灵活的工业以太网解决方案

自从Xerox公司在上个世纪70年代中期引入以太网概念，并由IEEE 802.3在1983年标准化后，以太网已经成为世界上计算机通信的事实标准。从3Mb/s的铜缆系统发展到了可靠性更高、成本更低的100Mb/s非屏蔽双绞线（Cat5 UTP）系统，以太网技术不断发展，市场上已经有支持1Gb/s以太网的器件，10Gb/s器件也浮出水面，以太网今后将继续服务于市场。

以太网的应用范围、实用性和易用性，以及工厂系统和公司网络相集成的压力，促使工业开发人员开发基于以太网的工业连网解决方案，兼容工业现场总线通信方案，甚至能够替代它。目前有很多基于以太网的工业通信协议，每种协议都有自己的优缺点。部分协议已经标准化，或者“开放”，任何开发人员都可以实施这些协议。很显然，开放协议会越来越流行，被业界广泛采用。

有的解决方案只是简单的在标准以太网数据包中封装现场总线或者应用数据，因此，仅仅需要实现标准以太网(尽管由于不具有确定性而导致实时性能较差)。但是，很多工业以太网协议需要额外的定制软件，大部分高性能协议还需要定制硬件，所以很难开发并维护支持多种协议的解决方案。

协议不但数量多，而且还在不断发展，在技术上改进基本以太网标准。为提高竞争能力，工业设备生产商必须找到有效的途径，尽可能多的支持工业以太网协议，迅速适应协议的变化，支持新协议，采用其他的系统改进措施。

实现通用工业以太网解决方案

当需要新的工业以太网ASIC/ASSP器件时，必须开发电路板，带来了和新硬件相关的成本以及时间问题。当以太网协议更新时，需要开发新的ASIC/ASSP器件，甚至多次开发电路板，以同时支持已有的协议和新协议。依靠ASIC/ASSP器件会带来供应问题，随着协议的迅速发展，器件可能会出现过时问题。这类解决方案比较昂贵，难以提供支持，不能迅速实现新功能。

然而，所有这些问题都可以通过使用FPGA器件实现工业以太网接口来解决，如图1所示。FPGA的关键优势之一是它很容易重新配置；开发一块电路板，任何时候都可以针对工业以太网对硬件进行编程，例如，在产品发售前，甚至是在现场! 如果需要不同的协议，或者客户修改了订单，所要做的只是对FPGA重新编程，利用FPGA配置文件几秒钟内就可以完成。这类多标准解决方案大大降低了开发成本，减少了库存和供应链问题。

图1 基于FPGA的2通道普通工业以太网系统

结合以太网收发器(称为PHY)后，FPGA能够实现以太网接口需要的所有功能。

FPGA硬件是可编程的，因此，可以建立含有两个以上软核微处理器的系统，在FPGA中集成应用软件处理功能。

基于FPGA的硬件设计

进行处理器和以太网MAC硬件设计表面看起来会很困难，但是，由于有SOPC Builder等工具以及预构建的处理器和以太网MAC IP组件，实际是相对简单的任务。SOPC Builder集成在Altera的Quartus II开发环境中，经过专门设计，可以轻松进行基于IP的可编程芯片系统（SOPC）设计。开发人员利用图形用户接口(GUI)而不是HDL编码来设计系统；SOPC Builder自动加速实现IP系统的配置、集成和生成。

在处理器上运行软件协议

在支持以太网的嵌入式系统中，处理器提供高层功能（如TCP和UDP等）。以Altera的免版税32位RISC Nios II处理器为例，它有三种二进制兼容型号，每一型号都针对不同的体积和性能比进行了优化，如表2所示：Nios II/f面向高性能，Nios II/e体积最小，Nios II/s在体积和性能上达到均衡。由于Nios II处理器作为SOPC Builder IP组件来实现，因此，很容易建立基于处理器的系统，它包括以太网MAC IP、大量的其他外设组件，甚至是多个Nios II处理器。利用SOPC Builder GUI，可以迅速轻松地构建Nios II处理器系统，满足设计人员的需求，甚至针对不同的应用建立不同版本的系统。

SOPC Builder可以直接使用Nios II处理器，它与Quartus II软件提供的免费IP兼容。这些IP包括标准处理器外设功能模块（如UART、PIO和存储控制器等)，以及Altera及其合作伙伴提供的大量IP组件（如以太网MAC、CAN、USB、PCI、PCI Express、FFT、FIRDSP和视频处理等)。在功能强大的Nios II软件开发环境中，由自动集成到软件构建系统中的Nios II驱动器来实现这些组件。这一环境基于开发人员熟悉的Eclipse和GNU，支持C语言和汇编语言开发。

工业以太网硬件和软件IP

目前，已经有7种不同工业以太网协议可以使用的商用IP包。硬件IP一般封装为SOPC Builder组件，它包括MAC以及其他需要的逻辑。软件IP则作为以C语言针对Nios II处理器编写的库或者软件API来实现。有的供应商提供预构建FPGA配置，设计人员使用FPGA器件与使用现成的ASIC/ASSP组件一样方便。

总结

工业市场的以太网技术有很多优点，预计该技术今后五年会有强劲增长。有很多工业以太网协议，每一协议都有自己的独到之处。很明显，以太网技术会不断发展，推动了现有和新的工业以太网解决方案的进展。1Gb/s和10Gb/s以太网技术以及目前802.3标准的不断改进会实现更好的性能，提高可靠性。同样，保密和安全协议等其他工业领域也推动了工业以太网标准的进展，这对工业设备生产商而言是进一步的挑战。

低成本FPGA和软核微处理器IP的出现为工业以太网提供了高性价比的可编程解决方案。在相同的基本硬件上，FPGA能够支持基于以太网的工业通信协议，具有可编程器件的系统集成、灵活性以及不会过时等优点。可编程硬件、SOPC Builder和Nios II处理器相结合，使开发人员能够轻松地修改上层和底层以太网协议，而不必改动物理硬件。随着现有协议的发展，以及新协议的出现，拥有灵活的高性价比工业以太网协议解决方案显得非常重要。利用FPGA实现工业以太网已经成为所有工业设备生产商必须采用的方法。