來源：富昌電子

如今，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安裝基礎(chǔ)仍然以熟悉的協(xié)議為主，例如 Profinet、EtherCAT? 、Modbus-TCP 和以太網(wǎng)/IP，如圖 1 所示。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)或 TSN 等新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域僅占有很少的領(lǐng)地。雖然工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革速度確實(shí)比消費(fèi)電子領(lǐng)域慢，但毫無疑問，變革即將到來。

(資料圖片僅供參考)

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圖 1：據(jù) HMS Networks 的研究，2020 年新工廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的市場(chǎng)份額（圖片來源：HMS Networks，hms-networks.com。）

TSN 在工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用現(xiàn)在正受到它提供的強(qiáng)大財(cái)務(wù)和運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)的推動(dòng)。事實(shí)上，這種趨勢(shì)并不僅限于工廠：在汽車、火車、建筑物和其他地方，TSN 開始成為全以太網(wǎng)通信的支柱。

正如本文將展示的那樣，OEM 廠商在構(gòu)建 TSN 網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC) 和 TSN 兼容設(shè)備時(shí)可以從一整套產(chǎn)品選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，使他們能夠滿足各種電路設(shè)計(jì)要求。

推動(dòng)向 TSN 過渡的因素

多年來，工廠向 TSN 過渡的背后勢(shì)頭一直在增長(zhǎng)。2009 年，隨著 AVNU 聯(lián)盟的成立，工業(yè)或汽車環(huán)境中首次正式宣布了以太網(wǎng)協(xié)議鏡像的概念，這是自 1990 年代以來有線辦公網(wǎng)絡(luò)的普遍特征，得到了工業(yè)和汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域一些著名企業(yè)的支持，包括思科、英特爾、博世、通用電氣、寶馬、通用汽車、恩智浦半導(dǎo)體和瑞薩等。

該小組承擔(dān)了開發(fā)稱為音頻視頻橋接 (AVB) 的強(qiáng)大以太網(wǎng)版本的任務(wù)。2011 年成立的 AVB 任務(wù)組的目標(biāo)是開發(fā)一種基于以太網(wǎng)、適用于連接攝像頭和顯示器等汽車信息娛樂設(shè)備的協(xié)議。

AVNU 聯(lián)盟隨后將其工作擴(kuò)展到涵蓋工廠自動(dòng)化，“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”一詞于 2012 年出現(xiàn)。在 IEEE 的支持下，AVNU 聯(lián)盟著手制定一套標(biāo)準(zhǔn)，為運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 應(yīng)用定義 TSN 網(wǎng)絡(luò)的附加功能。標(biāo)準(zhǔn) TSN 協(xié)議將建立在信息技術(shù) (IT) 設(shè)置中實(shí)施的基本以太網(wǎng)協(xié)議之上。TSN 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)起者承諾其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、低成本和高性能的組合。

如今，工廠受到以下問題的困擾：

· 不兼容的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議激增，如今一個(gè)工廠通常包括兩個(gè)、三個(gè)或更多的離散網(wǎng)絡(luò)
· 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的每個(gè)離散服務(wù)（例如音頻、控制、診斷和多媒體）采用單獨(dú)布線

這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)布線的重復(fù)，并因此導(dǎo)致材料和安裝成本的重復(fù)。

工廠內(nèi)部的眾多網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也將不同的設(shè)備集隔離成網(wǎng)絡(luò)孤島：一個(gè)孤島中的設(shè)備對(duì)于另一個(gè)孤島中的設(shè)備來說是隱藏的。這阻礙了工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)備集成。OT 和 IT 系統(tǒng)之間同樣缺乏透明度。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的絕對(duì)復(fù)雜性也使維護(hù)和維修操作更加困難、耗時(shí)和昂貴。

TSN 提供了一種消除所有這些問題的方法。在工廠系統(tǒng)中，它可以作為現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議產(chǎn)生的流量的載體。就開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型而言，TSN 是一種第 2 層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

支持 TSN 的以太網(wǎng)產(chǎn)品還提供 100 Mb/s 或更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而當(dāng)今大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠中的其他連接服務(wù)都以 100 Mb/s 或更低的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。這意味著 TSN 技術(shù)的實(shí)施允許運(yùn)營(yíng)商在單個(gè)以太網(wǎng)介質(zhì)上集成多種服務(wù)，如圖 2 所示。

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圖 2：TSN可以作為多種現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的載體（圖片來源：富昌電子）

因此，TSN 可以解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)激增帶來的問題：

· 單根網(wǎng)線可減少材料用量、簡(jiǎn)化安裝并減少資本支出。
· 不同供應(yīng)商提供的設(shè)備之間的透明度更高，互操作性測(cè)試更簡(jiǎn)單，設(shè)備更容易集成到基于 TSN 的基礎(chǔ)設(shè)施中。
· 能夠更簡(jiǎn)單地集成OT 和IT 系統(tǒng)和服務(wù)。支持采用工業(yè) 4.0 方法，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。
· 更簡(jiǎn)單和更經(jīng)濟(jì)的操作程序。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成到基于 TSN 的基礎(chǔ)設(shè)施中時(shí)，需要監(jiān)控和維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更少，更容易跟蹤故障點(diǎn)和修復(fù)故障。

網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化也有助于提供安全性，這是采用工業(yè) 4.0 技術(shù)不可或缺的條件。在 TSN 之前，OT 系統(tǒng)可能由多個(gè)網(wǎng)段組成，每個(gè)網(wǎng)段的安全性都必須單獨(dú)管理。這增加了 IT 部門的負(fù)擔(dān)，并增加了安全漏洞的風(fēng)險(xiǎn)。

借助 TSN，VLAN 技術(shù)使運(yùn)營(yíng)商能夠在單個(gè)集成以太網(wǎng)拓?fù)渲刑摂M地運(yùn)行多種不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 這意味著安全程序只需要應(yīng)用于 TSN 節(jié)點(diǎn)，而不是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：這簡(jiǎn)化了 IT 端的安全管理，從而降低了使網(wǎng)絡(luò)易受攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

TSN 協(xié)議的主要特性

AVNU 聯(lián)盟于 2011 年開始的工作以在各種 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中編纂的強(qiáng)大協(xié)議告終。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了網(wǎng)絡(luò)的以下主要操作特性：

· 時(shí)間同步
· 延遲
· 資源管理
· 可靠性

這些標(biāo)準(zhǔn)位于基本 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之上，確保各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的服務(wù)級(jí)別在集成到 TSN 后得以維持，如圖 3 所示。

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圖 3：構(gòu)成 TSN 協(xié)議的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之上的附加標(biāo)準(zhǔn)

完整的 TSN 組件和模塊生態(tài)系統(tǒng)

在工業(yè)設(shè)備中實(shí)施 TSN 的設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以選擇 TSN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)鍵組件、收發(fā)器和交換機(jī)的分立式版本和片上系統(tǒng) (SoC) 版本。

分立式版本專用于收發(fā)器或交換機(jī)功能，并與單獨(dú)的主機(jī) CPU 一起運(yùn)行。分立式收發(fā)器或交換機(jī)的使用使設(shè)計(jì)人員可以自由地維護(hù)傳統(tǒng)的微處理器架構(gòu)，并重新使用為該架構(gòu)開發(fā)的應(yīng)用軟件。

分立式 TSN 收發(fā)器的典型示例是 Microchip LAN9668，一款 TSN 交換機(jī)。它可以與 LAN8814 結(jié)合使用，LAN8814 是 2022 年 1 月推出的第 1 層（物理層）產(chǎn)品，可在單個(gè)設(shè)備中提供多達(dá) 8 個(gè)以太網(wǎng)端口。

瑞薩還提供 RZ/N2L 系列三端口 TSN 交換機(jī)。恩智浦的 SJA110x 系列提供了另一種 TSN 交換機(jī)選項(xiàng)。

SoC 版本包括一個(gè)片上處理器，用于運(yùn)行 TSN 協(xié)議和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制功能，并支持應(yīng)用程序。TSN 收發(fā)器 SoC 的示例包括：

· 恩智浦半導(dǎo)體 i.MX8M Plus、i.MX 8DualXLite 和 i.MX RT1176
· 瑞薩 RZ/G2、RZ/V2M和RZ/T2，還支持集成到TSN中的其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，例如 Profinet CC-D，即Profinet-over-TSN

雖然上述示例是支持 TSN 的收發(fā)器 SoC，但也有 TSN 交換機(jī) SoC：

· 恩智浦 LS1018 和 LS1028
· Microchip Sparx-5i

SoC 版本的優(yōu)勢(shì)是硬件布局更簡(jiǎn)單，組件數(shù)量更少，因此開發(fā)時(shí)間更短，BOM成本可能更低。

這些 TSN 產(chǎn)品（包括分立式和 SoC 版本）均由全面的軟件和工具產(chǎn)品提供支持，以支持完整的 TSN 應(yīng)用的開發(fā)。

雖然 SoC 版本提供了比分立式同類產(chǎn)品更簡(jiǎn)單的硬件布局，但它們?nèi)匀唤o設(shè)計(jì)人員帶來了集成挑戰(zhàn)，包括提供 DRAM 存儲(chǔ)器和電源管理系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化實(shí)施并縮短上市時(shí)間，帶有 SoC 版本的 TSN 組件的系統(tǒng)級(jí)模塊 (SOM) 是一個(gè)可行的選擇。SOM 選項(xiàng)對(duì)于硬件開發(fā)資源和時(shí)間有限的制造商也很有幫助。富昌電子提供 Karo Electronics 和 iWave 的 SOM 產(chǎn)品，它們支持 i.MX 8MPlus 等收發(fā)器 SoC。

TSN 組件的生態(tài)系統(tǒng)還獲得了實(shí)施 TSN 或以太網(wǎng)設(shè)計(jì)所需的廣泛的無源和連接器產(chǎn)品的支持，這些產(chǎn)品都可從富昌電子獲得：

· 來自 TE Connectivity、Amphenol Communications Solutions、Hirose、Harting、WAGO、METZ CONNECT等制造商的連接器
RJ45 插孔和插座
ix 工業(yè)連接器
用于以太網(wǎng)布線的卡入式端接接線端子
單對(duì)以太網(wǎng)連接器，為工業(yè)以太網(wǎng)和 TSN 設(shè)計(jì)提供了降低成本的機(jī)會(huì)
· 用于以太網(wǎng)終端的磁性材料，來自 Eaton 和 Pulse Electronics 等制造商
· 以太網(wǎng)供電 (PoE) 和相關(guān)電源組件，來自 YAGEO 和 Eaton 等制造商

支持性開發(fā)環(huán)境

上述廣泛的產(chǎn)品選擇表明，在工廠自動(dòng)化設(shè)備中實(shí)施 TSN 由成熟的組件生態(tài)系統(tǒng)提供支持。此外，許多熟悉傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以將他們的許多開發(fā)資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到 TSN。

盡管如此，仍然不得不說，遷移到基于 TSN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)和適應(yīng)新技術(shù)。這包括需要配置 TSN 的功能以支持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。富昌電子已準(zhǔn)備好在轉(zhuǎn)型過程中為設(shè)計(jì)工程師提供支持，通過網(wǎng)絡(luò)和嵌入式計(jì)算方面的本地和區(qū)域?qū)＜姨峁┯嘘P(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施和組件選擇的指導(dǎo)。

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