【導讀】確定性通信在各種應用中至關重要，如自主機器人和其他工業 4.0 系統、5G 通信、汽車高級駕駛輔助系統 (ADAS) 以及實時流服務。IEEE 802 以太網標準（即時間敏感型網絡 (TSN)）已經擴展，以支持確定性通信。
確定性通信在各種應用中至關重要，如自主機器人和其他工業 4.0 系統、5G 通信、汽車高級駕駛輔助系統 (ADAS) 以及實時流服務。IEEE 802 以太網標準（即時間敏感型網絡 (TSN)）已經擴展，以支持確定性通信。如果實施得當，TSN 可以與非 TSN 設備互操作，但確定性通信僅可在啟用 TSN 的設備之間進行。在實施 TSN 時，有許多 IEEE 802 標準需要協調，并確保其提供確定性通信和互操作性，這使得從頭將 TSN 設計到網絡設備中變得復雜而耗時。
相反，網絡設備的設計人員可以使用具有內置 TSN 功能的微處理器單元 (MPU)，以加速產品上市并降低開發風險。本文回顧了 TSN 操作和實施的基礎知識，介紹了一些實施 TSN 的 IEEE 802.1 標準，考慮了 IEC/IEEE 60802 與 TSN 的關系，并將 TSN 與其他協議（如 EtherCAT、ProfiNet 和 EtherNet/IP）進行了比較。隨后，本文介紹了 Texas Instruments、NXP 和 Renesas 的具有 TSN 功能的 MPU，以及支持將確定性網絡集成到工業 4.0 設備的開發平臺。
在開發 TSN 之前，實時網絡只在專門的工業現場總線上可用。現場總線通常被稱為“工業以太網”。802.1 TSN 標準定義了第二層功能和局域網 (LAN) 級交換，并增加了時間和同步的概念。TSN 未取代第二層以上級別的協議，也未定義軟件接口或硬件配置和功能，使其與各種應用編程接口 (API) 兼容（圖 1）。
圖 1：TSN 標準定義第二層功能，可以與各種 API 共存。（圖片來源：Texas Instruments）
現有的 TSN 流量整形算法使實時流量與常規盡力而為流量在標準的以太網網絡中共存。對于時間關鍵型通信，可以保證確定性和低延遲。這可以支持工業和汽車環境中的安全相關系統的部署。一些關鍵的 IEEE 802.1 TSN 次級標準包括（表 1）：
IEEE 802.1 AS – 計時和同步
IEEE 802.1Qbv – 時間感知整形器
IEEE 802.3Qbr – 散布快速流量
IEEE 802.1Qbu – 幀搶占
IEEE 802.1Qca – 路徑控制和保留
IEEE 802.1CB –冗余
IEEE 802.1 Qcc – 為實現流保留的增強和改進
IEEE 802.1 Qch – 循環排隊和轉發
IEEE 802.1Qci – 每個數據流的過濾和控制
IEEE 802.1CM – 用于前傳的時間敏感型網絡
表 1：TSN 依賴諸多次級標準，以模塊化的方式提供確定性性能、冗余和其他功能。（圖片：Texas Instruments）
IEEE TSN 可以劃分為四類次級標準，這些是確保 TSN 運行所必需的。時間同步是確保整個網絡的時鐘同步的基礎。802.1AS（也稱 802.1ASrev）是與同步有關的主要次級標準。
另一組次級標準與有限的低延遲有關。支持有限的低延遲是實現數據傳輸確定性的必要條件，利用五個次級標準進行定義：802.1Qat（基于信用的整形器）、802.3Qbr（散布快速流量）、802.1Qbu（幀搶占）、802.1Qbv（時間感知整形器 (TAS)）、802.1Qav（循環排隊和轉發）以及 802.1Qcr（異步流量整形）。
需要有超強的可靠性來處理故障、錯誤，并提供冗余和相關功能。相關的次級標準包括：802.1CB（幀復制和消除）、802.1Qca（路徑控制和保留）、802.1qci（每個數據流的過濾和控制）以及 802.1AS 和 802.1AVB 的部分內容（TSN 和 IEEE 音頻橋接標準中計時和同步部分的時間同步可靠性）。
有一組與專用資源、API 和其他“經常要使用的”必要功能有關的一般次級標準，包括更高層次的規劃和配置以及異構網絡中的互操作性。這些一般次級標準的示例包括：802.1Qat（流保留協議）、P802.1Acc（TSN 配置）、與 YANG (Yet Another Next Generation) 數據建模語言的兼容性，以及 802.1Qdd（資源分配協議）。
TSN 的模塊化設計使其能夠針對特定的應用和用例進行優化。并非每次都需要每個功能。例如 802.1AS，定時和同步在 TSN 的所有工廠自動化用例中特別重要，而冗余可能只被自動化用例的一個子集所需要。
IEC/IEEE 60802 與 TSN 有什么關系？
在撰寫本報告時，IEC/IEEE 60802 草案 1.4《用于工業自動化的 TSN 配置文件》正在征求意見，預計將于 2023 年獲得批準。該 IEC SC65C/WG18 和 IEEE 802 項目將為工業自動化定義 TSN 配置文件。這項聯合工作將包括橋接器、終端站和局域網的配置文件選擇功能、選項、配置、默認值、協議以及程序，以建立工業自動化網絡。與現有的 IEEE 802 TSN 標準一樣，60802 將是靈活、模塊化的，適合諸多網絡場景。
IEC/IEEE 60802 將超越 IEEE 802 標準，它為工業自動化領域可互操作橋接時間型敏感網絡的用戶和供應商在選擇和使用 TSN 相關標準和功能時提供相關指導，以便有效地部署同時支持操作技術流量和其他流量的融合網絡。IEC/IEEE 60802《用于工業自動化的 TSN 配置文件》發布后可能會引起困惑，至少在發布之初，因為各種現場總線通常被稱為“工業以太網”。
TSN 和現場總線
TSN 和現場總線并非只能二選一。它們是兼容的，經常一起使用，都采用與時間同步有關的概念。然而，PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等現場總線以不同的方式實現同步。PROFINET 使用精確時間控制協議 (PTCP)。EtherCAT 使用分布式時鐘，采用專用和相關的寄存器進行同步。
PROFINET 和 EtherNet/IP 包括 IEEE 以太網學習橋作為基礎交換技術。因此，這些協議現在可以調整 TAS 和幀搶占的擴展，以使用標準的 TSN 硬件。EtherNet/IP 使用 UDP 數據包進行數據交換，與 TSN 交換層兼容。對于由可編程實時單元工業通信子系統 (PRU-ICSS) TSN 解決方案支持的數據，PROFINET 支持直接第二層緩沖模型。
TSN 設計支持至少與 EtherCAT 和 PROFINET 及其他工業以太網協議一樣短的周期時間。當升級到千兆位以太網時，TSN 預計會超過其他協議的性能。EtherCAT 中對確定性流量的支持僅限于特殊類型的數據包。EtherCAT 和 TSN 相結合可以提高靈活性。例如，圍繞同步，TSN 增加了多主控能力。這三種協議以不同的方式提供冗余。TSN 使用平行冗余協議 (PRP) 和 IEC 62439-3 中定義的高可用性無縫冗余 (HSR) 協議等技術實現零損耗冗余（表 2）。
表 2：EtherCAT、PROFINET 和 TSN 具有類似的功能，但實現的方式不同。（圖片來源：Texas Instruments）
TSN 不包括應用層，也不在應用層面上挑戰現場總線。例如，在機器層面仍使用 EtherCAT 的情況下，用交換機將機器互連，可以創建一個具有 TSN 功能的工業以太網網絡。TSN-EtherCAT 集成網絡不是將技術混合，而是定義了無縫集成：使用兩種技術并實現每種技術的最佳性能。
具有多達 6 個 TSN 端口的 MCU
對于需要 TSN 連接的工業 4.0 嵌入式設備，設計人員可以使用 Texas Instruments 的 AM652x Sitara 處理器，如 AM6528BACDXEA。這些 MCU 搭載兩個 Arm Cortex-A53 內核和一個雙 Cortex-R5F 以及三個可編程實時單元和工業通信子系統千兆 (PRU_ICSSG) 子系統，可用于提供多達六個工業以太網端口，包括 TSN、PROFINET、EtherCAT 和其他協議，或者可用于標準千兆以太網連接（圖 2）。
圖 2：AM652x Sitara 處理器包括六個端口，可用于 TSN 和其他工業以太網協議。（圖片來源：Texas Instruments）
除了由設備管理和安防控制 (DMSC) 子系統管理的粒度防火墻外，AM652x 系列 MCU 還包括安全啟動和加密加速的功能。此外，雙 Cortex-R5F MCU 子系統可作為兩個單獨的內核用于一般用途，也可將這些內核用于功能性安全應用的鎖步。
帶有 CC-Link IE TSN 棧的 MCU
NXP 的 i.MX RT1170 跨界 MCU，如 MIMXRT1176DVMAA，具有雙核架構：一個高性能的 Cortex-M7 內核（運行頻率高達 1 GHz）和一個高能效的 Cortex-M4 內核（運行頻率高達 400 MHz）。這種雙核架構有助于使應用程序并行運行，并在必要時關閉各內核以支持功耗優化。這些 MCU 提供一個完整的 CC-Link IE TSN 通信棧，進行了優化以支持實時操作，并提供 12ns 的中斷響應時間。
圖 3：NXP 的 i.MX RT1170 MCU 包括一個專門的 TSN 功能塊（黑色橢圓內）。（圖片來源：NXP）
為了加快機器學習 (ML) 應用、實時電機控制、面部識別等高級人機界面 (HMI) 以及其他工業 4.0 應用的開發，NXP 提供了 MIMXRT1170-EVK 評估套件（圖 4）。該評估套件建立在 6 層印刷電路板 (PCB) 上，采用通孔設計，具有更好的電磁兼容性 (EMC) 性能，設兩個以太網端口，用于開發 TSN 連接。
圖 4：NXP 的 MIMXRT1170-EVK 評估套件。（圖片來源：NXP）
用于 TSN 的 MCU 和入門套件
Renesas 的 RZ/N2L 系列 MCU（如 R9A07G084M04GBG#AC0），旨在簡化工業 4.0 應用中工業以太網和 TSN 的實施。它們通過一個支持 TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 和 OPC UA 的 3 端口千兆以太網交換機實現確定性通信。Renesas 還提供用于 RZ/N2L MCU 的 RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+。該入門套件包括適合工業應用的大量外設功能，并支持工業以太網和 TSN 的評估（圖 7）。該套件包括所有需要的硬件和軟件：
硬件
· 帶有 RZ/N2L MCU 和板載仿真器的 CPU 板
· 電源 USB 電纜（Type C 至 Type C）。
· 板載仿真器連接 USB 電纜（Type A 至 Type Micro B）。
· PC 終端調試 USB 電纜（Type A 至 Type Mini B）。
軟件
· 開發環境、示例代碼和應用說明可在網上獲得，其中還包括一個帶有外設驅動程序的軟件支持包和大量用于快速評估和原型設計的應用實例。
圖 5：RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ 包括必要的硬件和軟件以及應用實例，以支持確定性網絡的開發。（圖片來源：Renesas）
總結
TSN 已添加至 IEEE 802.1 以太網標準中，以支持確定性通信的開發。TSN 定義了第二層通信功能，并與更高層次的協議兼容，如 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等。它很快將在國際標準中體現，即 IEC/IEEE 60802《用于工業自動化的 TSN 配置文件》。供應商已經開始將 TSN 集成到 MCU 和相關開發平臺中，以幫助設計人員快速將確定性通信集成到新一代工業 4.0 設備中。
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