1.1 Industrial Communication

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先自我介绍一下 我是德州仪器这边负责技术支持的技术工程师刘靖伟 Steven Liu 这个之前的时候跟大家应该做Sitara的HMI 这种工业级的人机交互界面上面去进行过一些互动 今天主要给大家带来的 这个方案就是一个讲解的主题是基于AMIC产品的工业通讯总线设计方案 工业通信总线这个东西 我觉得应该也算是火了有两三年了吧 其实TI在这部分的投入还是蛮久的 应该是在三四年前的时候 TI有一个专门做ARM产品线 Sitara产线 就立足在这个工业通讯总线上去做了很多投入 但是在四年前的时候 其实我们推这款产品在市面上的普及率还不是很高 但是从这个中国制造2025和工业4.0的概念 广泛铺开了过后 那对于工业通信总线的需求量也不断提升了 特别是现在在我们市面上接触到的客户中ETC tag 和 Profinet的使用 在占据了很大一部分市场 所以 目前我们产品线在基于当前一些评比的设计方案的基础上 进一步对我们原来的产品做了优化 就是原来Sitara系列的 AM系列的产品 然后做了进一步的优化 使得它的成本更加低廉 整个系统设计更加高效 做出来的AMIC AMIC产品 AMIC产品就更适用于我们目前工业通信从站的一些设计 今天为大家带来的就是这一块的介绍 那话不多说我们先进入到我们第一章节 今天我大概会分这么四个步骤吧 四个章节介绍吧 第一部分的话跟大家简单探讨一下 工业通信总线目前运用的一些情况 然后 第二部分大概会跟大家聊一下 就是在TI的 PRU这个体积上我们是如何实行工业通信总线的 这块我相信也是很多朋友之前在上一个 这个 直播之中提到的 大家很想了解说为什么TI的ARM可以做这个事情 或者说这个为什么别人家的ARM 或者说别人的产品 跟我们产品之间实现有多大的gap 或者说有什么的差异点 这个呢我就会在这个章节中做详细的说明 之后呢我再会针对于我们当前的工业通信总线 比较流行的几款产品做一些深入的介绍 最后一个章节呢我会对TI这边的这个Sitara系列产品做一个综述 以及让大家看到我们对整个产品构架的规划 以及对产品未来发展趋势的一个规划 下面我们就进入第一个章节 工业通信总线 工业通信总线这个东西出现相信是伴着这个 工业4.0的发展 在这个工业PLC技术 然后 这个motion control技术以及底下的industrial drive 就是这种电机驱动技术 这个东西的互联互通的需求会越来越高 而且 数据量的通信也会越来越大 大家可以想想 原来的时候我们看到的这种不同的机器之间都是独立运转 那当你需要一个全自动化智能工厂之中 你的逻辑控制器或者运动控制 首先呢是要从外部的sensor或者是从你人机交互界面中 拿到你想要做的这些事情那把它分解出来过后呢 我可能会分解到六个轴的运动控制 所以 甚至是更多的轴上 那这样子你一个逻辑控制器 我可能会带六轴 八轴 甚至十二轴 或者是更多轴 去让它们协同去工作 那这样一来呢 提出来一个挑战就是对原始通信方案 就是485和看通信方案提出来的挑战方案就是 第一就是你的数据吞吐量够不够大那能不能做高效的通信 第二就是数据的延展性好不好 这个我想做过产品的朋友可能知道 我们原本485总线基本都是一配一嘛 那这样子来 你可以想想看 如果是这个原始的PLC设计 我们往往是一个大盒子这个大盒子上往往我有 比如说八排或者十二排的485口 每一个口接一个 这样 其实对于你产品来说 最终肯定会受限在某一个具体的个数上 产品的延展性是不太理想的 那工业通信总线的出现主要解决了这一难题 首先呢 大部分都是基于百兆以太网吞吐量首先就上了一个层次 相较于CAT来说 第二点的话就是目前我们工业通信总线的 这一些协议上的构架往往都支持这种灵活的热插法 比如说这个现在在国内比较火热的EtherCAT 我们在构建总线型的网络上 我们往往一个master可以配合着多个slave 从六个到十二个 甚至二十四个 那它其实受限的就不再是你的硬件接口了 往往受限的就是你整个一个系统的这个performance 就是本身的性能 我的端到端的实验是多少我的同步的时间周期 同步时间周期需求是多少 我带多少个节点 我能不能满足这个同步周期 那往往是在这个层面上的性能 会去决定你的这个节点个数的限制 所以呢 现在的工业通信总线 对于我们处理器和通信方式上都提出了不同程度的挑战 那目前我们看到的市面上比较流行的 工业通信协议啊 目前我列了五个 一个是Profinet 相信这个很多人 第二个是EtherCAT 相信很多人对这个地方还是有疑惑的 就是因为EtherCAT在中国市场目前看上去还是比较火热的吧 因为很多家都在做 我想也是因为EtherCAT的本身的开源特性和它的在中国市场 一个运营的结果 目前确实我们看明显发现在中国市场的EtherCAT要多很多 因为本身开源 相对来说开发的门槛没有那么高 而对于Profinet来说的话 这个在欧美的 欧洲市场上来讲 它的这个popularity 流行度就会高很多 而且呢 因为开发的过程之中你会涉及到很多license的问题 所以这个往往在国内这边都是在有主站的情况下 我们才去做从站 或者是有生意结合中我们才去做 所以它的推广占比就没有EtherCAT在我们国内的多了 然后Ethermet/IPPowerlink跟Sercos这几个 相较于这个我们之前看到的machorlink 还有RTEXT这些通信协议 都在不同程度上的有客户向我们提及过 所以这个地方我也列出了相关的方案 在后续的介绍之中我会给大家看一下 我们关于这五种方案的一个实现的过程 工业通信协议的话在这张图上 给大家就是先是一个概念 我们工业通信协议一般来说 我们会看到有主站和从站的差距 而这张图呢就刚好一个这个工业自动化体系描述得相对来说 是层次比较分明的 最上面呢就是我们经常看到的用户操作界面层 就是我们平时看到的HMI人机交互 往往在这层 或者是我们看到的X86的工业PC 或者是大家看到的一些比较大型的工业PC 也是在这层 这层往往是对于面向客户终端的 比如说我在一个工厂 我要做一个这个 我今天要织一个毛衣明天我要织一个裤子 我的所有的状态命令的发起可能都是在这层去做的 而把这个命令这个解析 架构文件的解析 有可能是在这层做 像工业PC可能就在这层去做了 那也有可能就是这层就是对于架构文件的解析和路径的规划 是放在中间这一层 这个PLC这层去做 往往在这个PLC这层 就是中间的这层 这个逻辑控制层我们见到最多就是PLC逻辑控制器和motion control 现在其实更多的是 带有一点motion control的这运动控制器 就是可能这个运动控制的连轴控制的算法并不是很多 但是带的轴数会比较偏多一点 所以你可能这个如果是协同运比较多的话 那我们在这一层对于这个运算能力的需求是比较高的 那同样的运算提高的代表着数据量增高 所以工业通信这一层在这里面和它的下层 就是工业驱动这一块构建出来的桥梁作用非常重要了 所以在我们刚才提到的工业通信的master 往往看到的就是在中间这层的PLC或者是motion control的上面 那当然啦 现在的产品形态越来越多样 也有的做所谓的一体机 就是HMI或者是工业PC 其实工业PC就有一部分的就是把motion control也做在工业PC上了 最终大家看到的可能就是一个具有这个运动控制器功能的一个盒子 外面能够直接接触HMI 然后 上面两层有可能是放在一起的 那往下面这层往往就是我们实际的这个应用层了 应用的执行层 这层的话是什么呢 往往都是我们一般来说 机器手手臂的关节 C2000电机 或者是有M4M3去做的一些电机控制 然后还有一些呢 就是一些开关 比如说我们的手的抓取啊这些气缸的控制 还有一些这个开关量的控制 其实对于我们系统本身而言它就是一些L的变化 那就是在底下这一层 那这边的话 由于我们上面这一层就中间这一层上 你会需要 工业通信总站的需求所以现在的话即使是在L设备剪影上 我们也看到了有很多需求做这个EtherCAT 或者是Profinet啊这些slave 工业通信从站的机会 所以这个地方呢 就基于A8架构加上PRU架构的东西 就会有一定的优势 因为很简单嘛 我们架构本身就是ARM加上一个PRU去做的 ARM本身呢有很好的控制能力 而且相对于A8这样一个架构上的L的个数还是比较多的 如果不考虑管脚附用的情况下 往往是四组 每组各32个 所以L数量还是比较多的 那在这个电机控制这一块呢 往往我们做的就是一个工业通信控制板样 那我可能是把这个上面来的 工业通信总线协议转化为SPI 或者转化为485然后分发到下面下去 可以作为一个就是类似于一个工业的通讯桥 就是gateway 也可以作为一个就是独立的一配一的这种工业通信控制 所以基本上我们看到的工业通信从站 在下面这一层实现是最多的 主站是在上面 上面这一层相对来说多一些 下面来看一下这张图 我相信如果以前看过直播的同学应该可能知道 这张就是我们这个Sitara目前产品线这边规划出来的一些架构 这张我们主要看右上方这里右上方这里的话我们可以看到 首先我们在这个架构体系之中 一个是由ARM PRU去做的 一个是由这个DSP构成的还有一个PRU-ICSS 这三个分别代表了三个不同的这个重大的应用的一个功能 最左上面的ARM CPU 大家知道ARM这块的本身的控制还是比较强的 控制做通信 然后DSP这块呢 右上方的DSP这块呢 往往是做这种算法 特别是连轴的这个联动泛阀这些东西 我多轴的联动泛阀这个因为你要会做很多路径规划 这个DSP的功能还是非常重要的 而PRU-ICSS 这个就是TI所特有的 一套去用来实现工业通信协议的一个协处理器 可以这么理解 PRU-ICSS全称是啥 Programmable Real-Time Unit那个是PRU的概念 ICSS代表的是 IndustrialCommunication SubSystem 就是工业通信子系统 说到底呢 PRU-ICSS它就是risk指令级的 一个MCU 它是可以用来去实现各种不同的工业通信控制协议的 那底下列举出来了一些示例 比如说EtherCAT Profinet Profi bus 除此之外的话 我们现在在工业上电机驱动那一端经常看到的 Endat Biss Tamagawa 多摩川的 这种位置反馈啊这些通信 包括我们去做这个电流采样做的sigma delta theta这些东西 都能在这个PRU-ICSS中去做一些实现 很简单 因为PRU-ICSS具有灵活高效的特点 所以 你的实现方式会变得非常灵活多变 而且你可以动态的去做这些东西的切换 那在下面的章节之中我会给大家详细地去阐述 为什么PRU-ICSS能做这些 这章重点在于说我们做了些什么或者说这些东西做了过后 我们有怎么样的机制去保证它去这个能够正常工作 那这里的话列举出来的工业通信控制协议 就是我们目前已经做出来的 而且经过验证了的 这个工业现场通信总线的支持情况 那么大家可以看到 这里的话是 我们基于当前罗列出来的工业通信的开发情况 EtherCAT Ethernet/IP Profibus然后包括 Mechatro Link 这些东西都是在我们不断地演进过程中 大家可以看到在这里 我在角标之中的话 特别提出来有一个叫certificate 为什么有这个东西呢 因为这个其实在我们做完一些工业通信的 比如说 我们做完EtherCAT跟Profinet了过后 我们的原厂都会去找到对应的这些协议的组织 比如说 EtherCAT的会找到EPG 然后我们的这个Profibus和Profinet 我们会找到PI 去做相关的这种兼容性测试认证 那么现在大家看到的这一面之中就是关于我们的这种所谓测试报告 那这种测试报告呢 是保证你当前这个协议方案可以通过它认证测试的一个指标 相信有了这个东西过后 大家在对这个PRU去实现这些功能的稳定性 以及它的本身的这个系统的鲁棒性来说 都是会有一定的信心 它可以说是一个保障吧 然后 除了刚才提到的工业通信协议这块 主站和从站之外的话 我们还有一部分的话就是对于我们电机控制 刚才提到的Endat BissTamagawa包括sigma delta采样 这个在我们AM437这套体系之中也去做了 而且 其实它的实现机制基本上都跟纯硬件没有什么差别 所以 基本上都能够保证你的灵活和高效 最后的 下面这个部分呢 就是我们目前仍然在开发过程之中 并且不断release出来的 更多的基于这个Ethernet通讯的一些协议 比如说 电力上寻常用到了HSP PRP这些东西 还有IEC 61850啊 还有一些就是 我们经常会用到的Ethernet 因为有人这地方也提到过 既然能做EtherCAT我能不能做Ethernet 因为在做EtherCAT的master的时候 我们往往有客户提出来过要两路的EtherCAT的master 再加上一路的Ethernet 两路的EtherCAT的master是基于我们普通以太网的 所以会把芯片上的资源给吃掉 那你还要有一个Ethernet这个时候你就可以用PI去做 总的来说 我们有三路的 这样看起来就是我们有三路的Ethernet的接口资源可以去用 实际上是四路 但考虑到拼角附用充度问题我们还可以引出三路来的 这个在很多的应用场合上都是比较满足客户需求的 待会儿到方案几的介绍之中我会跟大家去具体地去介绍 OK 讲完了刚才说的这些过了这些认证和这些协议知识 有人可能会人有了疑问就是这个东西怎么去用 那接下来这章以及这个里面会有哪些费用 然后这张图呢 就是把软件的体系架构给大家标明出来了 其实这个地方一方面能够表示出来就是 我们跟第三方合作模式问题 大家可以看到在右边这个里面 TI的部分我们都用比较深的颜色去标注了 粉红色往往就是第三方进入进来的 所以大家可以看到所有硬件底层的构建 包括我们操作系统体系的构建 这个往往都是在我们这一层去 就是TI提供的这些这个软件ProcessSDK上去实现了 而往往第三方提供给你的就最多只是一个协议站 而协议站呢这里面就会涉及到第三方的授权问题 还它的协议站费用问题 而对于大多数客户而言 就是我们会把第三方这个部分的东西 和我们的做到一套体系架构之中 对于你上层来说 更多的情况是调用相关的API函数去做相应的功能 所以 它对于你实际开发而言的难度应该不会产生太大的影响 那本身的第三方这块的话 我们可以看到 我们在不同的工业通信协议之中 我们都罗列出来有不同的这个Protocol1 Protocol2 Protocol3 这protocol之间的切换也是非常平滑的 所以目前来说 我们之前在一个展会上展出来的demo 就是在我们AM335的技术上 你可以实现动态的协议切换 为什么呢 因为PRU刚才我介绍过 它其实就是一个MCU的一个risk指令级的和 就像单旋机一样 你是可以去load不同的工业通信协议从而去实现不同的最终的通信接口的 那只要你的接口模式定义是一致的 那你就可以实现一个动态的切换了 只要我这个插到不同电机上 接收到不同的包头 对包头解析过后决定我去load什么样的协议去做解析 这一体系就能形成一个闭环 从而能够满足客户多种工业通信协议 共用平台的这样一个需求 这个对于开发的这个对开发来说还是有很大的节约 成本上的这个 开发成本上的优势的 然后PRU软件上的software这块的话基本上可以说 TI这边提供了相对来说比较完备的文档 大家可以在我们的官网上通过software的user guide 或者是一个叫getting started的guide 如果你是这个新生用户啊 就是建议大家仔细去按照getting started的guide去一步一步往下走 它会把你如何去一步一步把这个东西装好到去使用完成 都会有非常详尽的解释 如果你已经是这个中级玩家了 就是中间的中啊 就是初级玩家或者中级玩家 你已经对这个架构有所了解了 那你直接去跳入到我们对应的user guide和developed guide的就可以了 那里面会有关于API的解释 会有关于架构的解释 那TI的文档这边相对来说还是比较完善的 并且我们目前来说 投入比较多的精力在这个E2E China这个论坛上 如果大家在这个过程中遇到任何疑问 首先可以去翻看我们的这个相关的技术文指导文档 如果有任何问题也欢迎大家随时在E2E China的论坛上去做一些提问 而这张图给大家看的是目前 我们开放出来的有不同的通信协议的软件开发包 那大家可以看一下有没有你感兴趣的相关的工业通信总线协议 如果有的话 这个东西是可以直接download下来 直接运行 每个里面都会有相应的develop guide的 你按照develop guide去做一步一步的这个复线 你就是把整个这个协议抛转 那其中主站上面的话 你肯定会有一些第三方的软件 或者是free to use的东西 那这个东西都会在文档中一一详尽说明了 相信这个对大家评估来说还是很有帮助的 另外说一句 后面我们介绍芯片资源的时候 也会给大家介绍我们目前 可以做很多评测的开发版 大家可以定制化地去选择适用于自己的板卡信号 这个等一下我们会有详尽的介绍 这张的话就是TIdesign的比较重要的东西 TIdesign呢是TI这边开放出来的一个平台 这个平台上基本上都是针对于客户终端应用 我们去把你所需要这个用在应用solution领域内 去所需要的细节和软件都搜集出来的一个应用指南 那么这个TIdesign的话 基本上针对于 Profinet和EtherCAT 包括现在大家看到的各种BISS啊 sigma delta 还有这个Powerlink Sercos这些 我们都做了相应的非常详尽的解释 大家可以直接在这个上面去下载TIdesign的相关的资源 这个里面包含了我们相关的方案原理图 PCB 包括kdens的源文件 是直接可以拿过去做这个光汇(音译)做生产的 然后还包括了这里面的软件 软件的一些对应的使用指南 这个可以说是一个非常好的入手资源 能够帮助大家尽快地上手开发
课程介绍 共计6课时,1小时7分1秒

TI - 基于 AMIC 产品的工业通信总线设计方案

EtherCAT Sitara AMIC ProfiNET

随着工业通信的不断发展,各种通信协议百花齐放,各类驱动器控制器产品支持EtherCAT, ProfiNET的趋势也越发明显。本次直播通过对TI Sitara的工业通信方案及产品的介绍,通过实例演示让大家了解TI方案的实现原理及优势。
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主讲人简介
刘靖伟  TI处理器资深应用工程师
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