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JE Cho
Other Parts Discussed in Post: AM6442, AM2434

센서, 액추에이터, 드라이브, PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 등 공장 자동화 장비는 하드웨어 플랫폼에 다른 소프트웨어 이미지를 로드하여 교체할 수 있는 EtherCAT, Profinet, EtherNet 산업용 프로토콜(EtherNet/IP), Sercos와 같은 산업용 이더넷 프로토콜을 지원한다.

다중 프로토콜 산업용 이더넷 시스템은 단일 PCB(인쇄 회로 기판)만 제작하면 되기 때문에 BOM(재료 사양서)을 줄여 하드웨어 개발 주기에서 제조 원가를 절감하고 출시 소요 시간을 단축해 준다. 제조업체는 다양한 산업용 이더넷 프로토콜을 사용하여 공장 자동화를 위한 디지털 입력 모듈 또는 서보 드라이브와 같은 필드 장치를 제공할 수 있다.

TI의 PRU-ICSS(프로그래머블 실시간 유닛 산업용 통신 서브시스템)와 같은 아키텍처는 특히 새로운 TSN(시간에 민감한 네트워킹) 프로토콜을 통해 필드 장치에 1,000Mbps의 산업용 이더넷 속도를 지원할 수 있다.

산업용 이더넷 시스템 아키텍처

그림 1은 PLC 및 기타 필드 장치와 프로세스 데이터를 교환하는 산업용 이더넷 필드 장치 내의 주요 구성 요소를 보여준다. 두 개의 이더넷 포트는 라인 또는 링 이더넷 토폴로지를 지원하므로 이더넷 케이블이 이더넷 스위치 없이 PLC를 필드 장치 라인에 연결할 수 있다.

그림 1: 산업용 이더넷 필드 장치 시스템 블록 다이어그램

RJ45 커넥터에서 MDI(매체 종속 인터페이스)는 이더넷 프레임이 이더넷 물리 계층(PHY) 트랜시버로 들어가기 전에 다른 장치에 절연 장벽을 제공하는 마그네틱에 연결된다.

PHY는 이더넷 프레임을 아날로그에서 디지털(리시버)로, 디지털에서 아날로그(트랜스미터)로 변환하고 매체 독립 인터페이스(MII), 축소 기가비트 매체 독립 인터페이스(RGMII) 또는 직렬 기가비트 매체 독립 인터페이스(SGMII)를 통해 디지털 비트 스트림을 출력한다.

PHY는 산업용 이더넷에서 MAC(미디어 액세스 컨트롤러) 못지않게 중요한 역할을 한다. MDI에 따라 PHY는 서로 다른 쌍의 구리 미디어를 지원해야 합니다(T1 싱글 페어 이더넷의 경우 1쌍, 100Mbps 이더넷의 경우 2쌍, 1,000Mbps 이더넷의 경우 4쌍). 일부 산업용 이더넷 네트워크는 까다로운 산업 환경에서 전자파 적합성(EMC) 및 전자파 간섭 장애에 대해 더 탄력적인 광섬유도 지원한다.

그런 다음, 이더넷 바이트의 MII 스트림이 MAC로 들어갑니다. MAC는 산업용 이더넷 프로토콜을 담당하며 멀티프로토콜 산업용 이더넷 지원을 위한 중요한 기능 블록이다.

각 산업용 이더넷 프로토콜은 프로세스 데이터를 추출하고 삽입할 때 산업용 이더넷 프레임을 처리하는 고유한 방법을 가지고 있기 때문에 각 프로토콜마다 MAC 처리 방법을 변경해야 한다. MAC와 같은 애플리케이션별 집적 회로 솔루션은 일반적으로 단일 프로토콜에 고정되어 있으며 다중 프로토콜 기능이 없다. 다중 프로토콜을 지원하는 MAC는 즉시 사용, 컷스루, 프레임 선점, 저장 및 전송과 같은 다양한 이더넷 프레임 처리 방법을 지원해야 한다.

MAC는 PLC의 프로세스 데이터를 인터페이스를 통해 중앙 처리 장치(CPU)에서 사용할 수 있도록 한다. MAC가 물리적으로 분리된 장치인 경우 이 인터페이스는 느립니다(직렬 주변 장치 인터페이스[SPI] 또는 I2C 또는 메모리 매핑된 외부 버스). MAC와 CPU가 통합된 경우 공유 고속 메모리가 인터페이스를 처리하고 MAC와 CPU 간에 프로세스 데이터를 동기화한다.

CPU는 다양한 작업을 수행한다. 각 산업용 이더넷 프로토콜에는 프로세스 데이터를 교환하기 위해 MAC와 상호 작용하는 소프트웨어 스택이 필요합니다. 필드 장치는 이 프로세스 데이터를 사용하여 디지털 입력 및 출력을 제어하거나 서보 드라이브의 속도 및 회전을 제어한다.

시스템에 여러 CPU가 포함된 경우, 산업용 이더넷 스택은 자체 CPU에서 실행되고 산업용 애플리케이션은 다른 CPU에서 작동하도록 워크로드를 분할하는 것이 일반적이다.

CPU 코어에서 Linux 또는 실시간 Linux와 같은 상위 수준 OS(HLOS) 또는 Free-RTOS 또는 no-OS와 같은 실시간 OS(RTOS) 등 다양한 종류의 운영 체제(OS)를 실행할 수 있다.

다중 프로토콜 산업용 이더넷을 위한 TI Sitara 제품군 솔루션 및 TI 이더넷 PHY

Sitara 프로세서 제품군은 통합 PRU-ICSS 주변 장치로 프로그래밍 가능한 MAC를 지원한다. PRU는 산업용 이더넷 프로토콜 중 하나의 펌웨어를 사용하여 런타임에 로드된다. 그림 2에서 볼 수 있는 Sitara AM6442, AM2434 및 AM2434는 TSN과 같은 1,000Mbps 프로토콜을 지원합니다. PRU-ICSS는 표준 이더넷 MAC 및 2포트 이더넷 스위치로도 작동한다.

그림 2: 다중 프로토콜 산업용 이더넷 지원을 위한 PRU-ICSS가 포함된 Sitara AM6442 프로세서 솔루션

PRU-ICSS의 여러 인스턴스를 지원하는 Sitara 프로세서 제품군은 위치 인코더(EnDAT 2.2, HIPERFACE 디지털 서보 링크[DSL], 양방향 직렬 동기[BiSS]), 펄스 폭 변조(PWM), 외부 절연 아날로그-디지털 컨버터용 시그마-델타 데시메이션 필터와 같은 산업용 주변 장치를 사용할 수 있다. 서보 드라이브는 이러한 주변 장치를 사용한다.

또한 Sitara 프로세서는 ADC, SPI, I2C 및 범용 메모리 컨트롤러를 비롯하여 산업용 애플리케이션에서 사용되는 다양한 기능을 통합한다. 또한 시스템 온 칩에는 내부 공유 메모리가 있어 MAC와 CPU 간에 프로세스 데이터를 교환할 수 있다.

그림 3에서 볼 수 있듯이 Sitara 프로세서 제품군에는 HLOS를 위한 여러 Arm® Cortex®-A53 코어, RTOS 또는 베어 메탈 애플리케이션을 위한 Arm Cortex-R5F 코어, 산업용 이더넷 MAC를 위한 PRU-ICSS가 있다.

그림 3: RTOS, HLOS 및 펌웨어를 사용한 멀티코어 프로세싱

프로그래머블 MAC 접근 방식의 통합은 단일 칩의 애플리케이션 프로세서와 함께 다중 프로토콜 산업용 이더넷에 필요한 다양한 프레임 처리 방법을 지원한다. 고속 내부 메모리 인터페이스를 통해 프로세서와 MAC 간의 빠른 프로세스 데이터 교환이 가능하며, 확장 가능한 프로세서 코어를 제공한다.

TI는 DP83867 또는 DP83869 이더넷 PHY 트랜시버를 사용하는 이더넷 PHY 솔루션이 포함된 Sitara 프로세서 제품군용 평가 모듈(EVM)을 제공한다.

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