每種工業乙太網協定都有其獨特的歷史和不同的工業應用效益。本文將簡述以下三種主要協議及其優勢：Ethercat、Profinet和Multiprotocls 多協議方案。
工業乙太網
工業乙太網用於工廠自動化、樓宇自動化和許多其他工業應用。與標準乙太網相比，工業乙太網的主要優勢在於確定性的即時資料交換和小於1 ms的同步迴圈時間。
使用者不能使用標準乙太網介質存取控制（MAC）來實現大多數工業乙太網標準；相反，需要專用的應用特定型積體電路（ASIC）或現場可程式設計閘陣列（FPGA），因為乙太網幀作為“直通”接收，指在首個乙太網埠正在接收幀的同時，一個專用的工業乙太網MAC硬體模組已在處理該幀並將其傳輸到第二個乙太網埠。快速轉發的方式可實現乙太網幀小於1 µs的埠至埠延遲。
乙太網控制自動化技術
Beckhoff Automation發明的乙太網控制自動化技術（EtherCAT），自2003年以來一直在EtherCAT技術集團旗下公司發展壯大。在技術方面，EtherCAT是一種控制器和器件網路架構，如圖1所示。EtherCAT器件具有兩個乙太網連接器來支援簡單的線路拓撲。一個EtherCAT網路可支援多達65,535個EtherCAT器件。
圖1：具有EtherCAT幀流的控制器和器件示例
只有EtherCAT控制器會生成EtherCAT幀；所有器件都接收並處理該幀，最後一個器件回送EtherCAT幀，而EtherCAT幀則會通過所有節點（無需進一步處理）返至控制器。EtherCAT幀具有預留空間來處理每個節點的資料，並保持原幀長度。
EtherCAT器件需要特定的乙太網硬體（EtherCAT MAC）支援處理傳入的EtherCAT幀。典型的實現方式是使用ASIC或FPGA，如圖2所示。這意味著在執行幀接收時，EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節點在接收和發送的幀之間具有1 µs的埠到埠延遲。
圖2：帶有ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT器件
EtherCAT器件的關鍵特性和功能包括：
分散式時鐘——跨器件和控制器的精確時間同步方法。
快速鏈路斷開檢測（需要乙太網實體層[PHY]收發器支援）具有回執功能——當諸如DP83822或DP83826E之類的乙太網PHY檢測到鏈路斷開時，乙太網PHY會通知EtherCAT MAC，在不到10 µs的時間內，EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀。
當支援EtherCAT以及其他協定時，使用ASIC或FPGA會增加成本和電路板空間。另一種解決方案是使用Sitara™處理器中的可程式設計即時單元工業通信子系統（PRU-ICSS）外設，工程師可使用同一種晶片方案支援多種工業乙太網協定。
如何選擇正確的工業乙太網標準：EtherCAT
有關EtherCAT的更多資訊
過程現場網路
過程現場網路（Profinet）是用於工廠自動化的領先工業乙太網標準之一。Profinet有不同版本，但本文重點介紹Profinet輸入/輸出（I/O）。
Profinet在全雙工100 Mbps乙太網上運行，採用器件和控制器網路架構，如圖3所示。它由一個接管網路中的Profinet控制器組成，輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網路拓撲方面極其靈活，使用集線器和交換機器件，包括線路拓撲、環狀拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。
過程現場網路（Profinet）是用於工廠自動化的領先工業乙太網標準之一。Profinet有不同版本，但本文重點介紹Profinet輸入/輸出（I/O）。
Profinet在全雙工100 Mbps乙太網上運行，採用器件和控制器網路架構，如圖3所示。它由一個接管網路中的Profinet控制器組成，輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網路拓撲方面極其靈活，使用集線器和交換機器件，包括線路拓撲、環狀拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。
圖3：自動化系統中的過程現場網路（來源：Profibus International)
多年來，Profinet標準已基於市場需求不斷發展為A、B和C等各種性能等級。每個性能等級都比下述等級增加了更多功能，這種方法使Profinet與先前的Profinet器件代級向後相容。
讓我們回顧一下每個性能等級的主要功能。
符合等級（CC）A（CC-A）：
即時乙太網通信。
迴圈輸入/輸出。
參數配置。
警報。
大多數情況下，此性能等級在標準乙太網MAC上可以實現，甚至無需兩個乙太網埠，一個MAC就已足夠。
CC-B與CC-A的功能相同，此外：
網路診斷。
拓撲檢測。
系統冗餘。
此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms範圍內執行迴圈時間。
CC-C與CC-B和CC-A的功能相同，此外：
為特定Profinet幀保留的頻寬，也稱為等時同步即時（IRT）。
控制器和器件的時間同步。
儘管大多數應用的迴圈時間為250 µs或以下，但此版本的Profinet輸入/輸出支援的迴圈時間低至31.25 µs，RT版本需要專用的兩埠工業乙太網MAC。
有關Profinet IRT的詳細資訊，請閱讀本技術文章。
如何選擇正確的工業乙太網標準：Profinet
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多協議
由於提供的工業協定數量眾多，產品製造商尚未定義通用的工業乙太網標準，呈碎片化。許多領先的製造商已定義一種特定的工業乙太網標準來滿足他們的需求，這些標準通常是從他們現有的基於串列的現場匯流排之一衍生出來的。
由於提供的工業協定數量眾多，產品製造商尚未定義通用的工業乙太網標準，呈碎片化。許多領先的製造商已定義一種特定的工業乙太網標準來滿足他們的需求，這些標準通常是從他們現有的基於串列的現場匯流排之一衍生出來的。
為產品添加工業乙太網標準，並認證通信介面具有挑戰性。大多數製造商需要支援多種工業乙太網協定，以使用不同的標準將其設備出售給客戶。為產品添加多種乙太網標準的一種方法是為每個工業乙太網標準創建單獨的印刷電路板（PCB）模組，將其中一個模組插入主機板。但是切換式通訊協定需要更改硬體，會使產品材料清單（BOM）更為複雜且需要生成多個PCB模組和多晶片源解決方案。
為解決這一問題，設計人員可使用諸如Sitara™ Arm®處理器之類的產品，這些應用處理器具有集成的PRU-ICSS，可運行多協定工業乙太網。回顧本解決方案的主要區別和優勢，可通過演示視頻瞭解更多有關多協定支援的資訊並獲取軟體。
PRU在器件運行時載入工業乙太網協定固件。有PRU-ICSS協議固件版本可用於EtherCAT、Profinet、乙太網/IP、高可用性無縫冗餘-並行冗餘協議（HSR-PRP）；Sitara處理器在處理器SDK中內設工業乙太的網（CC-Link IE）Field basic的控制和通信鏈路，無需任何FPGA或ASIC。
協議固件執行諸如快速轉發處理等即時關鍵任務。
PRU-ICSS以及可擴展且功能強大的Arm內核（Cortex®-A8，A9，A15或A53，取決於Sitara處理器）可為工廠自動化產品構建單晶片解決方案，然後通過靈活交換PRU-ICSS固件在多個工業乙太網標準中運行。除這些優勢以及處理即時關鍵工業乙太網處理任務的能力之外，PRU-ICSS還具有：
消除了對外部ASIC和FPGA的需求。
減少BOM和PCB空間，並因此降低成本。
通過內部高速記憶體匯流排界面實現Arm處理器之間的快速輸入/輸出資料交換。
閱讀本文獲取有關多協定的更多資訊。
如上所述，無論使用EtherCAT、Profinet還是多協定，每一種協定在工業應用中都有其獨特優勢。可在白皮書為感測器選擇正確的工業通信標準中瞭解有關選擇正確的工業通信標準的更多資訊。
其他資源
閱讀這些技術文章：
“如何選擇正確的工業乙太網標準：Ethernet Powerlink。”
“如何選擇正確的工業乙太網標準：Sercos III。”
查看應用報告“Sitara處理器支援的工業通信協定。”
