感測器、致動器、驅動器和可編程邏輯控制器 (PLC) 等工廠自動化設備支援 EtherCAT、Profinet、EtherNet 工業協定 (EtherNet/IP) 和 Sercos 等工業乙太網路協定，並可透過將不同軟體影像載入硬體平台以進行交換。
多協定工業乙太網路系統可降低硬體開發週期的製造成本，只需製造單一印刷電路板即可縮減物料清單成本，進而加快上市時間。製造商可提供數位輸入模組或伺服驅動器等現場裝置，使用各種工業乙太網路協定進行工廠自動化。
TI 可編程即時單元工業通訊子系統 (PRU-ICSS) 等架構可為現場裝置支援 1,000 Mbps 工業乙太網路速度，特別是透過全新時效性網路 (TSN) 協定。
工業乙太網路系統架構
圖 1 顯示工業乙太網路現場裝置中的主要元件，可在 PLC 與其他現場裝置間交換處理資料。兩個乙太網路連接埠支援線狀或環狀網路拓撲結構，意即乙太網路線可在沒有乙太網路交換器的情況下，將 PLC 連接至一系列現場裝置。
圖 1：工業乙太網路現場裝置系統方塊圖
媒體相依介面 (MDI) 會自 RJ45 連接器連接至磁性元件，在乙太網路訊框進入乙太網路實體層 (PHY) 接收器前，提供與其他裝置間的隔離層。
PHY 會將乙太網路訊框從類比轉為數位 (接收器) 和從數位轉為類比 (發送器)，並透過媒體獨立介面 (MII)、減少 Gigabit 媒體獨立介面 (RGMII) 或序列 Gigabit 媒體獨立介面 (SGMII) 輸出數位位元流。
PHY 在工業乙太網路中扮演重要角色，與媒體存取控制 (MAC) 同等重要。視 MDI 而定，PHY 必須以不同對 (T1 單對乙太網路為一對，100-Mbps 乙太網路為兩對，1,000-Mbps 乙太網路為四對) 支援銅製媒體。部分工業乙太網路也支援光纖，光纖在嚴峻工業環境下對電磁相容性 (EMC) 和電磁干擾的耐受能力較高。
接著乙太網路位元組的 MII 串流會進入 MAC。MAC 負責工業乙太網路協定，是多協定工業乙太網路支援的重要功能區塊。
由於在擷取和插入處理資料時，各種工業乙太網路協定都有其處理工業乙太網路訊框的獨特方式，因此必須針對各種協定變更 MAC 處理方法。MAC 等特定應用積體電路解決方案通常固定為單一協定，而沒有多協定功能。支援多協定的 MAC 必須支援各種乙太網路訊框處理方法，例如即時、直通、訊框搶先及儲存轉發。
MAC 透過介面讓中央處理單元 (CPU) 得以使用 PLC 的處理資料。若 MAC 為實體隔離裝置，此介面會很緩慢 (序列周邊介面 (SPI) 或 I2C，或記憶體對應外部匯流排)。若整合 MAC 和 CPU，共用高速記憶體會處理介面，並同步 MAC 和 CPU 間的處理資料。
CPU 會執行各種任務。每種工業乙太網路協定都需與 MAC 互動的軟體堆疊，以進行處理資料交換。現場裝置使用此處理資料控制數位輸入和輸出，或控制伺服驅動器的速度與旋轉。
若系統包含多個 CPU，常見作法是將工作負載分開，讓工業乙太網路堆疊在其 CPU 上執行，工業應用則在另一個 CPU 上執行。
您可在 CPU 核心上執行不同作業系統 (OS)，像是 Linux 或即時 Linux 等高階 OS (HLOS)，或是無 RTOS 或無 OS 等即時 OS (RTOS)。
適用多協定工業乙太網路的 TI Sitara 系列解決方案和 TI 乙太網路 PHY
Sitara 處理器系列支援可編程 MAC 及其整合式 PRU-ICSS 週邊設備。PRU 會透過其中一個工業乙太網路協定的韌體，在運作時間載入。如圖 2 中的 Sitara AM6442，AM2434 和 AM2434 可支援 1,000-Mbps 協定，例如 TSN。PRU-ICSS 也可以標準乙太網路 MAC 和雙埠乙太網路交換器的方式運作。
圖 2：適用多協定工業乙太網路支援且具 PRU-ICSS 的 Sitara AM6442 處理器解決方案
Sitara 處理器系列支援 PRU-ICSS 多重執行個體，此功能可讓位置編碼器 (EnDAT 2.2、HIPERFACE 數位伺服連結 [DSL]、雙向序列同步 [BiSS])、脈衝寬度調變 (PWM) 和 ΣΔ 降頻濾波器等工業週邊設備可成為外部隔離式類比轉數位轉換器。伺服驅動器使用這類週邊設備。
Sitara 處理器也整合工業應用採用的各種功能，包含 ADC、SPI、I2C 和通用記憶體控制器。系統單晶片也具備內部共用記憶體，可在 MAC 與 CPU 間交換處理資料。
如圖 3 所示，Sitara 處理器系列可為 HLOS 提供多個 Arm® Cortex®-A53 核心、為 RTOS 或裸機應用提供 Arm Cortex-R5F 核心，並為工業乙太網路 MAC 提供 PRU-ICSS。
圖 3：以 RTOS、HLOS 和韌體進行多核心處理
整合可編程 MAC 方法搭配單一晶片上的應用處理器，可支援多協定工業乙太網路所需的不同訊框處理方法。透過高速內部記憶體介面，可在處理器和 MAC 間進行快速處理資料交換，且此系列提供可擴充處理器核心。
TI 透過乙太網路 PHY 解決方案，使用 DP83867 或 DP83869 乙太網路 PHY 接收器，提供 Sitara 處理器系列評估模組 (EVM)。
其他資源
- 進一步了解 AM64x 和 AM24x 軟體開發套件 (SDK) 中 100 Mbps 和 1,000 Mbps 乙太網路的工業協定。
- 進一步了解 Sitara 處理器的 PRU-ICSS 工業軟體和可用整合式工業協定。
- 深入閱讀 TI 工業通訊學院
- 了解 Sitara AM64x EVM。
- 訂購 AM243x Arm 架構 MCU 通用 LaunchPad 開發套件。