利用FPGA實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計優(yōu)化

基于以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)市場中增長最快的技術(shù)之一。大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議,因此這些網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和實(shí)時數(shù)據(jù)。但每個標(biāo)準(zhǔn)都采用不同的技術(shù)來提供實(shí)時性能,一些采用定制硬件,一些利用定制軟件,還有的采用完全標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)/TCP/IP實(shí)現(xiàn)。結(jié)果就出現(xiàn)了眾多不同等級性能、不同成本的互不兼容標(biāo)準(zhǔn)。

針對以太網(wǎng)協(xié)議非確定性通信時間的一個越來越普及的對策是在每個設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個本地時鐘。由于大多數(shù)設(shè)備都有微處理器及(相對)高速度的時鐘,因此這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)。若能在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)和保持精確的時鐘同步,同時控制整個系統(tǒng)的精確運(yùn)作時序,那么該方法的唯一限制就是通信延時以及系統(tǒng)范圍內(nèi)的時鐘同步精度。

這種系統(tǒng)控制方法不適合精確運(yùn)動控制(如對負(fù)荷不斷變化的電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制)等應(yīng)用,因為它們要求控制器和設(shè)備間的通信延時很短,但它對需要高度同步系統(tǒng)級控制(如速度變化)的整個系統(tǒng)(比如一家大型印刷廠或一條很長的自動化生產(chǎn)線)的精確控制很有用。如果有足夠的時間給每臺設(shè)備發(fā)一條指令,則對這種基于時鐘的控制精度的唯一制約就是系統(tǒng)范圍內(nèi)的時鐘同步精度。

幾個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(不僅僅是基于互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn))正在采用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)來提供這種控制能力。IEEE 1588提供了高度精確的主時鐘及經(jīng)過驗證的時鐘同步機(jī)制,可用來生成所有本地時鐘,并與主時鐘保持非常精確的系統(tǒng)級同步。

基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)因其低成本以及以太網(wǎng)的易于實(shí)現(xiàn)而備受青睞。以太網(wǎng)交換機(jī)是有助于發(fā)揮這些優(yōu)勢的關(guān)鍵部件,而企業(yè)系統(tǒng)也非常依賴它們實(shí)現(xiàn)高性能和易于維護(hù)的基礎(chǔ)架構(gòu)。交換機(jī)的這一巨大企業(yè)市場意味著它們很容易實(shí)現(xiàn),而且成本低廉,但目前市場上的大多數(shù)交換機(jī)不是針對低延時性能或確定性路由時間設(shè)計的,因此很難用于工業(yè)環(huán)境。

作者:Francois Balay   來源:電子工程專輯
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