本文来自微信公众号：电子工程世界 （ID：EEworldbbs），作者：冀凯

对于工厂自动化和流程自动化来说，基于以太网的工业通信不再是一个遥不可及、难以实现的愿景。

但由于成本、复杂性和可扩展性的挑战，串行接口仍是有线通信的标准，鉴于IO-Link和RS-485的成本效益和可靠性，这也是可以理解的。设计和软件工程师们也熟悉这些标准。

然而，新的嵌入式处理器技术通过集成对MAC、以及EtherCat和PROFINET等各种工业以太网协议的支持，帮助加快向以太网的转变。我们的处理器团队采访了多位德州仪器专家，了解他们针对工业通信设计挑战的深入见解，以及嵌入式处理器在以太网普及过程中发挥的作用。

要满足现代制造流程对提升效率和灵活性的需求，就需要通信协议能够处理互联式系统快速增加的带宽。随着更多的传感器以及边缘人工智能(AI)等更高级别的处理功能的使用，这些环境中的系统需要可靠、快速地传输越来越多的数据。

这是以太网非常有优势的领域，它提供了一种低延迟传输数据的机制，尤其适用于时间敏感型网络连接和EtherCAT、PROFINET等协议。

PROFINET简介

PROFINET是一种实时以太网标准，面向各种工业应用（包括工厂自动化、过程自动化和楼宇自动化）所需的高速、确定性通信。PROFINET最初在西门子主导下作为常用的PROFIBUS现场总线技术的网络扩展而开发，现在得到了PROFIBUS&PROFINET International的支持。2003年，PROFINET被整合到IEC 61158和IEC 61784标准中。其架构由30个工作组开发而成，这些工作组的成员来自70多家不同的公司。采用以太网来支持工业应用，因而可使用TCP/IP和XML之类已熟悉的技术在公司IT部门与工厂车间搭起技术桥梁。

虽然标准以太网能够为IT类公司提供出色的解决方案，但用于工厂自动化时却存在很多不足。例如，对于工厂自动化中常见的少量数据交换，标准以太网并不能满足要求，而缺乏确定性也说明它不支持电机驱动控制和其他工业实时应用所需的实时运作。PROFINET是应对这些挑战而使以太网用于实时工业应用的典范。

PROFINET基于主站/从站通信理念。主站（IO控制器）可在网络中的所有设备之间发送和接收数据帧。从站（IO设备）可将帧发送到IO控制器，但向其他IO设备发送数据只可采用非循环方式。PROFINET的系统模型非常类似于PROFIBUS现场总线系统。过程数据作为实时数据在控制器和从站之间循环交换。它提供了一种实时接口，用于在Ethertype为0x8892的第2层上直接发生循环I/O数据交换。实时数据不会使用标准TCP/IP协议栈进行传输，这降低了控制器与从站之间的循环数据传输延迟。为了在网络组件中进行优化处理，会对循环数据采用高优先级的VLAN标记。

当前实现PROFINET通常采用下图中所示的两种架构之一。

许多PROFINET设备都是使用分离式架构，在FPGA或ASIC上实现了一个PROFINET交换机，且添加了一个外部处理器（通常配备片上闪存），从而提升进行应用级处理所需的处理能力。传感器应用就是这种节点的典型示例。处理器操作传感器、实现设备驱动程序并运行PROFINET协议栈。这种架构允许设计人员选择适合自己需求和成本目标的处理器，但采用这种架构的PROFINET设备更昂贵，因为它需要两个独立芯片，并且主机处理器和ASIC之间的接口会成为性能瓶颈。

FPGA很灵活，但根据选择的CPU，会导致难以满足成本或工作频率目标的风险。

如今也有着越来越多的处理器集成PROFINET技术，与采用处理器的集成式PROFINET交换机而言，成本更低。

德州仪器

TI已经将PROFINET功能集成到Sitara处理器中。Arm内核和各种用于完善PROFINET的外设及接口相结合，使得Sitara处理器成为工业自动化设备的不二选择。减轻应用处理器的负载，Sitara处理器配备了TI的可编程实时单元工业通信子系统(PRUICSS)，该子系统将支持与MII接口进行底层交互。PRU-ICSS可以轻松地实现专用通信协议，如PROFINET。

与在Sitara AM335x上集成的PROFINET解决方案一样，整个PROFINET交换机可通过固件封装在PRU-ICSS中，使Arm内核能够自由地进行协议栈和应用处理。分析消费者协议机(CPM)帧以及生成提供者协议机(PPM)帧的任务均由PRU全权处理。

任何不适用于Profinet节点的帧都会切换至下一个节点，此切换过程由Sitara处理器（TI在其中集成了PROFINET协议）上PROFINETPRU固件中包含的交换机来执行。这种实现方式允许对比较简单和成本受限的应用（如分布式I/O）使用速度较低的Arm内核版本。

与运行PROFINET协议栈（第7层）的Arm内核之间以及与工业应用之间需要进行的通信采用中断方式完成。PRU-ICSS还会以反方向执行帧转发。以太网PHY设备（如TLK110或TI提供的DP83822用于完善TI的SitaraPROFINET解决方案。TLK110经过优化，实现了MII接口与PHY接口之间的低延迟，这是一种重要的性能属性。DP83822可通过MII、RMII或RGMII接口灵活地连接到MAC上。此外，TLK110和DP83822还具有高级电缆诊断功能，可快速定位电缆故障。

TI在Sitara处理器上提供全面集成的PROFINET从站功能。PROFINET与功能强大的低功耗Arm内核集成，可在不影响功能或性能要求的情况下打造出成本更低的终端产品。TI还针对工业通信接口（如EtherCAT、EtherNet/IP、PROFIBUS等等）提供具有内置隔离功能的收发器。

“我们正处于迈向工业4.0的转型之旅中，越来越多的工厂采用以太网来满足现代系统的高带宽需求，并更多地利用数据驱动型决策能力。”德州仪器工厂自动化和控制总经理Alex Weiler表示，“以太网增强了工厂和流程自动化的实时能力，使下一代制造业能够更多地结合机器学习、预测性分析和自主机器人功能。”

在工业通信设计中，嵌入式处理器可确保系统之间的可靠通信。在基于以太网的网络中，它们仍将扮演同样的角色，但也有潜力发挥更大的作用–尤其是在预测性维护和系统监控方面。

德州仪器处理器部门的副总裁Roland Sperlich表示：“在向基于以太网的通信过渡的过程中，嵌入式处理器（从微控制器到微处理器）发挥着关键作用，有助于管理互联系统之间日益增加的数据量，并确保跨网络协议的互操作性。类似德州仪器AM2432微控制器这样的器件可提供更强的处理能力和集成组件，以及易于使用的开源软件，有助于提升工业系统中实时控制和通信发挥的潜力。”

虽然嵌入式处理器在工业通信设计中的作用从未改变，但将现代器件与适当的软件配合使用，可以优化基于以太网的设计。

“随着如今的嵌入式处理器计算性能不断提高，工程师可以通过复杂的软件，针对基于以太网的协议加强实时控制。”Weiler表示。

工厂内外，以太网连接设备组成的生态系统日益扩大，这些设备之间的连接性得到增强，可继续提升效率并优化整个供应链。能够支持日益增加的传感器捕获的更多数据，并增强处理能力，也意味着能够在制造过程中实现更高的灵活性，还能通过边缘AI功能在网络边缘支持更多的智能和决策。

德州仪器高级技术人员Pekka Varis表示：“在工厂中广泛采用以太网的旅程始于更高带宽、实时通信，现在正将包括AI处理。随着半导体技术的进步，更多数据能够在互联应用之间传输，可在传感器主动收集数据的网络边缘做出更多决策，这将降低延迟，并最终实现更高效、更安全的运行。”

ADI

与TI相反，ADI更加推崇分离式方案。

比如，ADIN2299是一款多协议工业以太网平台，旨在满足各种工业应用的连接需求。该平台包含一个通信控制器、一个双端口10/100 Mbps以太网交换机、存储器、物理层(PHY)和协议栈。ADIN2299硬件与其软件和预认证的工业协议相结合，可缩短系统集成时间，并加快产品上市速度。支持的协议包括PROFINET、EtherCat、EtherNet/IP和Modbus TCP。

ADIN2299不仅提供协议栈，还提供实时操作系统(RTOS)、文件系统、驱动程序和传输控制协议(TCP)/互联网协议(IP)，从而缩短设计和调试时间。应用处理器可以通过通用异步收发器(UART)、串行外设接口(SPI)或以太网接口连接到该平台。ADIN2299软件使应用处理器能够连接到统一接口，从而无需对应用处理器软件进行任何更改即可使用各种工业协议。这消除了与集成其他协议相关的学习曲线。客户现在可以利用单一现场设备硬件设计来支持多种工业协议。

ADIN2299的另一个关键要素是网络安全。ADIN2299具有安全启动和安全更新功能，可确保仅执行经过验证的代码，从而减少网络攻击可能造成的现场中断。ADIN2299还提供嵌入式设计，以满足空间受限和外形尺寸独特的应用需求。为了最大限度地减少嵌入式设计工作量，我们提供原理图、布局示例、物料清单、固件和设计文件。

恩智浦

NXP的i.MX RT1180跨界MCU支持多协议工业物联网通信，可同时支持实时以太网和工业4.0系统。

据恩智浦2023年表示，i.MX RT1180跨界MCU是业界首款集成千兆位时间敏感网络(TSN)交换机的跨界MCU，可同时支持时间敏感通信和工业实时通信，并支持多种通信协议，从而弥合现有工业系统与工业4.0系统之间的差距。它也是首款集成EdgeLock安全区域的跨界MCU，这是一个预配置、自管理且自主的片上安全子系统，可降低为工业物联网应用实施强大的全系统安全智能的复杂性。

工业环境正迈向工业4.0，这带来了复杂的网络协议组合。这使得在时间敏感型通信和实时通信之间实现无缝工业连接变得困难。i.MX RT1180提供了实现这一目标所需的多协议连接，从而在工厂的各个边缘构建统一且安全的工业物联网通信环境。集成的EdgeLock安全区域满足了这些复杂联网系统中对信任根的需求，包括安全启动、经过身份验证的调试、设备生命周期的安全管理、高级密钥管理和篡改监控。

i.MX RT1180的封装选项从10x10mm BGA起，是目前尺寸最小的实时工业网络设备之一，使其能够更轻松地将TSN和工业网络功能集成到更广泛的工业用例中，包括I/O管理、电机控制、紧凑型运动控制或网关应用。除了用作集成解决方案外，i.MX RT1180还可以用作网络配套芯片，通过可扩展的连接方式为主机处理器提供所有必需的工业网络连接，甚至可以实现无需板载PHY即可与主机进行千兆位级无缝直接通信，从而进一步降低功耗和成本。i.MX RT1180也适用于汽车连接应用，这类应用越来越依赖以太网TSN支持高带宽和实时控制数据。这使得i.MX RT1180可以充当不同汽车ECU之间的智能交换机。

恩智浦半导体工业边缘处理副总裁兼总经理Jeff Steinheider表示，“工业和汽车客户正在寻求提供日益先进的网络功能，他们需要一种不仅提供处理能力，还能管理时间敏感型网络流量的解决方案。i.MX RT1180是一款集成交换机和EdgeLock安全区域的一体化解决方案，可满足汽车和工业物联网应用的需求，同时处理时间敏感型流量和尽力而为型流量，从而实现具有先进实时通信功能的安全自动化系统。”

随着PROFINET的火热，很多公司也陆续宣布推出了针对PROFINET的新产品和方案。

瑞萨

瑞萨面向RZ/T和RZ/N系列微处理器推出经认证的PROFINET-IRT和PROFIdrive软件协议栈

瑞萨电子宣布面向其RZ/T和RZ/N系列工业网络系统微处理器（MPU）推出经认证的PROFINETIRT和PROFIdrive软件协议栈。初始软件版本适用于专为伺服电机控制应用设计的RZ/T2M MPU，同时适用于面向工业物联网网关应用（如远程IO或工业以太网设备）的RZ/N2L。使用搭载该软件协议栈的瑞萨产品，可以简化客户设备的认证过程。

该全新软件协议栈是瑞萨首款经认证的支持PROFINETIRT（等时实时）和PROFIdrive的PROFINET软件解决方案。PROFINET作为自动化系统的主流工业以太网协议，可促进工业自动化设备的高速通信；其最高性能等级——PROFINETIRT，可确保数据传输的精确性和时效性，是伺服驱动器和运动控制系统等实时应用的理想选择，因此特别适合制造、机器人技术，和过程控制等需要实时操作的领域。

Mohamed Dogar，Vice President of Embedded Processing Business Acceleration at Renesas表示：“我们很高兴为RZ/T和RZ/N系列MPU扩展工业以太网系统提供全面支持。我们预期，随着我们先进网络协议栈集成的推出，将进一步加速RZ/T和RZ/N MPU系列在市场上取得卓越的成就。同时，PROFINET作为市场领先的工业网络协议，我们非常高兴能在瑞萨的产品上集成西门子的PROFINETIRT设备开发工具包，为用户带来更优质的产品体验。”

Efrossini Tsouchnika，Vice President Control at Siemens Digital Industries表示：“与瑞萨的合作取得了令人振奋的成果——通过采用西门子PROFINET设备开发套件，瑞萨成功推出了首款获得认证的PROFINETIRT解决方案。工业领域客户现在可以享受到瑞萨在PROFINET生态系统中提供的无缝集成选项。得益于瑞萨对PROFINET技术未来迭代持续且坚定的投资，我们期待双方的合作继续深化。”

瑞萨经认证的PROFINETIRT软件协议栈的实施涵盖工业设备通信所需的所有关键功能，包括PROFINETRT（实时）通信。该软件支持与PROFINET IO控制器的循环数据交换，并能处理诊断、过程和状态警报，以及插拔警报。它可通过PROFINET和设备应用程序分配IP地址及设备名称，此外还包括快速启动功能、共享设备支持、介质冗余（MRP）和系统冗余（S2）。

PROFIdrive可实现变频驱动器、伺服电机和其它运动控制设备在自动化系统中的无缝集成，确保高效通信和操作。PROFIdrive对设备之间的数据交换进行标准化，提供速度、扭矩和位置等关键参数，这对于精确控制驱动器至关重要。它同时支持通过PROFINETIRT的实时通信和常规以太网通信，可灵活应用于各种工业应用。

瑞萨RZ/T和RZ/N MPU上的PROFIdrive配置文件

瑞萨为应用类别4实施了经认证的PROFIdrive应用示例，包括具有速度设定点接口的驱动器对象实施。其支持通过标准报文1、2和3进行循环数据交换，以及通过PROFIdrive参数通道进行非循环数据交换。此外，该应用示例还具备PROFIdrive诊断功能和PROFIdrive通用状态机。它包含PROFIdrive编码器通道及其相应的编码器状态机，并提供驱动器控制系统的仿真。

英飞凌

随着工业向数字化转型和工业4.0迈进，工业自动化领域的通信协议变得尤为重要。为了实现自动化系统中数据的无缝交换和控制，英飞凌科技股份公司与其合作伙伴、工业通信解决方案供应商RT-Labs在英飞凌XMC7000工业微控制器（MCU）的固件中集成了六种现场总线和以太网协议。

用户可通过英飞凌ModusToolbox开发平台获得该固件。该软件解决方案提供全部主要的工业通信协议，支持用户在XMC7000 MCU上快速、轻松地使用所需协议，从而在伺服驱动器、I/O模块、机械臂、工业网关、PLC等各种应用中充分利用这款MCU的强大功能。

英飞凌科技微控制器高级产品经理Panagiotis Venardos表示：“英飞凌的XMC MCU长期支持工厂车间。随着工业4.0趋势发展不断加速，现有的现场总线和以太网协议对于实现工业自动化至关重要。我们将继续投资性能更强大的MCU和互联MCU，进一步提升工厂车间的无缝通信能力，并借助合作伙伴RT-Labs经过现场验证和高度优化的以太网和现场总线协议栈扩大这项工作的规模。”

RT-Labs首席营销官Marcus Ekerhult表示：“RT-Labs致力于让工业通信变得毫不费力。作为英飞凌的高级合作伙伴，我们正在为ModusToolbox™带来即插即用的连接能力。由于支持各种领先的协议和U-Phy技术，开发者可以在确保可靠性与合规性的前提下，加快开发和推出产品的速度。我们对此次合作及其带来的创新感到兴奋。”

工业通信协议是一套用于管理工业自动化环境中设备和系统间数据交换的标准化规则和程序。此次英飞凌与RT-Labs的合作支持客户使用这些通信协议：PROFINETRT、EtherNet/IP、CANopen、CC-Link、Modbus/TCP和EtherCAT Master。中间件托管在GitHub存储库中，提供最新且易于访问的程序库。此外，英飞凌还通过提供方便用户的代码示例和齐全的文档帮助用户使用，使用户无需深厚的专业知识或大量资源。

兆易创新

在工业领域，边缘计算正成为提升效率和优化运营的关键技术，兆易创新Arm Cortex-M7内核的GD32H7 600MHz超高性能MCU具备卓越的处理能效、丰富的链接特性以及多重安全机制，为工业4.0提供强有力的支撑，助力智能制造和自动化的发展。

EtherCAT伺服从站应用方案：采用GD32H7作为主控，伺服驱动采用标准的CIA402协议，通过TwinCAT进行实时控制；支持轮廓位置模式（PP）、30种原点回归模式（HM）和循环同步模式（CSP）；速度观测器实时进行速度观测，提高了速度的平滑性和响应速度。体现了GD32H7强劲性能、高实时性、高集成度，在高精度运动控制系统中具备优势。

PROFINET工业以太网解决方案：GD32H7支持更快的执行效率，内置4MB Flash和1MB SRAM，在单芯片上可运行多协议，该解决方案支持PROFINET、Profibus、CANopen、Modbus、EtherNet/IP、CC-Link IE Field Basic、DeviceNet等10种从站协议以及协议转换，并提供Keil/IAR/GCC库，帮助用户快速的进行二次开发。

LVGL/emWin/ThreadX RTOS GUI图形显示方案：支持LCD显示、触摸控制、二维码、图片解码、文件浏览等功能演示，配合上位机模拟器方便客户在PC端进行UI设计和开发，以及逻辑功能验证。通过串口、以太网及CAN等总线通讯接口连接PLC、变频器、仪表等工业控制设备，让用户以更智能的方式进行交互。

总结

现代制造流程对效率和灵活性要求提升，需要能处理高带宽、可靠传输大量数据的通信协议。PROFINET作为重要的工业以太网协议，满足了工业应用中高速、确定性通信需求，为工厂自动化、过程自动化和楼宇自动化等提供关键支持。工业互联网的发展依赖于像PROFINET这样的通信协议软件栈以及各厂商在处理器等硬件中对其集成应用，这有助于实现数据驱动型决策，结合机器学习、预测性分析、自主机器人等先进技术，提升整个工业系统的效率、灵活性和安全性，推动工业向4.0时代迈进。