新的简单开放实时以太网 （SORTE） 协议支持 4μs 周期时间-如何开启以太网

当我们谈论工业或实时以太网时，我们经常提到工业以太网标准，如EtherCAT，PROFINET，Ethernet/IP，Sercos III和Ethernet PowerLink。我在工业强度博客上的工业以太网博客系列中写过关于它们的文章。

这些工业以太网标准支持数十微秒范围内的最小周期时间 – 举一个具体的例子，PROFINET IRT v2.3支持低至31.25μs的周期时间。然而，工厂自动化和控制中的大多数工业网络使用的周期时间都大于500μs;通常，周期时间在毫秒范围内。

因此，您可能会遇到以下问题： 为什么需要低至 4μs 的循环时间来交换过程数据？什么硬件可以支持如此短的循环时间？哪些或哪些标准支持这一点？ 在这篇博文中，我将尝试回答这些问题。

支持低于10μs的周期时间为在工业和机械应用中使用实时以太网开辟了一种全新的方式。让我们首先回顾一些常用术语，以便我们在同一页面上。

首先，在工业以太网的背景下，”实时”并不意味着快速！实时是指在确定性时间发生的事件，例如交换过程数据的周期时间。参见图1。

图 1：实时的定义

如果周期时间没有与预期时间一起发生，则意味着存在延迟。通过测量多个周期的延迟，您可以确定工业以太网网络的抖动。

“抖动”是确定性事件发生时的时间偏差。通常，您希望将抖动保持在最低限度。在工业以太网中，以太网物理 （PHY） 设备和媒体访问控制单元 （MAC） 等有源组件会引入抖动。

另一个网络参数是”运行时延迟”，即以太网帧从发送方到达接收方所需的时间。运行时延迟是一个常量参数，由每个网络组件（如以太网电缆、MAC 和 PHY）生成。由于运行时延迟是恒定的，因此可以在网络的工程阶段进行补偿，或者在运行时由网络设备测量。

“周期时间”是网络设备交换过程数据的恒定时间段。特定的工业以太网标准规定了最短周期时间;回到我之前的例子，PROFINET的周期时间不能超过31.25μs。工厂和过程自动化中的许多工业网络使用500μs到10ms之间的周期时间来交换过程数据。周期时间在网络的工程阶段选择一次，在运行时不会改变。

那么，哪些应用需要4μs的周期时间？让我们看一个具体的工业应用示例。铣削或计算机数控 （CNC） 机床由一个控制单元和多个步进电机组成。参见图2。

图2：数控机床

控制单元使用两个信号来控制步进驱动器：步进或脉冲序列输出 （PTO） 信号用于控制电机必须转动的步数，以及一个方向 （dir） 信号用于控制步进电机的顺时针或逆时针转动。

每个步进电机都需要步进和DIR信号;这些信号以星形拓扑结构连接。步进电机具有反馈 （FB） 和诊断信息，如电机轴位置、当前温度和故障信息。FB信息通过自定义接口发送回控制单元。

TI 开发了一个简单的开放实时以太网 （SORTE） 协议，支持 4μs 的周期时间。该协议可以传输四轴CNC机床的步进和目录信号;此外，它还在返回通道中传输FB和诊断信息。在4μs的周期时间内，控制单元可以将步进电机频率驱动到250kHz。使用实时以太网的另一个好处是，当您的解决方案从星形拓扑变为线路拓扑时，您可以减少接线工作。总体而言，您现在将正向和反向通道组合在一根电缆中 – 参见图 3。

图 3：带工业以太网的 CNC

过程数据（步骤、目录、FB）受循环冗余校验 （CRC） 保护。这使得系统能够抵御电磁干扰（EMI）等环境干扰。

SORTE协议在可编程实时单元和工业通信子系统（PRU-ICSS）上运行，该系统是德州仪器的Sitara™和KeyStone™处理器中的工业外设。SORTE只在PRU-ICSS上运作;因此，ARM Cortex-A8、A9 或 A15 处理器（取决于设备系列）可用于工业应用。

结论

SORTE 协议作为 TI Designs 参考设计系列发布，PRU 固件以源代码形式提供，使您能够区分产品的协议。

具有 4 kHz 控制环路的 250 轴 CNC 路由器，带基于 SORTE 参考设计的 PRU-ICSS采用 PRU-ICSS 参考设计的简单开放式实时以太网 （SORTE） 器件

四轴数控机床是一个很好的例子，其中需要快速的过程数据周期时间，并且实时以太网非常适合其应用。

4μs 循环时间可在 CNC 路由器演示面板上实现 250kHz 控制回路 – 在 SPS/IPC/Drive 贸易展上展示

带 4 kHz 控制回路的 250 轴 CNC 路由器，带基于 SORTE 参考设计板图像的 PRU-ICSS

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SORTE 协议作为 TI Designs 参考设计系列发布，PRU 固件以源代码形式提供，使您能够区分产品的协议。

具有 4 kHz 控制环路的 250 轴 CNC 路由器，带基于 SORTE 参考设计的 PRU-ICSS – 采用 PRU-ICSS 参考设计的简单开放式实时以太网 （SORTE） 器件

审核编辑 黄宇