【工业开发者论坛精彩笔录】基于Xilinx FPGA的工业以太网技术

中心议题：
    * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自Comtech（科通集团）的技术专家杨智勇在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

大家好，今天很荣幸站在这里来跟大家进行交流，我是来自科通集团科通数字技术公司西安专门支持赛灵思的FAE，我叫杨智勇。目前在西安众多FPGA应用里面，包括公司和所里的很多项目，我们都在提供支持。如果会后大家有什么问题，欢迎跟我交流，如果您在FPGA应用方面有什么问题，也欢迎跟我交流。
   
我今天的题目是：基于赛灵思 FPGA的工业以太网技术，提起以太网，大家可能都不陌生，现在在我们的工作、学习、生活，包括很多应用中，以太网是一个应用非常广泛的东西，而且它的成本非常低廉。它有以下的优点，相当于进入了良性循环一样，促使它的应用越来越被推广，我们来看一下它的一些基本特点。

首先，它的软硬件成本很低，以太网的通讯速率，目前以太网有十兆、百兆、千兆，如果我们走光纤通道的话，现在还有10G的以太网。它的通讯速率基本上在工业的应用场合里，它能够满足大家的应用需求。以太网有一个很明显的缺点，由于它采用载波监听多路访问碰撞检测的机制，举一个简单的例子，如果家里有很多台电脑要上网，我们接了一个路由器，我们分了很多根网线，如果我有多个重设备都要数据发起的时候，这个交换机上或路由器上出口的带宽是一定的，它一定会遇到冲突，这是以太网必然存在的一个东西。在家庭应用里面，比如学习、上网，这些的影响都不明显。但是在工业应用中最需要解决这个冲突，因为在工业运行中它的实时性要求会比较高。比如我们拿以太网去传输一个新令，去控制一个远程的节点或端子，我们需要它快速响应，冲突就成了以太网在工业应用中的一个缺陷，也是应用不可避免的一个瓶颈。

我们看工业以太网，它是基于以太网IEEE802.3的协议，它在工业上能够被广泛的推广，最主要的一个原因是以太网的应用比较广泛，它的协议是透明、统一的，不同的设备厂家各自做各自的开发，或者说同一个设备厂家不同的开发小组做自己的开发，最后大家再集成到一起的时候它没有什么障碍。工业以太网有一个很好的好处，它兼容了以太网的协议，它去和数据信息系统做集成的时候就很方便。比如我有一堆工业以太网的节点应用在工业控制现场，我可以很方便的让它去连接互联网或者是去做一个数据库的东西，它可以很方便的做数据信息系统去集成。工业以太网还有简单的特点，在现在的工业发展越来越自动化的今天，工业以太网在很多生产现场和操作现场很方便来进行安装和操作。刚才我们提到了它的瓶颈是冲突，冲突也是一个实时性的问题，以太网应用到工业现场要去解决的是实时性、安全性和可靠性，怎么样让端子或节点快速收到我的新令，而且是准确的。

在工业以太网这些年的发展历史上也出现了多种不同的协议，这里简单列举了几种，包括Powerlink、EtherCAT，还有Ethernet、IP，包括Sercos、Modbus和Profinet，它实际上是由不同公司提出的一种应用于工业现场以太网的协议，在后面这一列备注的是提出的公司，每一家公司都有自己的组织来推广它的协议和设备的应用。但目前在中国来看，我们会挑选两个来介绍，因为目前在中国工控领域，大家比较认可的一个是Powerlink，一个是EtherCAT，因为Powerlink是一个不需要认证、不需要申请资质，而且它对所有的客户，你只需要邮件注册一下加入一个组织就可以获得它的协议资料，它是一个完全免费的东西，在中国来说，我们判断Powerlink会是一个比较流行的标准。还有一个是EtherCAT，在中国也有人专门推广EtherCAT的工业以太网技术，但是在它的端点设备上要用到专用的集成芯片，而且在目前应用推广量不是非常普及的时候，专用的集成芯片成本可能会有一定的障碍。
   
这里有一个数据表，这个数据表是在2009年的时候有一个咨询机构给出来的，各家以太网协议组织在全球节点的数量市场份额的分布，但是在中国主要看前面这两个，这是在2009年的一个数据，这个咨询机构预计在2014年的时候全球工业以太网应用的控制站点应该会达到1.61亿的站点，工业以太网在工业自动化飞速发展的今天，它有着非常大的增长潜力。

这里有一个简单的工业以太网几种协议的参数比较，比如它的抖动，它的周期，如果一个主站连接了N多个从站，然后我去把所有的从站数据不管是用轮巡的方式还是其他的方式来进行一遍的检测操作，检测数据传输进行一遍的操作，它需要一个周期，这个周期在工业控制领域是很关键的。比如我有一个指令要发给一个远程的端点，如果是一个电机或者其他的控制端在很长周期才做出对应的响应，在工业现场有可能会造成很严重的事故，所以周期的参数在工业以太网里面是比较关键的。这底下也有很细节的其他参数，我们就不一一介绍了。如果哪位感兴趣的话，欢迎在底下和我交流，也欢迎到109科通公司的展台去详细的了解。
   
目前来看工业以太网的应用场景，比如是企业和工厂之间的网关，工业以太网应用的网关，包括现场的控制器PLC，还有现场的电机控制器PAC。还有端口连接，在工业应用上，比如串口CAN总线，包括SERCOS，它也是有自己的一套总线标准。目前来说CAN总线的应用非常广，工业以太网也会提供和这些传统接口很好的连接，包括网络的桥、机器人的接口应用。到器件极的应用，元器件在里面做什么功能呢？它除了以太网的通信数据传输，包括一些协议的解析之外，它还会去做LE端口的扩展、电机的控制，包括传感器和机器人系统，有很多这样的应用。

为什么我们会推基于赛灵思FPGA工业以太网的应用技术？因为赛灵思作为FPGA行业在全球市场股份占有最大的公司，它也是全球六种可编程逻辑器件的创立者、创始者、发明者，在工业自动化领域，赛灵思也做了相当多的工作，在赛灵思里面有工业应用方面的同事，他们会去做工业以太网相关的IP核，做成IP核之后，对于我们这种做开发或者做实际的方案与工程的企业来说，我有了这些IP核就可以大大缩短研发周期，让我的产品得以迅速推向市场。包括ProfiNet、Ethernet Powerlink，包括SERCOS、EtherCAT，各种协议的IP，赛灵思都有提供，也有各种各样的参考数据来帮助我们企业快速的开发自己的产品。

 

这是一个比较通用的架构，这是赛灵思基于工业以太网应用的一个方案框图，在FPGA里面会有工业以太网的协议处理，包括有L端口GPIO的控制，始终管理在FPGA里面，因为我们会有锁相环、PIL、DCM，它有一个时钟控制模块来给这一整片设计上的各个部分提供需要的不同时钟。然后在这里可以看得到有很多传统的接口，在工业控制领域常用的，包括232串口、485串口，CAN总线，还有常用的看门狗、定时器、计数器。赛灵思的FPGA，我们在这里还专门有一个Memory Controller，FPGA支持这个硬核，我已经做到FPGA里面了，因为在很多应用中FPGA内部是不足以缓存大量数据的，这时候我们就需要外挂存储器，比如像DDR SDRAM、DDR2、DDR3，包括后来的QDR，还有QDR+SDRAM，在这里会有内部的硬核控制器。包括在有些领域，比如我做出来的板卡除了和其他设备连接之外，我要不要去和其他的计算机，或者是一些计算机主板的板卡去连接，还会有PCle的接口。

我们把它划分的时候就会分这几部分，一个是实时的以太网协议解析，这个是传统的总线控制端口，因为在目前的工业应用领域，传统的总线控制端口占的应用还是非常多的。这里是以太网的协议站，包括它的一些处理。这里有一些特殊的小模块，AES、Device、DNA Security，这个是赛灵思FPGA提供的加密方案，因为在现在民用的应用领域里面，一旦你的产品做得很好，你推向市场之后它的市场反响很好，在国内就会有一些人去仿制你的产品。在FPGA里面，我们会提供一个专门的加密模块，AES和DNA是两种不同的加密方式，避免别人来克隆你的设计、窃取你的知识产权。

我们介绍两种工业以太网的协议，一个是EtherCAT，一个是Powerlink。我们看到EtherCAT的时候，这里有目前赛灵思参考设计的一个简单框图，EtherCAT的参考设计是在Spartan-6，Spartan-6是赛灵思目前最新的6系列里面的一个低成本系列，在Spartan-6系列里面去集成一个软核的MCU处理器，然后拿这个处理器去接一个PLB总线，去和其他的单元块连接起来，相当于我拿FPGA去实现了既有逻辑的功能，也有软件的功能，还有其他的一些接口、端口、IP核都集成在里面。Spartan-6系列是一个性能比较好、成本比较占优的产品，在工业应用需要大量量产的应用里面，它会让你的产品非常有价格上的竞争力。
   
这里有一个EtherCAT从端控制器的框图，就相当于是在设备最终组网的时候有主站点和从站点，这里相当于是一个从站点，从站点去实现的功能。这里面会包括EtherCAT以太网数据的接收、分析和处理，包括与其他设备或者是主站点的接口连接，包括总线上的内存管理，还包括主设备和从设备之间的同步，数据交互同步，包括在组成网络的时候会有各种各样的时间戳来标志着主站、从站以及各个站点之间的定时关系。

这是赛灵思已经实现的一个IP核，它是EtherCAT的IP核，它支持在Spartan-3、Spartan-6这样的低端系列器件上实现你的设计，也支持在Virtex这样的高端器件上去实现设计，这是详细的EtherCAT IP核的配置，我就不非常详细的介绍了。这里有一个资源占用，是EtherCAT的IP核在赛灵思的FPGA上做的资源占用，比如我支持的站点数、外挂的设备、配置，最终的一套系统推向工业应用现场的时候，配置不一样，最终就会精简IP核的配置，它占用的资源也就不一样。

简单介绍一下Powerlink，刚才提到我们预计Powerlink会在中国有很好的发展，因为Powerlink是一个完全免费的标准，任何一个工业控制想用到这个标准，你就可以去申请加入。它实际上也是完全兼容以太网IEEE 802.3协议，它也支持各种各样的应用，包括它还支持全面的拓扑结构，它要比其他的协议支持的拓扑结构更为全面一些。从这里可以看到树形、星型、链型、环型及混合型的拓扑结构，它都是支持的，我们的产品最终在工业现场去组网的时候，它的组网方式就相对很自由。它还有一个直接传输，不同的从站点之间可以跨过主站点去通信，它的系统同步时间非常短，你只需要0.1个μS。
   
这是Powerlink现在一些设备商在做的时候常用的两种框图，一种是会用全FPGA来实现，另外一种是会用一个FPGA加一个处理器来实现，根据功能实现的不一样，这个处理器可以用单片机，可以用ARM、CPU，都可以往上放。这两种框图，它的功能在单片FPGA里面是完全可以实现的，只不过我们的客户在应用的时候，有些人会觉得那边的人在FPGA逻辑开发方面经验比较少，它在Processor方面又比较擅长，软件处理方面又比较擅长，所以有些客户会选用这些方式。如果在座各位以后有这种应用或疑问的时候，第一时间和FPGA技术支持联系，像和科通公司的FPGA技术支持来取得联系，我们一定会打消您的顾虑，我们完全可以在FPGA里面去内嵌一个单片机，或者是内嵌一个处理器的核，再很好的和逻辑结合在一起。

这是有科通公司引进合作的一个Powerlink的从站已经实现的功能块，它拿单片FPGA去实现了Powerlink工业以太网协议的从站，结构和刚才差不多，也是Powerlink的协议站，应用层，包括以太网的接口、外挂的存储器、LO的控制，还有工业现场总线的支持，这个设计目前是做在赛灵思的Spartan-6系列的LRX9芯片上，这是一个非常低成本的实现方案，这也是业界做的非常精简的一个方案。它可以让您的产品快速的推向市场，同时又有比较有竞争力的成本。

 

这是科通数字技术在中国区的分布图，我们在北京、南京、上海、杭州、武汉、成都、西安、广州、深圳这些地方都有赛灵思FPGA专职的技术支持来响应客户的需求。您如果有应用FPGA的需求，从产品的方案讨论阶段、器件选型，包括后期的技术支持，我们都会为您提供全面的一站式服务。虽然我们只在这些地方有专职的技术支持，但是我们覆盖的区域不只是这些。如果您的公司不在这些城市之内，您跟我们联系，我们也会在第一时间响应您的应用需求。

最后一页提到了我们的网络联系方式，大家如果对FPGA感兴趣或者已经在应用FPGA了，可以通过这些网站去了解到关于赛灵思和关于FPGA支持的相关东西。包括在很多中文网站的专业网站上推出了自己的论坛或者是子链接，现在赛灵思也会做一些培训的视频和PPT，放到这种社交媒体上，因为我们知道各种单位里面有相当多的年轻人，大家比较喜欢开心、优酷、人人，我们也会有相关的资料和培训视频放在上面，包括21世纪IC和新浪微博，这是赛灵思亚洲区在新浪上开的一个官方微博，大家都可以去获取信息和知识。这里有一个科通公司的网址，虽然我是专职支持赛灵思的，我只介绍了赛灵思，实际上我们是全球20多个品牌的元器件在中国区的官方代理，如果您有其他的元器件需求，也欢迎和科通来联系，在网站上可以看到详细的产品信息和各地办事处工作人员的联系方式。这里有赛灵思的官方网站和技术支持热线，大家都可以去了解这些。
   
我今天讲的内容就是这些，谢谢大家！有什么问题欢迎提问，也欢迎大家待会儿到科通的展台去详细了解。谢谢！

本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问 http://www.52solution.com/data/datainfo/id/4876