1 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展
　　過去30多年來，在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)控制器、其他I/O設(shè)備等。Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(zhǔn)體系”。IEC61158標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化和控制客戶圍繞現(xiàn)有的Fieldbus網(wǎng)絡(luò)對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行了改造。所有這些協(xié)議通常帶有一個(gè)地址頭，緊隨其后的是某些功能代碼、數(shù)據(jù)字段和校驗(yàn)和。Fieldbus包能夠被輕松封裝在諸如用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(diǎn)是ISO/OSI模型的物理層。這種模型規(guī)定了信號(hào)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(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)部分，這將在后面進(jìn)行討論。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣嵌瓤?，大多?shù)廠商都可支持任何鏈狀、樹狀或星形拓?fù)?。下一網(wǎng)層(即所謂的數(shù)據(jù)鏈路層)可采用支持實(shí)時(shí)高帶寬方案的定制化FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)。
2 物理層設(shè)備的設(shè)計(jì)考慮
　　鑒于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的多樣化，工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用定制化FPGA或可支持兩個(gè)10/100MAC功能的嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)單/雙MAC功能，以便根據(jù)IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)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(shí)鐘的頻率都為25MHz，以便實(shí)現(xiàn)100Mbps" title="100Mbps">100Mbps的速率，這些時(shí)鐘信號(hào)都來自PHY設(shè)備。MII接口的管腳總數(shù)為16個(gè)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(shí)鐘頻率為50MHz，數(shù)據(jù)格式為雙位(Dibit)，時(shí)鐘信號(hào)既可以來自MAC，也可以來自外部時(shí)鐘源。更新的10/100 物理層設(shè)備大部分都同時(shí)帶有MII和RMII端口。
　　業(yè)界一般認(rèn)為，從-40°C～+85°C的工業(yè)級(jí)溫度范圍能夠滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)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(gè)溫度范圍要求的10/100 Base-T物理層器件。
　　第二個(gè)考慮因素是設(shè)計(jì)出足夠強(qiáng)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(fù)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(duì)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(gè)故障因素是氧化門擊穿，這種故障可提高芯片對(duì)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(jì)考慮事項(xiàng)包括器件的ESD額定值和客戶的ESD設(shè)計(jì)要求。IEC 61000-4-2第4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋大部分ESD標(biāo)準(zhǔn)，以人體模型(HBM)為基礎(chǔ)。具體項(xiàng)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(duì)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(jī)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(tái)有關(guān)CDE及其試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)。但是，CDE能量通常低于IEC 61000-4-2第4級(jí)威脅，制造商完全可以利用該級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CDE放電進(jìn)行測試。電纜的遠(yuǎn)端和近端都必須添加保護(hù)電路" title="保護(hù)電路">保護(hù)電路。發(fā)射和接收線對(duì)也必須采用保護(hù)電路，防止電纜遠(yuǎn)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(hù)電路，因?yàn)樵搨?cè)對(duì)ESD更為敏感(相對(duì)于在電纜兩端的接收線對(duì)不采用保護(hù)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(gè)對(duì)地釋放通道。建議在線測中心分接頭和機(jī)架接地點(diǎn)之間連接一個(gè)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(hù)電路，具體取決于客戶是否要求嚴(yán)格遵循IEC 61000-4-2第2或第4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
　　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(hào)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(zhǔn)所要求的高速數(shù)據(jù)保護(hù)。
　　第三個(gè)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(shí)時(shí)狀態(tài)信息的能力。片上時(shí)域反射(TDR)脈沖發(fā)生器能夠在電纜上發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，由于其內(nèi)在的基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的計(jì)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(diǎn)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(zhǔn)在PHY器件中集成一個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。美國新漢普希爾大學(xué)互操作性實(shí)驗(yàn)室(UNH-IOL)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通性的測試機(jī)構(gòu)，它采用IEEE802.3u測試模板對(duì)各廠商的產(chǎn)品進(jìn)行完整的互操作試驗(yàn)。有了通過互通性測試的硬件，設(shè)計(jì)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(shí))。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(jì)要求。
3 冗余環(huán)設(shè)計(jì)考慮
　　建立冗余環(huán)網(wǎng)，主節(jié)點(diǎn)將與同一環(huán)上很多相互連接的從節(jié)點(diǎn)互連。主節(jié)點(diǎn)將在端口對(duì)環(huán)進(jìn)行邏輯區(qū)分，從而阻止物理環(huán)中出現(xiàn)“單獨(dú)”數(shù)據(jù)包。環(huán)以菊花鏈形式進(jìn)行互連，最后的菊花鏈從鏈路連回主節(jié)點(diǎn)。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(hào)缺失探測故障，光纖通過信號(hào)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(dòng)“治愈”自身故障。圖3說明了單環(huán)連接的正常鏈路運(yùn)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(jì)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(diǎn)總數(shù)受限于時(shí)間關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)的分辨率(對(duì)應(yīng)于微秒分辨率和比特時(shí)延)。如果采用局域網(wǎng)交換機(jī)，則存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和大數(shù)據(jù)包將會(huì)對(duì)確定性響應(yīng)造成嚴(yán)重影響。為實(shí)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(shí)現(xiàn)上述功能，無需進(jìn)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(gè)冗余環(huán)提供額外的備份路徑。在這種情況下，每個(gè)端站都需要2個(gè)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(diǎn)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(zhǔn)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(shí)間連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有站點(diǎn)。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(fù)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(zhǔn))，通常用于時(shí)間關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)。虛擬局域網(wǎng)是局域網(wǎng)交換機(jī)采用的另一種生成樹協(xié)議概念。局域網(wǎng)交換機(jī)為一組有地址的節(jié)點(diǎn)分配廣播域，上述節(jié)點(diǎn)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(duì)于大范圍工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，局域網(wǎng)交換機(jī)的間距可能比銅介質(zhì)交換距離(100米)更長。為解決這個(gè)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(shí)，銅纜光纖介質(zhì)轉(zhuǎn)換器模塊可以將交換機(jī)間距從100m擴(kuò)展到1km。光纖轉(zhuǎn)換使局域網(wǎng)連接免受高強(qiáng)度EMI和臨近電動(dòng)控制系統(tǒng)干擾的影響。上述功能在一個(gè)集成式器件(如前所述的DP83849IF器件)中即可輕松實(shí)現(xiàn)，無需設(shè)置任何軟件，只需在FX_EN管腳處添加1個(gè)上拉電阻器硬件，即可將一個(gè)端口設(shè)置為銅纜端口，第二個(gè)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(duì)此進(jìn)行了舉例說明。

　　要支持200m的交換機(jī)間距，則需要使用另一種稱之為介質(zhì)擴(kuò)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(duì)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(gè)DP83849IF器件采用端對(duì)端擴(kuò)展模式進(jìn)行配置。對(duì)于更長的距離而言，需要在遠(yuǎn)端設(shè)置電源。如果局域網(wǎng)交換機(jī)支持供電設(shè)備(PSE)功能——通過雙絞線輸出48V標(biāo)準(zhǔn)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(huì)檢測，DP83848也經(jīng)過了UNH互操作性測試實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)檢測。2007年IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)頒布后，依照PoE Plus標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)供電功率將提高到30W。同時(shí)，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(tuán)體會(huì)很快發(fā)現(xiàn)PoE Plus標(biāo)準(zhǔn)非常適合提高工廠的自動(dòng)化設(shè)備功率。對(duì)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(shí)與IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
　　所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用IEEE1588規(guī)定的兩種獨(dú)立時(shí)鐘中的一種。這兩種時(shí)鐘分別是單路通信端口的普通時(shí)鐘以及用于多端口集線器/中繼器或局域網(wǎng)交換機(jī)的邊界時(shí)鐘。惟一的主時(shí)鐘可以位于任意節(jié)點(diǎn)，而不必停留在主節(jié)點(diǎn)。主時(shí)鐘是最精確的時(shí)鐘源。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以采用IEEE1588最佳主時(shí)鐘算法，確定節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘質(zhì)量。如果節(jié)點(diǎn)不是主節(jié)點(diǎn)，則采用發(fā)送和接收時(shí)間計(jì)算偏置值，并通過延遲測量發(fā)起同步。對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行精確時(shí)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(shí)鐘通過接收數(shù)據(jù)流進(jìn)行恢復(fù)。通過接收數(shù)據(jù)流恢復(fù)時(shí)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(shí)鐘最長延時(shí)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(shí)鐘延時(shí)僅為3納秒。通過降低接收時(shí)鐘延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的MAC層、電纜長度延遲和其他可變時(shí)間常數(shù)具有了更多的確定性時(shí)間預(yù)算。DP83848和 DP83849的總傳輸延時(shí)達(dá)到了重復(fù)性5位時(shí)，因而不存在變化的不確定性。同樣接收延時(shí)的比特預(yù)算達(dá)到了25.5位時(shí)(1位時(shí)＝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(dòng)控制團(tuán)體根據(jù)Fieldbus串行通信技術(shù)的發(fā)展不斷對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，并最終根據(jù)IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議規(guī)定提出了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)要求。這些重大變化包括無沖突全雙工功能，從對(duì)等協(xié)議、客戶機(jī)/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(zhǔn)以太網(wǎng)幀，將具有報(bào)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(jì)通常可部署為雙端口物理層設(shè)備，從而支持容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)采用的菊花鏈拓?fù)浜腿哂嗤負(fù)?。?duì)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(jī)需要向更具確定性的架構(gòu)演進(jìn)。具有集線器/中繼器功能、主節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配以及時(shí)間安排功能的第1至第3層設(shè)計(jì)是另外的可能實(shí)現(xiàn)方法。最終，分布廣泛的以太網(wǎng)不僅要實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)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(jìn)行連接。