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當我們談論工業(yè)或實時以太網時，我們經常提到工業(yè)以太網標準，如EtherCAT，PROFINET，Ethernet/IP，Sercos III和Ethernet PowerLink。我在工業(yè)強度博客上的工業(yè)以太網博客系列中寫過關于它們的文章。

這些工業(yè)以太網標準支持數十微秒范圍內的最小周期時間 - 舉一個具體的例子，PROFINET IRT v2.3支持低至31.25μs的周期時間。然而，工廠自動化和控制中的大多數工業(yè)網絡使用的周期時間都大于500μs;通常，周期時間在毫秒范圍內。

因此，您可能會遇到以下問題： 為什么需要低至 4μs 的循環(huán)時間來交換過程數據？什么硬件可以支持如此短的循環(huán)時間？哪些或哪些標準支持這一點？ 在這篇博文中，我將嘗試回答這些問題。

支持低于10μs的周期時間為在工業(yè)和機械應用中使用實時以太網開辟了一種全新的方式。讓我們首先回顧一些常用術語，以便我們在同一頁面上。

首先，在工業(yè)以太網的背景下，"實時"并不意味著快速！實時是指在確定性時間發(fā)生的事件，例如交換過程數據的周期時間。參見圖1。

圖 1：實時的定義

如果周期時間沒有與預期時間一起發(fā)生，則意味著存在延遲。通過測量多個周期的延遲，您可以確定工業(yè)以太網網絡的抖動。

"抖動"是確定性事件發(fā)生時的時間偏差。通常，您希望將抖動保持在最低限度。在工業(yè)以太網中，以太網物理（PHY）設備和媒體訪問控制單元（MAC）等有源組件會引入抖動。

另一個網絡參數是"運行時延遲"，即以太網幀從發(fā)送方到達接收方所需的時間。運行時延遲是一個常量參數，由每個網絡組件（如以太網電纜、MAC 和 PHY）生成。由于運行時延遲是恒定的，因此可以在網絡的工程階段進行補償，或者在運行時由網絡設備測量。

"周期時間"是網絡設備交換過程數據的恒定時間段。特定的工業(yè)以太網標準規(guī)定了最短周期時間;回到我之前的例子，PROFINET的周期時間不能超過31.25μs。工廠和過程自動化中的許多工業(yè)網絡使用500μs到10ms之間的周期時間來交換過程數據。周期時間在網絡的工程階段選擇一次，在運行時不會改變。

那么，哪些應用需要4μs的周期時間？讓我們看一個具體的工業(yè)應用示例。銑削或計算機數控（CNC）機床由一個控制單元和多個步進電機組成。參見圖2。

圖2：數控機床

控制單元使用兩個信號來控制步進驅動器：步進或脈沖序列輸出（PTO）信號用于控制電機必須轉動的步數，以及一個方向（dir）信號用于控制步進電機的順時針或逆時針轉動。

每個步進電機都需要步進和DIR信號;這些信號以星形拓撲結構連接。步進電機具有反饋（FB）和診斷信息，如電機軸位置、當前溫度和故障信息。FB信息通過自定義接口發(fā)送回控制單元。

TI 開發(fā)了一個簡單的開放實時以太網（SORTE）協(xié)議，支持 4μs 的周期時間。該協(xié)議可以傳輸四軸CNC機床的步進和目錄信號;此外，它還在返回通道中傳輸FB和診斷信息。在4μs的周期時間內，控制單元可以將步進電機頻率驅動到250kHz。使用實時以太網的另一個好處是，當您的解決方案從星形拓撲變?yōu)榫€路拓撲時，您可以減少接線工作?？傮w而言，您現(xiàn)在將正向和反向通道組合在一根電纜中 – 參見圖 3。

圖 3：帶工業(yè)以太網的 CNC

過程數據（步驟、目錄、FB）受循環(huán)冗余校驗（CRC）保護。這使得系統(tǒng)能夠抵御電磁干擾（EMI）等環(huán)境干擾。

SORTE協(xié)議在可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）上運行，該系統(tǒng)是德州儀器的Sitara?和KeyStone?處理器中的工業(yè)外設。SORTE只在PRU-ICSS上運作;因此，ARM Cortex-A8、A9 或 A15 處理器（取決于設備系列）可用于工業(yè)應用。

結論

SORTE 協(xié)議作為 TI Designs 參考設計系列發(fā)布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區(qū)分產品的協(xié)議。

具有 4 kHz 控制環(huán)路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設計的 PRU-ICSS采用 PRU-ICSS 參考設計的簡單開放式實時以太網（SORTE）器件

四軸數控機床是一個很好的例子，其中需要快速的過程數據周期時間，并且實時以太網非常適合其應用。