以太網(wǎng)在企業(yè)網(wǎng)絡中的主導地位使其在工業(yè)網(wǎng)絡領域具有明顯的優(yōu)勢。在整個企業(yè)中使用單核協(xié)議可以使數(shù)據(jù)從工廠無縫地流向業(yè)務部門，從而可以更有效地管理生產(chǎn)計劃，最大限度地降低庫存成本并優(yōu)化維護操作。

以太網(wǎng)不是為然而，工廠車間以及標準以太網(wǎng)的主要缺點是它無法提供許多工業(yè)應用所需的實時響應，例如過程和電機控制。幾十年來，諸如CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡)和PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)之類的確定性協(xié)議主導了工業(yè)網(wǎng)絡。盡管這些協(xié)議仍然保持著相當大的市場份額，但幾年前以太網(wǎng)變體開始出現(xiàn)，提供了標準以太網(wǎng)所缺乏的實時性能。

為了合理化工業(yè)網(wǎng)絡中產(chǎn)生的非生產(chǎn)性多樣性，2001年開放設備供應商協(xié)會(OVDA)的成立是為了創(chuàng)建和維護通用工業(yè)協(xié)議(CIP)以確保某種程度的兼容性。從那時起，包括EtherNet/IP，DeviceNet，ControlNet和CompoNet在內的多種協(xié)議已在其協(xié)議棧的上層實現(xiàn)了CIP?，F(xiàn)在有數(shù)百家供應商支持CIP。

EtherNet/IP是CIP在IEEE 802.3定義的標準以太網(wǎng)上實現(xiàn)的名稱。 EtherNet/IP中的“IP”代表工業(yè)協(xié)議。

EtherNet/IP技術

圖1顯示了如何使用CIP實現(xiàn)多標準環(huán)境。來自頂層CIP塊的紅色箭頭定義了通過UDP進行實時控制的路徑。綠色箭頭顯示標準IEEE 802.3以太網(wǎng)的路徑?？傊鼈儼珽therNet/IP?？梢允褂矛F(xiàn)有的TCP/IP堆棧開發(fā)產(chǎn)品，或者在工業(yè)應用中，可以簡單地修改現(xiàn)有的Modbus接口以與PLC通信。

圖1：CIP完全兼容以太網(wǎng)和Internet協(xié)議(由開放設備供應商協(xié)會提供)。面向對象的編程模型

CIP使用對象模型來簡化軟件開發(fā)。在應用層中定義了與公共接口和行為相關的一組對象和設備配置文件。 CIP使用三類對象：應用程序對象，它定義表示設備數(shù)據(jù)的方法;定義以太網(wǎng)/IP特定功能的網(wǎng)絡對象以及如何配置IP地址等參數(shù);和通信對象，它們創(chuàng)建了建立通信關聯(lián)和訪問設備數(shù)據(jù)和服務的方法。

CIP網(wǎng)絡上設備之間的端到端通信由CIP通信服務處理。由于EtherNet/IP將CIP通信服務映射到以太網(wǎng)和TCP/IP，因此可確保多廠商互操作性。

EtherNet/IP節(jié)點的組件

每個EtherNet/IP節(jié)點包含四個與OSI模型對應的層。它們如下：

物理層(PHY)。只要支持100 Mbit/s數(shù)據(jù)速率，就可以使用任何標準以太網(wǎng)介質(雙絞銅線或光纖)。

數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)包從設備傳輸?shù)皆O備并包含以太網(wǎng)/IP MAC，可以通過ASIC，F(xiàn)PGA或運行高速固件的定制硬件實現(xiàn)。

會話/傳輸層，處理TCP/IP以及真實的UDP/IP時間消息。 CIP對象定義也在此層中以啟用與應用程序層的通信。

應用程序層。在節(jié)點內部，應用程序可以在硬件上運行，也可以由嵌入式CPU實現(xiàn)的硬件/軟件組合運行。當然，應用程序必須支持基于EtherNet/IP的協(xié)議。

在實現(xiàn)EtherNet/IP節(jié)點時，設計人員可以選擇多種架構。只要節(jié)點完全由硬件實現(xiàn)，就可以使用ASIC，F(xiàn)PGA或板級解決方案。雖然這些簡單的數(shù)字I/O設備解決方案適用于對成本敏感的產(chǎn)品，但需要配置，監(jiān)控和控制的應用通常也需要MCU。例如，傳感器通常由MCU控制。在EtherNet/IP節(jié)點中，MCU還可以實現(xiàn)設備驅動程序并運行EtherNet/IP協(xié)議棧。 ASIC或FPGA仍然是架構不可或缺的一部分。

嵌入式MCU實現(xiàn)

更復雜的架構將EtherNet/IP節(jié)點作為帶有集成CPU的MCU的外設實現(xiàn)。該架構如圖2所示。處理器可以使用FPGA中的可用門配置。

圖2：帶處理器的集成EtherNet/IP節(jié)點(由德州儀器公司提供)。不使用具有EtherNet/IP節(jié)點的MCU作為外設，而是可以反轉拓撲結構，并且MCU可以在實現(xiàn)EtherNet/IP節(jié)點的同一FPGA或ASIC上實現(xiàn)。從設計角度來看，這種方法需要仔細考慮嵌入式MCU所需的處理能力和時鐘頻率，既適用于目標應用，也適用于未來可能的設計旋轉。 FPGA實現(xiàn)也可能使?jié)M足產(chǎn)品價格目標成為一項挑戰(zhàn)。無論如何實現(xiàn)，MCU都需要一些方法來執(zhí)行與另一個嵌入式外設的實時操作。

‘Sitara™例如，AM33x處理器通過可編程實時單元(PRU)解決了這個問題，它支持與兩個PHY收發(fā)器芯片的低級交互，這兩個PHY收發(fā)器芯片是圖2所示解決方案的一部分。使用固件，Sitara AM33X處理器將整個以太網(wǎng)MAC層封裝在PRU子系統(tǒng)中。

為了優(yōu)化傳輸效率，EtherNet/IP節(jié)點僅處理專門發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)包。中斷用于維護應用程序和ARM處理器之間的實時通信。由于幾乎所有的低級，高速EtherNet/IP功能都由PRU子系統(tǒng)處理，因此ARM處理器幾乎可以分配所有處理能力來運行堆棧和復雜的應用，如電機控制。

TI’s Sitara AM335x處理器采用ARM Cortex-A8處理器，工作頻率為275 MHz，適用于高達1 GHz的基本應用，適用于電機控制等高性能應用。

Sitara AM3352采用275 MHz(AM3352ZCE27)，600 MHz(AM3352BZCZ60)和1 GHz(AM3352BZCZA100)版本。[!--empirenews.page--]

圖3顯示了TI Sitara AM335x處理器的框圖。

圖3：Sitara AM335x框圖(由德州儀器提供)。

以太網(wǎng)PHY設備，如德州儀器的TLK110收發(fā)器完善了設計。 TLK110針對低延遲性能進行了優(yōu)化。它還具有先進的電纜診斷功能，可以快速定位電纜故障。除了TI的解決方案，飛思卡爾半導體還為其幾個處理器系列開發(fā)了EtherNet/IP實現(xiàn)產(chǎn)品。 Molex的實時EtherNet/IP堆棧已移植到飛思卡爾的PowerQUICC和ColdFire處理器上。

軟件和固件

除硬件配置外，開發(fā)人員還應熟悉Sitara解決方案和固件架構等軟件。用于EtherNet/IP從站實現(xiàn)。軟件包含三個基本元素：

數(shù)據(jù)鏈路層功能微代碼，在PRU中實現(xiàn)

EtherNet/IP從屬協(xié)議棧和非IP/IP棧兩者都在ARM處理器上運行的實時通信

應用程序

使用兩個以太網(wǎng)堆棧，因為實時消息傳遞由UDP/IP和 - 來處理最大化效率 - 不經(jīng)常的低優(yōu)先級消息(例如綁定到業(yè)務單元的消息)由TCP/IP處理。

數(shù)據(jù)鏈路層中的固件包括兩個PRU，每個收發(fā)器一個。 PRU管理與兩個硬件接口的連接，并執(zhí)行基本的以太網(wǎng)交換機協(xié)議，如MAC學習，風暴防御和數(shù)據(jù)包統(tǒng)計。兩個PRU使用一組特殊指令通過共享存儲器相互通信以確保協(xié)調。

由于冗余和同步是實時網(wǎng)絡中的重要屬性，因此Sitara固件還執(zhí)行環(huán)形冗余協(xié)議(設備級環(huán)網(wǎng)或DLR)和IEEE的精確時間協(xié)議(PTP/1588)進行同步。采用TLK110的TI Sitara AM335x處理器的延遲小于2μs，這使其成為領先的EtherNet/IP從站解決方案。

固件架構如圖4所示。

圖4：固件架構(禮貌：德州儀器)。

EtherNet/IP設計

EtherNet/IP從站節(jié)點可以在TI的多個AM335x處理器上實現(xiàn)，這些處理器有多種工作頻率可供選擇。毫不奇怪，TI為此解決方案提供模擬產(chǎn)品。 TLK110以太網(wǎng)PHY芯片和TPS65910電源管理芯片都是任何EtherNet/IP從節(jié)點實現(xiàn)的理想選擇。

TI還提供全套工具和軟件代碼。 Sitara AM335x工業(yè)軟件開發(fā)套件(SDK)包括EtherNet/IP協(xié)議的固件，軟件驅動程序，硬件初始化程序，堆棧應用程序編程接口(API)的適配層以及EtherNet/IP協(xié)議棧。

對于硬件設計，TI開發(fā)了一款Sitara AM3359評估板，該評估板面向工業(yè)通信，可編程邏輯控制器(PLC)和運動控制系統(tǒng)。該套件的軟件包括TI的SYS/BIOS™實時內核，EtherNet/IP固件以及EtherNet/IP應用級堆棧的評估版。

該主板的主要組件是EtherNet/IP優(yōu)化的PHY設備，調試硬件，SD/MMC，以太網(wǎng)和UART。附加組件包括用于特定應用，例如運動，電機和過程控制。該套件還可用于開發(fā)其他工業(yè)通信標準，如PROFIBUS，PROFINET-RT和CAN，以及POWERLINK，EtherCAT和SERCOS III等實時以太網(wǎng)標準。

TI還提供低成本Sitara AM3359工業(yè)通信引擎2板(TMDSICE3359)，一種小型(70 x 90 mm)開發(fā)板，專為通信模塊，I/O設備，傳感器和類似應用而開發(fā)，包括EtherNet的基本外設/IP，PROFINET，PROFIBUS和EtherCAT通信標準。 SDK包括基于SYS/BIOS的實時內核，其中包含應用程序級通信堆棧和設備驅動程序。該平臺還包含開發(fā)和調試工具鏈。