如何选择？ 工业以太网标准详解

适应 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1)设计、开发，并维持两组驱动设计;或者 2)包括 ASSP 以支持多种协议 —— 希望协议不会变化;或者 3)使用可编程平台表 1 列出了流行于全世界的某些竞争以太网标准。

表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

过去，当工业以太网标准使用标准 MAC/ 交换时，很容易采用微处理器单元 (MPU) 进行通信。如果您需要支持新标准，您只需要交换协议栈 ( 软件 )。但是，正如前面所讨论的，很多新标准需要特殊的 MAC 实现。很显然，应对这些新标准时，在标准 MPU 上采用标准以太网 MAC 和交换机对通信协议进行标准化处理是不够的。

某些 MPU 供应商开发了新方法，例如开发专用嵌入式处理器使用的定制微代码，用于仿真非标准 MAC。但这些是很深奥的方法，可能会有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 实现的协议通常采用定制硬件方法，取决于产量以及要求的价格点而使用 ASIC 或者 FPGA。

此外，MAC 设计总是有可能随着标准的发展而改变。为保证您的设计今后不会过时，采用可编程方法是最安全的。

向千兆以太网的发展

另一考虑是今后向千兆以太网发展。由于几乎所有的 FPGA 都支持千兆以太网，即使标准开始向高于 1 Gbps 速率发展，经过深思熟虑的系统设计也需要新的 FPGA 编程文件来支持这类标准的发展。在可编程架构中以深度嵌入的功能来实现工业以太网使您不仅能够以相同的硬件灵活的支持多种协议，而且还受益于高度集成的设计：功耗、成本和外形封装。

未来是芯片驱动

与基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的传统驱动技术不同，基于一个 Altera® Cyclone® V FPGA 等单片 FPGA 平台的驱动系统提供了可扩展平台，满足了各种驱动需求，如图 4 所示。

图 4. 芯片驱动系统设计降低了 BOM 成本，减小了外形

Altera FPGA 支持您采用多种处理器体系结构，例如，Nios® II 嵌入式软核处理器，或者功能更强大的双核 ARM® CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核处理器。采用最新的工业以太网协议、数字编码器接口、浮点算法以及器件增强功能，例如，存储器控制器、精度可调 DSP 模块和收发器以及基于 FPGA 的电机控制系统，支持多种操作系统，使您能够集成传统的 FPGA 功能和驱动控制环以及通信协议功能。采用单芯片实现驱动系统的这些数字功能，因此，工业以太网成为集成到 FPGA 中众多的功能模块中的一个。

简化工业以太网许可和设计

让我们从系统规划人员设计驱动模块的角度了解一下某些难点：

(1)系统必须能够采用多种工业以太网协议重新编程，这样，系统可以采用任何可编程逻辑控制器 (PLC) 进行工作。

(2)OEM 需要使用多种经过硬件测试的工业以太网协议。由于产品面市和预算压缩了所有时间，因此，不可能与每一协议供应商分别进行协商。

(3)不同的驱动模块支持不同的特性，有不同的价格，因此，非常重要的是协议知识产权 (IP) 能够适用于多种 FPGA。

为解决这些难题，设计人员需要向 OEM 提供大部分从机工业以太网协议，而且没有前端许可，没有单独的版税。这类解决方案是由 Altera 和 Softing 工业自动化有限公司提供的，这是一家制造和过程自动化工业通信产品和技术前沿供应商。采用 Altera 和Softing 解决方案，您能够使用图 5 显示的所有协议，不需要许可协商，没有前端许可成本，也不需要单独的单片版税。相反，通过四个快捷步骤提供解决方案：

(1)选择要实现的工业以太网协议 —— 甚至选择一个以上。

(2)从 Softing 下载定制从机协议 IP 和软件堆栈，适用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。

(3)在 Quartus® 软件和硬件 ( 开发套件 ) 中评估您自己设计中的 IP。

(4)从 Altera 购买特殊安全 CPLD，在产品中实现任何所选择的协议。

图 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您设计大部分从机工业以太网协议，具有完整的 “ 无困难 ” 许可

协议 IP 的结构

让我们看一下协议 IP 的结构，您可以下载它来实现您需要的工业以太网协议。工业以太网协议 IP 有逻辑组件和软件 ( 堆栈 ) 组件。逻辑组件为各种协议实现所需的硬件模块，例如，PROFINET 和 EtherNet/IP 交换模块，以及 POWERLINK 集线器，等。以 “ 黑盒 IP” 的形式提供 IP，意味着，不提供内部源 RTL。必须通过定义好的有记录的接口来使用这一 IP。

软件组件包括运行在免费操作系统 (OS) 中的协议栈，例如，eCOS，以 Nios