使用一個基于FPGA平臺實現(xiàn)不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計方法

工業(yè)以太網(wǎng)是指使用基于以太網(wǎng)的協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)自動化和產(chǎn)品機械控制中實時可靠的通信，在車間底層控制器之間、車間之間，以及車間和辦公室之間通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通用平臺。由于這些協(xié)議在以太網(wǎng)物理層，即第1層上實現(xiàn)基于相同的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，因此可以使用一個基于FPGA的平臺來支持不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，不論這些協(xié)議有怎樣的實時屬性和實現(xiàn)方法。

對于速度和實時性能要求非常高的協(xié)議，在硬件中以專用協(xié)議MAC的形式實現(xiàn)實時功能。而協(xié)議的其他功能由運行在嵌入式處理器中的軟件堆棧來完成，這些處理器可以是在 Cyclone III FPGA中實現(xiàn)的Nios II軟核處理器。

工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r

圖1是來自ARC咨詢集團的市場數(shù)據(jù)。ARC預(yù)測在今后幾年內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)市場會出現(xiàn)強勁增長。其中，在2011年之前工業(yè)以太網(wǎng)器件和交換機銷售增長年度復(fù)合增長率將達到30％。

圖1 ARC咨詢集團預(yù)測：今后5年中以太網(wǎng)現(xiàn)場器件和交換機年度復(fù)合增長將達到30%

目前的工業(yè)通信環(huán)境還不統(tǒng)一，有較多的競爭工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，很多解決方案采用了ASIC、ASSP和MCU來實現(xiàn)。這類硬件不是很靈活，需要針對用戶支持的每一種協(xié)議改變硬件和相應(yīng)的軟件堆棧。

目前，有幾種開放標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括EtherCAT、Ethernet IP、Modbus/TCP、PROFINET、Ethernet POWERLINK和SERCOS III。這些協(xié)議都可以使用單一硬件設(shè)計在FPGA中實現(xiàn)，使工程師能夠在一個支持多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺上進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

隨著時間的推移，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)采用了基于FPGA的平臺。推動工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化以及過程系統(tǒng)中應(yīng)用的主要因素包括平臺的通用性和性能、辦公室和工廠信息集成以共享實時信息、降低總成本等。

工業(yè)以太網(wǎng)解決方案支持通用平臺，從而推動了辦公室和工廠集成，在底層控制器和車間管理之間建立鏈接，共享實時信息，實現(xiàn)迅速響應(yīng)。同時還可以通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接車間內(nèi)部、車間之間以及車間和辦公室之間的實時和非實時系統(tǒng)，與對應(yīng)的現(xiàn)場總線協(xié)議后向兼容，支持新系統(tǒng)和老系統(tǒng)之間的平臺操作。

開放協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)簡化了設(shè)備實施和網(wǎng)絡(luò)通信，有助于工廠從多層現(xiàn)場總線過渡到單一的以太網(wǎng)，支持各種商用設(shè)備和電纜，即使工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議出現(xiàn)了變化，也可以重復(fù)使用這些設(shè)備和電纜。

通過定制網(wǎng)絡(luò)，支持多種拓撲，能夠在網(wǎng)絡(luò)中增加或者去掉器件，提供更多的控制功能，而且不會影響系統(tǒng)其他部分的工作，從而縮短了開發(fā)時間。

工業(yè)以太網(wǎng)基于穩(wěn)定、成熟、可靠的以太網(wǎng)技術(shù)，降低了實施、維護和總的系統(tǒng)成本，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品更迅速地面市，不需要ASIC、ASSP和MCU設(shè)計昂貴的專用解決方案，避免了硬件和軟件改動導(dǎo)致的高成本。

工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以分成三類體系結(jié)構(gòu)（圖2）：A類、B類和C類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

A類使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) TCP/IP，主要用于非實時信息層面的應(yīng)用，例如工廠自動化、低速傳感器和HMI顯示等PLC應(yīng)用。其典型的響應(yīng)時間大約為100ms左右，或者更長。 EtherNet/IP、Modbus/TCP和PROFINET CBA是這一類中常見的以太網(wǎng)協(xié)議。

B類在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件之上使用定制軟件堆棧，提供適當(dāng)?shù)膶崟r性能，響應(yīng)時間小于10ms。B類適合低精度電機控制和遠程I/O通信等應(yīng)用，涉及到Ethernet Powerlink和PROFINET RT等協(xié)議。

C類在MAC層使用改進后的硬件，同時使用定制軟件來實現(xiàn)確定的快速實時性能，一般小于1ms，適用于器件級的精確運動控制等應(yīng)用。EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III都是C類工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的例子。C類體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)流量帶寬小于A類體系結(jié)構(gòu)。

為支持所有三類工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，需要具有全面的可配置平臺能力，能夠同時改變硬件和軟件。

基于FPGA的以太網(wǎng)實現(xiàn)

傳統(tǒng)上，微控制器、ASIC或者ASSP一直用于實現(xiàn)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。這些產(chǎn)品具有很高的性價比，當(dāng)功能、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和I/O固定不變，或者沒有硬件改變時，工作情況良好。然而由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，而工業(yè)應(yīng)用要求產(chǎn)品生命周期非常長，通常在10年以上，此時，這些產(chǎn)品便具有一定的局限性。每一個新的解決方案都需要對電路板進行重制，無數(shù)的軟件編程人員將代碼移植到新處理器和新平臺上，這是非常耗時的過程。

Altera Cyclone III系列等FPGA可以在同一平臺上將處理器功能和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與其他定制IP或者接口進行更新和集成。當(dāng)工程師熟悉了Altera提供的 Quartus II和SOPC Builder等FPGA開發(fā)工具后，工作就會變得非常簡單。

圖3是支持工業(yè)以太網(wǎng)的典型應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)。所有工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都基于IEEE 802.3以太網(wǎng)物理層。所以，在圖3的下部，PHY和總是相同的。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)應(yīng)用中，可以在PHY之上采用標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)訪問控制器或者MAC，對于非實時工業(yè)協(xié)議，這就是其典型的實現(xiàn)方式。

圖2 工業(yè)以太網(wǎng)分類

圖3 支持工業(yè)以太網(wǎng)的典型應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)

Ethernet IP、Modbus/TCP和Ethernet POWERLINK等協(xié)議應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)MAC，因此，可以只修改運行在Nios II處理器上的軟件堆棧，使用相同的以太網(wǎng)MAC IP來支持這些協(xié)議。

對于EtherCAT、PROFINET IRT和SERCOS III等有實時要求的協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)MAC就不能滿足要求了。在這種情況下，必須使用專用協(xié)議MAC。對于采用了Cyclone III等FPGA的設(shè)計，可以使用支持專用協(xié)議的MAC來替代標(biāo)準(zhǔn)MAC。某些協(xié)議還可能需要支持IEEE 1588功能，或加入集線器或者交換機以提高性能，增加環(huán)形保護等其他功能。

正確的應(yīng)用這些硬件就可以接收任何工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包。此時，用戶需要一個處理器來處理數(shù)據(jù)包、管理通信功能。在FPGA中采用Nios II處理器內(nèi)核等軟核處理器很容易實現(xiàn)這些功能，在這類處理器上可以運行實時操作系統(tǒng)。

這種實現(xiàn)方法針對不同的堆棧，為工程師提供了一致的軟件平臺，在實現(xiàn)單芯片多標(biāo)準(zhǔn)解決方案時很容易對軟件進行支持和維護?，F(xiàn)在，用戶可以通過任何工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

通過軟件API抽象出以太網(wǎng)鏈接接口是實現(xiàn)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)流的最佳方法，這樣，當(dāng)改變工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時，只需要很少的改動甚至不用改動就可以運行應(yīng)用程序。在支持多標(biāo)準(zhǔn)時，節(jié)省了大量的時間和投入。軟件API通過雙端口 RAM、串行I/O或者并行I/O進行通信。應(yīng)用軟件可以運行在外部處理器或者FPGA內(nèi)部的另一Nios處理器上。

FPGA硬件提供靈活的平臺，任何時候都能夠重新配置，支持對產(chǎn)品特性進行立即更新。這意味著可以在同一 Cyclone III FPGA上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)或者定制工業(yè)以太網(wǎng)MAC、DSP模塊以及其他定制邏輯和I/O接口，提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的性能和接口能力。

基于Altera FPGA的解決方案和硬件/軟件設(shè)計工具能夠設(shè)計并集成工程師所需要的一切功能。嵌入在FPGA中的Nios II軟核處理器可以用于運行以太網(wǎng)堆棧驅(qū)動軟件和其他功能。甚至還可以加入第二個處理器，以支持應(yīng)用層軟件。而且，Ethernet IP和SERCOS III等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議僅以IP的形式發(fā)布，允許使用FPGA來支持這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。這一方法提供了單一平臺，很容易滿足需求的變化。不必花費大量時間針對每一以太網(wǎng)協(xié)議導(dǎo)入軟件堆棧，在處理器上運行，而是使用現(xiàn)成的工具和軟件堆棧，支持所有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。而且，在FPGA平臺上改動設(shè)計時，不需要針對每一新協(xié)議來設(shè)計新電路板。一塊電路板能夠支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，從而減小了NIE的費用，降低了長期擁有成本。FPGA中實現(xiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議能夠在不同的設(shè)計和FPGA器件系列之間進行移植，因此，下一代產(chǎn)品可以重新使用相同的IP。Altera及其合作伙伴所提供的工業(yè)以太網(wǎng)快速開發(fā)解決方案確保了較短的產(chǎn)品面市周期。靈活的FPGA支持在最終產(chǎn)品中應(yīng)用早期工程工作，設(shè)計人員可以在最后一刻更改設(shè)計，避免PCB重制。

SOPC Builder軟件工具

SOPC Builder是設(shè)計用于自動交付、配置和集成IP模塊的工具，它采用了窗口類型的圖形開發(fā)環(huán)境，用戶可以在其中建立全部的CPU系統(tǒng)，甚至不需要寫入 HDL代碼。這樣，去掉了耗時的手動編碼過程，設(shè)計人員能夠?qū)⒕性趦?yōu)化解決方案上。

通過圖4，可以看到SOPC Builder窗口以及集成到設(shè)計中的Altera IP、第三方IP和硬件模塊列表。當(dāng)用戶點擊這些IP模塊時，右側(cè)會打開一個配置窗口，從這里可以選擇需要的配置選項，加入到用戶的系統(tǒng)中。加入所需的 IP后，會看到所選的組件列在主窗口中，窗口左側(cè)是已經(jīng)自動連接在一起的模塊。用戶可以隨時通過鼠標(biāo)編輯它，重新配置IP組件或者鏈接，為其應(yīng)用建立理想的系統(tǒng)。完成系統(tǒng)后，只需要簡單的點擊底部的“Generate”按鈕，告訴SOPC Builder生成一個集成硬件模塊，它含有設(shè)計人員所選擇的所有IP以及從GUI中選擇的配置和鏈接。SOPC Builder生成完整的設(shè)計，將其交給Quartus II設(shè)計環(huán)境，并對系統(tǒng)進行編譯，建立HDL仿真模型或者FPGA配置文件。

嵌入式軟件開發(fā)流程

圖5是嵌入式軟件的開發(fā)流程圖。如果是硬件設(shè)計人員，那么不需要很大的投入就可以不斷修改設(shè)計，實現(xiàn)最佳系統(tǒng)。但是，如果是軟件工程師，在典型的硬件/軟件集成過程中所面臨的挑戰(zhàn)是必須跟上不斷變化的處理器平臺。與修改FPGA和Nios II處理器配置相比，軟件更新需要做很多工作，要花較長的時間來進行更新。由于SOPC Builder還生成含有所有硬件配置信息的文件，這樣，Nios II軟件開發(fā)環(huán)境就能夠?qū)崿F(xiàn)定制軟件，建立專用硬件支持庫。這種庫含有系統(tǒng)需要的所有器件驅(qū)動以及硬件抽象層，即HAW，提取出訪問硬件的所有應(yīng)用程序。如果改動硬件，軟件環(huán)境會探測到這些改變，在軟件工程中自動更新所有硬件設(shè)置和器件驅(qū)動。這種自動工具解決方案能夠幫助硬件和軟件工程師更迅速、簡單地修改設(shè)計，不會出錯。