利用时间敏感网络实现工业网络设计

发布人：电子资料库时间：2023-01-03 来源：工程师发布文章

OT（操作技术）和IT（信息技术）可能有不同的实时需求，但它们被合并到基于TSN（时间敏感网络）的以太网标准中。了解在工业网络设计中实施TSN所涉及的理论和硬件。

当通过网络进行通信时，工厂中的设备可能有非常不同的需求和潜在的冲突目标。操作技术（OT）流量，如机器控制数据和传感器值读数，通常需要固定的时间延迟、低延迟和可预测的抖动。另一方面，信息技术（IT）流量是电子邮件流量等数据。

在IT领域中，通信通常是最大的努力，准确的响应时间不是最重要的。相反，总体吞吐量才是最重要的。对于OT，在某个时间丢失数据会导致失败，因此数据包必须在一定的实时限制内到达目的地。

今天，有许多不同的工业协议用于解决这个问题。然而，时间敏感网络（TSN）是建立在标准以太网上的，它的目标是为以太网上的实时通信创建一个统一的标准。它通过在一根网线上合并OT和It流量，并向以太网添加确定性来实现这一点。其目标是减少网络延迟并降低端点之间的延迟，以确保某些数据包准时到达目的地。

本文讨论了TSN，三个基本的TSN标准，以及它们的典型用例。它还检查了三个NXP设备（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus），这些设备允许嵌入式工程师为工业应用设计现代连接的实时系统。

什么是TSN？

TSN不是一个单一的标准，而是一个IEEE定义的标准系列. TSN标准构成了TSN体系结构的基础：

图1TSN体系结构包括三层。IEEE标准构成了基础。TSN配置文件位于基础之上，协议使用这些配置文件

TSN配置文件位于TSN标准之上，形成体系结构的下一层。这些配置文件具体说明了如何参数化标准中定义的某些TSN特性。例如，这样一个配置文件可以包含一些参数，这些参数描述了应用程序中需要多少时钟周期精度。

相对成熟的TSN配置文件是IEC60802，它定义了工业应用的参数。然而，许多其他的TSN配置文件，如汽车和医疗应用，目前正在开发中。因此，体系结构的第二层根据特定的行业或应用程序来配置和指定在TSN标准中定义的特性。最后，顶层包含协议本身。

基本TSN标准

802.1AS的定时和同步标准构成了TSN的基础。ieee802.1AS建立在精确时间协议（PTP）之上，允许网络中的多个设备同步它们的内部时钟，从而支持更高级的功能，如时间感知调度。

802.1Qbv标准允许支持TSN的设备组合OT和IT流量，并在一根以太网电缆上进行传输。此外，这个次级标准还包括一个时间感知整形器，使得创建一个时间表成为可能，该时间表规定了某些数据包何时可以在线路上发出。网络中的设备同意遵守这个时间表，并为特定的包预留时间段。当在两个终端节点之间发送优先化消息时，这些措施将导致最小且可预测的抖动和延迟：

请注意，802.1AS确保网络上的所有设备共享一个同步的时基。因此，它们都知道何时通过网线发送何种类型的流量。

802.1CB是TSN的另一个重要标准。此子标准允许系统设计者在网络上创建冗余通信流，以提高容错能力。启用此功能后，支持802.1CB的网络交换机将在需要时自动复制指定的包。此外，当支持TSN的交换机第一次接收到唯一消息时，它会在以后自动丢弃所有冗余副本。将这些任务外包给支持TSN的硬件，消除了对复杂软件的需求，减轻了主CPU的负载。

最后，802.Qbu帧抢占是工业自动化最重要的标准之一。从本质上讲，工业网络对某种实时方法非常关注，这种方法要求遵守非常严格的周期时间。抢占有助于保持这样的时间，因为它可以在多个片段上分割一个帧，这些片段将被连续发送，除非出现一个快速帧。

只要每个消息的传输可以在称为guardband（802.Qbr）的可配置时间段内完成，所有标准帧都可以在多个消息中中断和分段。这种系统与抢占结合使用，可以防止过长或非循环消息延长周期时间。

这个时间敏感网络基础提供对TSN和此处讨论的一些标准的更详细的了解。

使用NXP设备启用时间敏感网络

这个层角LS1028A，i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表总结了TSN标准以及哪些NXP设备实现了这些标准：

支持TSN的硬件是创建可靠的支持TSN的以太网网络的第一步。NXP为其产品提供了广泛的软件支持，并提供了一个sdk库和演示各种特性的软件示例。

Layerscape LS1028A通常运行实时操作系统，例如openindustrialinux（OpenIL），或者其他高级操作系统。i.mx8mplus也将很快获得对OpenIL的支持。NXP还提供了对TSN的开源支持以及配置它的工具。对于OpenIL，NXP为PTP提供了开源驱动程序支持。这些驱动程序允许用户控制PTP硬件时钟和时间戳。除了NXP的软件产品，工程师还可以从一系列现成的商业软件堆栈中进行选择。

今天支持TSN的设备

NXP产品组合提供了一些设备，为工业环境中的时间敏感网络提供硬件支持。例如Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和i.MX 8M Plus。这些设备使嵌入式系统工程师能够通过将高处理能力与广泛的外围设备、安全功能和能够处理高要求任务的协处理器相结合来设计未来的工业设备。

这个LS1028A是一款成熟的应用处理器，基于两个Cortex A72处理核心。它主要用于汽车和工业市场，它配备了一个集成网络交换机，通过四个以太网端口支持各种TSN功能。LS1028A还提供了丰富的外围设备（如CAN-FD接口）、各种片上协处理器、专用GPU和LCD控制器以及众多安全功能。目标应用包括网络设备、工业HID和机器人技术。

图2LS1028A框图。图片来源：NXP产品网站

这个iMX RT1170系列MCU利用两个处理核心。ARM®Cortex®-M7内核运行频率高达1GHz，第二个专用Cortex®-M4处理器的时钟频率高达400MHz，使这些设备成为当今市场上最快的微控制器之一。其性能和丰富的外设和功能组合使i.MX RT1170系列mcu成为广泛应用的理想选择。这些设备支持高达2兆字节的SRAM和多达3个以太网接口。

i.MX RT1170交叉MCU还提供了一套现代安全和加密功能。对于HMI应用，设备包括一个专用的2D GPU和2D加速器和显示接口。i.MX RT1170针对低功耗和低泄漏应用进行了优化，允许高效、快速、小型和经济高效的设计。