利用時間敏感網絡實現工業網絡設計

發布人：電子資料庫時間：2023-01-03 來源：工程師

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OT（操作技術）和IT（信息技術）可能有不同的實時需求，但它們被合并到基于TSN（時間敏感網絡）的以太網標準中。了解在工業網絡設計中實施TSN所涉及的理論和硬件。

當通過網絡進行通信時，工廠中的設備可能有非常不同的需求和潛在的沖突目標。操作技術（OT）流量，如機器控制數據和傳感器值讀數，通常需要固定的時間延遲、低延遲和可預測的抖動。另一方面，信息技術（IT）流量是電子郵件流量等數據。

在IT領域中，通信通常是最大的努力，準確的響應時間不是最重要的。相反，總體吞吐量才是最重要的。對于OT，在某個時間丟失數據會導致失敗，因此數據包必須在一定的實時限制內到達目的地。

今天，有許多不同的工業協議用于解決這個問題。然而，時間敏感網絡（TSN）是建立在標準以太網上的，它的目標是為以太網上的實時通信創建一個統一的標準。它通過在一根網線上合并OT和It流量，并向以太網添加確定性來實現這一點。其目標是減少網絡延遲并降低端點之間的延遲，以確保某些數據包準時到達目的地。

本文討論了TSN，三個基本的TSN標準，以及它們的典型用例。它還檢查了三個NXP設備（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和新的i.MX 8M Plus），這些設備允許嵌入式工程師為工業應用設計現代連接的實時系統。

什么是TSN？

TSN不是一個單一的標準，而是一個IEEE定義的標準系列. TSN標準構成了TSN體系結構的基礎：

圖1TSN體系結構包括三層。IEEE標準構成了基礎。TSN配置文件位于基礎之上，協議使用這些配置文件

TSN配置文件位于TSN標準之上，形成體系結構的下一層。這些配置文件具體說明了如何參數化標準中定義的某些TSN特性。例如，這樣一個配置文件可以包含一些參數，這些參數描述了應用程序中需要多少時鐘周期精度。

相對成熟的TSN配置文件是IEC60802，它定義了工業應用的參數。然而，許多其他的TSN配置文件，如汽車和醫療應用，目前正在開發中。因此，體系結構的第二層根據特定的行業或應用程序來配置和指定在TSN標準中定義的特性。最后，頂層包含協議本身。

基本TSN標準

802.1AS的定時和同步標準構成了TSN的基礎。ieee802.1AS建立在精確時間協議（PTP）之上，允許網絡中的多個設備同步它們的內部時鐘，從而支持更高級的功能，如時間感知調度。

802.1Qbv標準允許支持TSN的設備組合OT和IT流量，并在一根以太網電纜上進行傳輸。此外，這個次級標準還包括一個時間感知整形器，使得創建一個時間表成為可能，該時間表規定了某些數據包何時可以在線路上發出。網絡中的設備同意遵守這個時間表，并為特定的包預留時間段。當在兩個終端節點之間發送優先化消息時，這些措施將導致最小且可預測的抖動和延遲：

請注意，802.1AS確保網絡上的所有設備共享一個同步的時基。因此，它們都知道何時通過網線發送何種類型的流量。

802.1CB是TSN的另一個重要標準。此子標準允許系統設計者在網絡上創建冗余通信流，以提高容錯能力。啟用此功能后，支持802.1CB的網絡交換機將在需要時自動復制指定的包。此外，當支持TSN的交換機第一次接收到唯一消息時，它會在以后自動丟棄所有冗余副本。將這些任務外包給支持TSN的硬件，消除了對復雜軟件的需求，減輕了主CPU的負載。

最后，802.Qbu幀搶占是工業自動化最重要的標準之一。從本質上講，工業網絡對某種實時方法非常關注，這種方法要求遵守非常嚴格的周期時間。搶占有助于保持這樣的時間，因為它可以在多個片段上分割一個幀，這些片段將被連續發送，除非出現一個快速幀。

只要每個消息的傳輸可以在稱為guardband（802.Qbr）的可配置時間段內完成，所有標準幀都可以在多個消息中中斷和分段。這種系統與搶占結合使用，可以防止過長或非循環消息延長周期時間。

這個時間敏感網絡基礎提供對TSN和此處討論的一些標準的更詳細的了解。

使用NXP設備啟用時間敏感網絡

這個層角LS1028A，i.MX RT1170和i.MX 8mplus在不同程度上支持TSN功能。下表總結了TSN標準以及哪些NXP設備實現了這些標準：

支持TSN的硬件是創建可靠的支持TSN的以太網網絡的第一步。NXP為其產品提供了廣泛的軟件支持，并提供了一個sdk庫和演示各種特性的軟件示例。

Layerscape LS1028A通常運行實時操作系統，例如openindustrialinux（OpenIL），或者其他高級操作系統。i.mx8mplus也將很快獲得對OpenIL的支持。NXP還提供了對TSN的開源支持以及配置它的工具。對于OpenIL，NXP為PTP提供了開源驅動程序支持。這些驅動程序允許用戶控制PTP硬件時鐘和時間戳。除了NXP的軟件產品，工程師還可以從一系列現成的商業軟件堆棧中進行選擇。

今天支持TSN的設備

NXP產品組合提供了一些設備，為工業環境中的時間敏感網絡提供硬件支持。例如Layerscape LS1028A、i.MX RT1170交叉MCU和i.MX 8M Plus。這些設備使嵌入式系統工程師能夠通過將高處理能力與廣泛的外圍設備、安全功能和能夠處理高要求任務的協處理器相結合來設計未來的工業設備。

這個LS1028A是一款成熟的應用處理器，基于兩個Cortex A72處理核心。它主要用于汽車和工業市場，它配備了一個集成網絡交換機，通過四個以太網端口支持各種TSN功能。LS1028A還提供了豐富的外圍設備（如CAN-FD接口）、各種片上協處理器、專用GPU和LCD控制器以及眾多安全功能。目標應用包括網絡設備、工業HID和機器人技術。

圖2LS1028A框圖。圖片來源：NXP產品網站

這個iMX RT1170系列MCU利用兩個處理核心。ARM?Cortex?-M7內核運行頻率高達1GHz，第二個專用Cortex?-M4處理器的時鐘頻率高達400MHz，使這些設備成為當今市場上最快的微控制器之一。其性能和豐富的外設和功能組合使i.MX RT1170系列mcu成為廣泛應用的理想選擇。這些設備支持高達2兆字節的SRAM和多達3個以太網接口。

i.MX RT1170交叉MCU還提供了一套現代安全和加密功能。對于HMI應用，設備包括一個專用的2D GPU和2D加速器和顯示接口。i.MX RT1170針對低功耗和低泄漏應用進行了優化，允許高效、快速、小型和經濟高效的設計。