字I/O 设备） —— 图1 说明了这种情况。一台主设备最多可以控制511个从设备。

Sercos III 的一个关键优势是它支持环型拓扑和线型拓扑。如果以太网电缆出现故障，Sercos III 网络可以切换到线型拓扑，从而允许主设备继续与网络中的所有从设备进行通信。一旦以太网电缆修复，主设备就可以将Sercos III 网络从线型拓扑切换到环形拓扑。

通信协议是时分复用的，如图2 所示。在Sercos III 通信周期内，有一个专用于实时Sercos III 帧的时间片，称为实时(RT) 通道。在此时间片期间，主设备和从设备可以交换可编程逻辑控制器(PLC) 内使用的过程数据。在第二个时间片（称为统一通信通道(UCC)）中，网络内的所有设备（主设备和从设备）都可以交换标准互联网协议(IP) 消息。 UCC 可用于从Web 服务器交换信息、通过简单文件传输协议(TFTP) 更新设备软件或为基于IP 的应用程序（任何类型）传输以太网帧。

将FPGA 与Sercos III 结合使用会增加成本和电路板空间。消除额外成本因素的替代解决方案是使用PRU-ICSS ——，这是许多TI Sitara 处理器中可用的外设。例如，TI 为AM335x 处理器提供PRU-ICSS 固件，无需外部FPGA 即可启用Sercos III 从设备。您可以使用图3 中所示的TMDSICE3359 评估板来评估该解决方案。此外，您可以通过访问TI Designs Sercos III 通信开发平台(TIDEP0010) 找到有关Sercos III 解决方案的更多信息。

我希望这篇博文能让您深入了解Sercos III 的功能。如果您想知道哪种工业以太网标准最适合您的应用，请务必关注工业以太网博客系列并了解有关其他工业以太网标准的更多信息。

编辑：jq