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          利用時間敏感網(wǎng)絡實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡設計

          發(fā)布人:電子資料庫 時間:2023-01-03 來源:工程師 發(fā)布文章

          OT(操作技術)和IT(信息技術)可能有不同的實時需求,但它們被合并到基于TSN(時間敏感網(wǎng)絡)的以太網(wǎng)標準中。了解在工業(yè)網(wǎng)絡設計中實施TSN所涉及的理論和硬件。

          當通過網(wǎng)絡進行通信時,工廠中的設備可能有非常不同的需求和潛在的沖突目標。操作技術(OT)流量,如機器控制數(shù)據(jù)和傳感器值讀數(shù),通常需要固定的時間延遲、低延遲和可預測的抖動。另一方面,信息技術(IT)流量是電子郵件流量等數(shù)據(jù)。

          在IT領域中,通信通常是最大的努力,準確的響應時間不是最重要的。相反,總體吞吐量才是最重要的。對于OT,在某個時間丟失數(shù)據(jù)會導致失敗,因此數(shù)據(jù)包必須在一定的實時限制內(nèi)到達目的地。

          今天,有許多不同的工業(yè)協(xié)議用于解決這個問題。然而,時間敏感網(wǎng)絡(TSN)是建立在標準以太網(wǎng)上的,它的目標是為以太網(wǎng)上的實時通信創(chuàng)建一個統(tǒng)一的標準。它通過在一根網(wǎng)線上合并OT和It流量,并向以太網(wǎng)添加確定性來實現(xiàn)這一點。其目標是減少網(wǎng)絡延遲并降低端點之間的延遲,以確保某些數(shù)據(jù)包準時到達目的地。

          本文討論了TSN,三個基本的TSN標準,以及它們的典型用例。它還檢查了三個NXP設備(Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus),這些設備允許嵌入式工程師為工業(yè)應用設計現(xiàn)代連接的實時系統(tǒng)。

          什么是TSN?

          TSN不是一個單一的標準,而是一個IEEE定義的標準系列. TSN標準構成了TSN體系結構的基礎:

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          圖1TSN體系結構包括三層。IEEE標準構成了基礎。TSN配置文件位于基礎之上,協(xié)議使用這些配置文件

          TSN配置文件位于TSN標準之上,形成體系結構的下一層。這些配置文件具體說明了如何參數(shù)化標準中定義的某些TSN特性。例如,這樣一個配置文件可以包含一些參數(shù),這些參數(shù)描述了應用程序中需要多少時鐘周期精度。

          相對成熟的TSN配置文件是IEC60802,它定義了工業(yè)應用的參數(shù)。然而,許多其他的TSN配置文件,如汽車和醫(yī)療應用,目前正在開發(fā)中。因此,體系結構的第二層根據(jù)特定的行業(yè)或應用程序來配置和指定在TSN標準中定義的特性。最后,頂層包含協(xié)議本身。

          基本TSN標準

          802.1AS的定時和同步標準構成了TSN的基礎。ieee802.1AS建立在精確時間協(xié)議(PTP)之上,允許網(wǎng)絡中的多個設備同步它們的內(nèi)部時鐘,從而支持更高級的功能,如時間感知調(diào)度。

          802.1Qbv標準允許支持TSN的設備組合OT和IT流量,并在一根以太網(wǎng)電纜上進行傳輸。此外,這個次級標準還包括一個時間感知整形器,使得創(chuàng)建一個時間表成為可能,該時間表規(guī)定了某些數(shù)據(jù)包何時可以在線路上發(fā)出。網(wǎng)絡中的設備同意遵守這個時間表,并為特定的包預留時間段。當在兩個終端節(jié)點之間發(fā)送優(yōu)先化消息時,這些措施將導致最小且可預測的抖動和延遲:

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          請注意,802.1AS確保網(wǎng)絡上的所有設備共享一個同步的時基。因此,它們都知道何時通過網(wǎng)線發(fā)送何種類型的流量。

          802.1CB是TSN的另一個重要標準。此子標準允許系統(tǒng)設計者在網(wǎng)絡上創(chuàng)建冗余通信流,以提高容錯能力。啟用此功能后,支持802.1CB的網(wǎng)絡交換機將在需要時自動復制指定的包。此外,當支持TSN的交換機第一次接收到唯一消息時,它會在以后自動丟棄所有冗余副本。將這些任務外包給支持TSN的硬件,消除了對復雜軟件的需求,減輕了主CPU的負載。

          最后,802.Qbu幀搶占是工業(yè)自動化最重要的標準之一。從本質(zhì)上講,工業(yè)網(wǎng)絡對某種實時方法非常關注,這種方法要求遵守非常嚴格的周期時間。搶占有助于保持這樣的時間,因為它可以在多個片段上分割一個幀,這些片段將被連續(xù)發(fā)送,除非出現(xiàn)一個快速幀。

          只要每個消息的傳輸可以在稱為guardband(802.Qbr)的可配置時間段內(nèi)完成,所有標準幀都可以在多個消息中中斷和分段。這種系統(tǒng)與搶占結合使用,可以防止過長或非循環(huán)消息延長周期時間。

          這個時間敏感網(wǎng)絡基礎提供對TSN和此處討論的一些標準的更詳細的了解。

          使用NXP設備啟用時間敏感網(wǎng)絡

          這個 層角LS1028A,i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表總結了TSN標準以及哪些NXP設備實現(xiàn)了這些標準:

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          支持TSN的硬件是創(chuàng)建可靠的支持TSN的以太網(wǎng)網(wǎng)絡的第一步。NXP為其產(chǎn)品提供了廣泛的軟件支持,并提供了一個sdk庫和演示各種特性的軟件示例。

          Layerscape LS1028A通常運行實時操作系統(tǒng),例如openindustrialinux(OpenIL),或者其他高級操作系統(tǒng)。i.mx8mplus也將很快獲得對OpenIL的支持。NXP還提供了對TSN的開源支持以及配置它的工具。對于OpenIL,NXP為PTP提供了開源驅動程序支持。這些驅動程序允許用戶控制PTP硬件時鐘和時間戳。除了NXP的軟件產(chǎn)品,工程師還可以從一系列現(xiàn)成的商業(yè)軟件堆棧中進行選擇。

          今天支持TSN的設備

          NXP產(chǎn)品組合提供了一些設備,為工業(yè)環(huán)境中的時間敏感網(wǎng)絡提供硬件支持。例如Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和i.MX 8M Plus。這些設備使嵌入式系統(tǒng)工程師能夠通過將高處理能力與廣泛的外圍設備、安全功能和能夠處理高要求任務的協(xié)處理器相結合來設計未來的工業(yè)設備。

          這個LS1028A是一款成熟的應用處理器,基于兩個Cortex A72處理核心。它主要用于汽車和工業(yè)市場,它配備了一個集成網(wǎng)絡交換機,通過四個以太網(wǎng)端口支持各種TSN功能。LS1028A還提供了豐富的外圍設備(如CAN-FD接口)、各種片上協(xié)處理器、專用GPU和LCD控制器以及眾多安全功能。目標應用包括網(wǎng)絡設備、工業(yè)HID和機器人技術。

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          圖2LS1028A框圖。圖片來源:NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

          這個iMX RT1170系列MCU利用兩個處理核心。ARM?Cortex?-M7內(nèi)核運行頻率高達1GHz,第二個專用Cortex?-M4處理器的時鐘頻率高達400MHz,使這些設備成為當今市場上最快的微控制器之一。其性能和豐富的外設和功能組合使i.MX RT1170系列mcu成為廣泛應用的理想選擇。這些設備支持高達2兆字節(jié)的SRAM和多達3個以太網(wǎng)接口。

          i.MX RT1170交叉MCU還提供了一套現(xiàn)代安全和加密功能。對于HMI應用,設備包括一個專用的2D GPU和2D加速器和顯示接口。i.MX RT1170針對低功耗和低泄漏應用進行了優(yōu)化,允許高效、快速、小型和經(jīng)濟高效的設計。

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          圖3i.MX RT1170框圖。圖片來源:NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

          i.MX 8M系列包含各種針對特定市場的應用處理器,以滿足特定應用的需求。i.MX 8M Plus是該系列的最新型號,包括用于機器視覺應用的專用硬件、具有2.3個頂部的NPU單元用于更快的AI推斷、改進的LVDS、支持TSN的實時聯(lián)網(wǎng)以及2D/3D圖形加速器。

          此外,i.MX 8M Plus是目前i.MX 8M系列中唯一提供多個CAN-FD接口的設備。它還具有可靠性特性,如用于高可靠性工業(yè)應用的內(nèi)聯(lián)ECC。

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          圖4i.MX 8M Plus方框圖。圖片來源:NXP產(chǎn)品網(wǎng)站

          Layerscape LS1028A、i.MX RT1170和i.MX 8M Plus是15年NXP長壽計劃的一部分,該計劃保證組件從產(chǎn)品發(fā)布之日起至少15年內(nèi)可供銷售,這對于需要經(jīng)歷長期啟用或認證階段的設計師特別有用。

          TSN基礎解決方案示例

          在這個例子中,每個組件通過利用上面描述的各種TSN標準彼此通信,以便保持高水平的同步和保證的延遲,而不依賴于網(wǎng)絡上運行的流量。

          i.MX 8mplus用于圖像識別,利用其ISP和嵌入式神經(jīng)處理單元(NPU)進行優(yōu)化操作,并支持生產(chǎn)線的實時操作。

          根據(jù)i.mxrt1170驅動的分析,i.MX RT1170用于引導機器人手臂從虛擬傳送帶上取下產(chǎn)品。

          在這兩者之間,Layerscape LS1028運行一個TSN網(wǎng)絡,并在另外兩個設備之間以及其他潛在節(jié)點之間中繼幀。TSN用于確保數(shù)據(jù)從i.MX 8M Plus可靠地傳輸?shù)絠.MX RT1170。

          在本例中,還連接了一臺筆記本電腦,以便模擬任何現(xiàn)場實現(xiàn)中可能存在的最大努力流量


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          關鍵詞: 網(wǎng)絡 設計

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