1 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展
　　過去30多年來，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，F(xiàn)ieldbus(現(xiàn)場總線)技術(shù)被廣泛用于連接各類現(xiàn)場設(shè)備，例如傳感器、執(zhí)行器、可編程邏輯控制器(PLC)、電動控制器、其他I/O設(shè)備等。Fieldbus標(biāo)準包括As-接口、CAN、DeviceNet、Foundation Fieldbus、Hart協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)、Interbus、LonWorks、Modbus、Profibus等。Fieldbus是一個相當(dāng)寬泛的術(shù)語，已逐步發(fā)展成為一種基于IEC61158的“寬松的標(biāo)準體系”。IEC61158標(biāo)準采納了多家廠商的特定解決方案，提出了8種數(shù)據(jù)鏈路" title="鏈路">鏈路層協(xié)議： (1)Foundation Fieldbus H1;(2)ControlNet;(3)Profibus;(4)P-Net;(5)Foundation Fieldbus HSE(高速以太網(wǎng)或100Mbit以太網(wǎng));(6)Interbus;(7)SwiftNet(一種專為波音開發(fā)的協(xié)議，現(xiàn)已淘汰);(8)WorldFIP。
　　最近幾年來，工業(yè)自動化和控制客戶圍繞現(xiàn)有的Fieldbus網(wǎng)絡(luò)對以太網(wǎng)進行了改造。所有這些協(xié)議通常帶有一個地址頭，緊隨其后的是某些功能代碼、數(shù)據(jù)字段和校驗和。Fieldbus包能夠被輕松封裝在諸如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)等IP包中，如圖1所示。

　　所有這些數(shù)據(jù)鏈路層" title="鏈路層">鏈路層協(xié)議的惟一共同點是ISO/OSI模型的物理層。這種模型規(guī)定了信號電壓幅度、物理介質(zhì)連接方式(例如RJ45或M12連接器)以及其他電氣參數(shù)。就硬件而言，物理層可以被作為一個單獨的設(shè)計部分，這將在后面進行討論。從網(wǎng)絡(luò)拓撲角度看，大多數(shù)廠商都可支持任何鏈狀、樹狀或星形拓撲。下一網(wǎng)層(即所謂的數(shù)據(jù)鏈路層)可采用支持實時高帶寬方案的定制化FPGA或ASIC實現(xiàn)。
2 物理層設(shè)備的設(shè)計考慮
　　鑒于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的多樣化，工業(yè)設(shè)計團隊利用定制化FPGA或可支持兩個10/100MAC功能的嵌入式處理器實現(xiàn)單/雙MAC功能，以便根據(jù)IEEE 1588標(biāo)準構(gòu)建一個實時以太網(wǎng)時可以有很多選擇?？紤]到這兩種可能的情況，本文將著重探討外部10/100物理層設(shè)備和MAC或數(shù)據(jù)鏈路層功能之間的常規(guī)分區(qū)。
　　符合介質(zhì)無關(guān)接口(MII)協(xié)議的總線，為MAC和PHY網(wǎng)層之間提供互連通道。該協(xié)議基于面向發(fā)送和接收方向的4位并行數(shù)據(jù)。接收和發(fā)送時鐘的頻率都為25MHz，以便實現(xiàn)100Mbps" title="100Mbps">100Mbps的速率，這些時鐘信號都來自PHY設(shè)備。MII接口的管腳總數(shù)為16個輸入/輸出(I/O)線。為了減少I/O管腳數(shù)量，F(xiàn)PGA和ASIC經(jīng)常采用精簡型MII(RMII)，共用時鐘頻率為50MHz，數(shù)據(jù)格式為雙位(Dibit)，時鐘信號既可以來自MAC，也可以來自外部時鐘源。更新的10/100 物理層設(shè)備大部分都同時帶有MII和RMII端口。
　　業(yè)界一般認為，從-40°C～+85°C的工業(yè)級溫度范圍能夠滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對溫度范圍的要求。在某些汽車應(yīng)用領(lǐng)域，所要求的溫度范圍為-40°C～+125°C。最近，國家半導(dǎo)體公司推出了可滿足這兩個溫度范圍要求的10/100 Base-T物理層器件。
　　第二個考慮因素是設(shè)計出足夠強韌的物理連接，以承受靜電放電(ESD)、電纜放電事件(CDE)、電快速瞬變和雷電浪涌。外部RJ45或M12端口連接是ESD或負載浪涌的直接通道，它們可能導(dǎo)致系統(tǒng)鎖止，甚至導(dǎo)致對10/100 PHY收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器產(chǎn)生災(zāi)難性的破壞。隨著芯片工藝日趨小型化(0.18微米甚至更低)，必須考慮的另外一個故障因素是氧化門擊穿，這種故障可提高芯片對鎖止的敏感度，結(jié)果受到靜電過電壓的破壞。由ESD導(dǎo)致的故障包括電介質(zhì)擊穿和熱擊穿、金屬遷移和參數(shù)劣化等。
　　設(shè)計考慮事項包括器件的ESD額定值和客戶的ESD設(shè)計要求。IEC 61000-4-2第4級標(biāo)準涵蓋大部分ESD標(biāo)準，以人體模型(HBM)為基礎(chǔ)。具體項目見表1。

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　　另一種常見的靜電釋放是電纜釋放事件(CDE)。對五類電纜布線而言，CDE的源頭是電纜上累積的電荷，形成的機理是摩擦起電效應(yīng)和感應(yīng)。類似于電容器，電纜可能穿過地毯敷設(shè)，摩擦效應(yīng)產(chǎn)生了累積電荷。目前還沒有出臺有關(guān)CDE及其試驗方法的標(biāo)準。但是，CDE能量通常低于IEC 61000-4-2第4級威脅，制造商完全可以利用該級標(biāo)準對CDE放電進行測試。電纜的遠端和近端都必須添加保護電路" title="保護電路">保護電路。發(fā)射和接收線對也必須采用保護電路，防止電纜遠端或近端浪涌和放電(參見圖2)。
　　作為一種最低要求或者出于降低成本之目的，可以僅在發(fā)射側(cè)采用保護電路，因為該側(cè)對ESD更為敏感(相對于在電纜兩端的接收線對不采用保護措施而言)。以太網(wǎng)中的脈沖變壓器可防止共模瞬態(tài)電壓。高能瞬態(tài)應(yīng)當(dāng)有一個對地釋放通道。建議在線測中心分接頭和機架接地點之間連接一個2kV的ESD電容器。這段連線應(yīng)盡可能短，以避免招致高電壓并且影響物理層收發(fā)器件的電感。某些以太網(wǎng)物理層設(shè)備的ESD額定值為4kV，可能不要求加裝ESD或CDE保護電路，具體取決于客戶是否要求嚴格遵循IEC 61000-4-2第2或第4級標(biāo)準。
　　瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管已被電信行業(yè)廣泛使用來鉗制特定電壓。采用3.3V電源軌的差分PHY收發(fā)器，要求采用低電容和低電壓TVS二極管保持信號完整性和鉗制在低3.3V電壓軌的能力。低電容二極管陣列將瞬態(tài)電壓疏導(dǎo)至電源的正側(cè)或地。低電容TVS二極管陣列能夠提供IEC 61000-4-2標(biāo)準所要求的高速數(shù)據(jù)保護。
　　第三個因素是：在不添加任何硬件的情況下，支持自檢并提供電纜和鏈路診斷實時狀態(tài)信息的能力。片上時域反射(TDR)脈沖發(fā)生器能夠在電纜上發(fā)送一個脈沖信號，由于其內(nèi)在的基于數(shù)字信號處理器(DSP)的計算能力，可得出反射脈沖，從而判定常見的電纜故障，例如短路、開路、交叉耦合誤連等，估算電纜長度、發(fā)生故障的電纜的長度、故障位置以及與故障點之間的距離等。這一重要功能可以解決網(wǎng)絡(luò)鏈路的薄弱環(huán)節(jié)(主要是物理連接器或纜線)。常見的故障包括電纜開路或短路，引起這些故障的主要原因包括電纜或連接器斷開或受損。讓PHY器件具備執(zhí)行這些診斷檢測功能，可以顯著降低最終用戶的總占有成本。
　　為了簡化制造和測試，根據(jù)IEEE1149.1標(biāo)準在PHY器件中集成一個JITAG測試接入端口，能夠全面覆蓋所有數(shù)字I/O。發(fā)射器和接收器之間常見的循環(huán)操作，能夠?qū)?0/100Base-T電路執(zhí)行功能測試。該電路包括物理編碼子層(PCS)、物理介質(zhì)附屬子層(PMA)和物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)。這種電路已廣泛應(yīng)用于大多數(shù)PHY收發(fā)器。
　　與網(wǎng)絡(luò)上其他PHY收發(fā)器的互通性是另外一個設(shè)計考慮事項。美國新漢普希爾大學(xué)互操作性實驗室(UNH-IOL)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通性的測試機構(gòu)，它采用IEEE802.3u測試模板對各廠商的產(chǎn)品進行完整的互操作試驗。有了通過互通性測試的硬件，設(shè)計部門就可以專注于產(chǎn)品的軟件互通性(當(dāng)這些產(chǎn)品需要支持多種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議時)。國家半導(dǎo)體公司最近推出的 DP83849IF Dual 10/100 PHY可以很好地滿足上述所有設(shè)計要求。
3 冗余環(huán)設(shè)計考慮
　　建立冗余環(huán)網(wǎng)，主節(jié)點將與同一環(huán)上很多相互連接的從節(jié)點互連。主節(jié)點將在端口對環(huán)進行邏輯區(qū)分，從而阻止物理環(huán)中出現(xiàn)“單獨”數(shù)據(jù)包。環(huán)以菊花鏈形式進行互連，最后的菊花鏈從鏈路連回主節(jié)點。如果第一環(huán)發(fā)生鏈路故障，則由第二環(huán)提供冗余支持。銅纜可以通過鏈路信號缺失探測故障，光纖通過信號檢測來探測故障。通過采用故障連接切換方式，主環(huán)可以自動“治愈”自身故障。圖3說明了單環(huán)連接的正常鏈路運轉(zhuǎn)和故障連接切換。介質(zhì)既可以是光纖(100Base-FX)，也可以是銅纜(100Base-T)。

　　從物理層設(shè)計角度出發(fā)，雙端口集成式10/100 PHY是提供冗余端口最直接的解決方案。環(huán)上的節(jié)點總數(shù)受限于時間關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)的分辨率(對應(yīng)于微秒分辨率和比特時延)。如果采用局域網(wǎng)交換機，則存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延和大數(shù)據(jù)包將會對確定性響應(yīng)造成嚴重影響。為實現(xiàn)自愈或故障連接切換功能，美國國家半導(dǎo)體公司的DP83849IF具有靈活端口開關(guān)技術(shù)，通過軟件配置即可實現(xiàn)上述功能，無需進行外部多路復(fù)用。最小限度的固件編碼可通過MDIO串口上傳。如果主環(huán)發(fā)生鏈路故障，則由第二個冗余環(huán)提供額外的備份路徑。在這種情況下，每個端站都需要2個雙端口PHY，用于支持主環(huán)的故障切換和備份環(huán)的故障切換(如圖4所示)。

　　主節(jié)點用于防止網(wǎng)絡(luò)冗余，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至目的地。廣泛使用的上層數(shù)據(jù)協(xié)議，如依據(jù)IEEE802.1D標(biāo)準制定的生成樹協(xié)議(STP)，通常用于創(chuàng)建單一路徑，以在任意給定時間連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有站點。STP經(jīng)常用于多路環(huán)、子環(huán)網(wǎng)段、備份鏈路或用于提供負載共享?？焖賁TP也稱之為快速生成樹協(xié)議(RSTP，遵從IEEE802.1u標(biāo)準)，通常用于時間關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)。虛擬局域網(wǎng)是局域網(wǎng)交換機采用的另一種生成樹協(xié)議概念。局域網(wǎng)交換機為一組有地址的節(jié)點分配廣播域，上述節(jié)點不受網(wǎng)絡(luò)中各自物理位置的限制。
4 介質(zhì)轉(zhuǎn)換器及延伸應(yīng)用
　　對于大范圍工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，局域網(wǎng)交換機的間距可能比銅介質(zhì)交換距離(100米)更長。為解決這個問題，可以使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器來延長最大間距。帶寬為100Mbps時，銅纜光纖介質(zhì)轉(zhuǎn)換器模塊可以將交換機間距從100m擴展到1km。光纖轉(zhuǎn)換使局域網(wǎng)連接免受高強度EMI和臨近電動控制系統(tǒng)干擾的影響。上述功能在一個集成式器件(如前所述的DP83849IF器件)中即可輕松實現(xiàn)，無需設(shè)置任何軟件，只需在FX_EN管腳處添加1個上拉電阻器硬件，即可將一個端口設(shè)置為銅纜端口，第二個端口設(shè)置為光纖端口。同樣，通過寄存器控制裝置也可以完成上述設(shè)置。圖5對此進行了舉例說明。

　　要支持200m的交換機間距，則需要使用另一種稱之為介質(zhì)擴展器的功能。同樣，DP83849IF的雙端口可以通過硬件或寄存器控制裝置輕松配置。對于帶寬為100Mbps的銅介質(zhì)，其內(nèi)部RX和TX路徑在PHY之間互連。如圖6所示，兩個DP83849IF器件采用端對端擴展模式進行配置。對于更長的距離而言，需要在遠端設(shè)置電源。如果局域網(wǎng)交換機支持供電設(shè)備(PSE)功能——通過雙絞線輸出48V標(biāo)準電壓，則可以添加以太網(wǎng)供電(PoE)應(yīng)用。電源檢測(PD)端與PSE經(jīng)過握手程序后，提供符合IEEE802.3af規(guī)范的功率約為13W的整流DC電源。
　　美國國家半導(dǎo)體公司將推出一種單板解決方案，搭載了DP83848 PHY、LM5072 PoE PD接口和PWM控制器。上述部件均通過了各自功能的互通性測試:LM5072通過了以太網(wǎng)供電協(xié)會檢測，DP83848也經(jīng)過了UNH互操作性測試實驗室的相關(guān)檢測。2007年IEEE802.3at標(biāo)準頒布后，依照PoE Plus標(biāo)準，以太網(wǎng)供電功率將提高到30W。同時，LM5072 PoE設(shè)備為支持700mA直流電傳輸提供了一種過渡解決方案。工業(yè)團體會很快發(fā)現(xiàn)PoE Plus標(biāo)準非常適合提高工廠的自動化設(shè)備功率。對于帶寬為100Mbps的2km光纖延伸線路而言，DP83849IF的互連方式與硬件或寄存器控制裝置的配置類似。

5 物理層數(shù)據(jù)延時與IEEE1588標(biāo)準規(guī)范
　　所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都采用IEEE1588規(guī)定的兩種獨立時鐘中的一種。這兩種時鐘分別是單路通信端口的普通時鐘以及用于多端口集線器/中繼器或局域網(wǎng)交換機的邊界時鐘。惟一的主時鐘可以位于任意節(jié)點，而不必停留在主節(jié)點。主時鐘是最精確的時鐘源。在每個節(jié)點都可以采用IEEE1588最佳主時鐘算法，確定節(jié)點的時鐘質(zhì)量。如果節(jié)點不是主節(jié)點，則采用發(fā)送和接收時間計算偏置值，并通過延遲測量發(fā)起同步。對所有節(jié)點都要進行精確時間測量，直至物理層設(shè)備。在檢查物理層收發(fā)器過程中，MII接收時鐘通過接收數(shù)據(jù)流進行恢復(fù)。通過接收數(shù)據(jù)流恢復(fù)時鐘的過程與內(nèi)部鎖相回路如何發(fā)揮“魔力”具有直接關(guān)系。某些物理層設(shè)備的RX數(shù)據(jù)接收時鐘最長延時為20納秒。在MII和RMII總線模式下，DP83848和DP83849 PHY接收數(shù)據(jù)的RX時鐘延時僅為3納秒。通過降低接收時鐘延時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的MAC層、電纜長度延遲和其他可變時間常數(shù)具有了更多的確定性時間預(yù)算。DP83848和 DP83849的總傳輸延時達到了重復(fù)性5位時，因而不存在變化的不確定性。同樣接收延時的比特預(yù)算達到了25.5位時(1位時＝10納秒)，因而也不存在變化的不確定性。
　　最初的以太網(wǎng)規(guī)范已經(jīng)發(fā)生了重大變化。工業(yè)自動控制團體根據(jù)Fieldbus串行通信技術(shù)的發(fā)展不斷對以太網(wǎng)進行調(diào)整，并最終根據(jù)IEEE1588精確時間協(xié)議規(guī)定提出了實時以太網(wǎng)要求。這些重大變化包括無沖突全雙工功能，從對等協(xié)議、客戶機/服務(wù)器模式到主/從模式的變化，以及利用定制FPGA/ASIC處理特定廠商協(xié)議。這些協(xié)議的共同主題就是采用標(biāo)準以太網(wǎng)幀，將具有報頭和數(shù)據(jù)信息的特定廠商封裝幀嵌入以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)字段中。采用主從模式的物理層設(shè)計通常可部署為雙端口物理層設(shè)備，從而支持容錯網(wǎng)絡(luò)采用的菊花鏈拓撲和冗余拓撲。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接而言曾經(jīng)足夠健壯的局域網(wǎng)交換機需要向更具確定性的架構(gòu)演進。具有集線器/中繼器功能、主節(jié)點時隙分配以及時間安排功能的第1至第3層設(shè)計是另外的可能實現(xiàn)方法。最終，分布廣泛的以太網(wǎng)不僅要實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的實時確定性以太網(wǎng)連接，而且還要通過TCP/IP與非確定性互聯(lián)網(wǎng)進行連接。