总能实现“尽力而为”通信的TSN，铺平走向工业4.0之路

关注工业应用的工程师大概会有这样的感觉吧——最近，媒体和工程师圈子经常会谈论一个曾经陌生的概念“时间敏感网络（TSN）”，各主要的工业半导体应用解决方案厂商也开始推相关解决方案。

没错！随着对工业物联网和工业4.0兴趣的不断增长，越来越多的设计师、工程师和最终用户开始关注时间敏感网络——在IEEE 802时间敏感性网络工作组（TSN TG）框架内开发的几个子标准的组合，其目标是将传统以太网与工业通信所需的实时功能相结合，从而使所有工业通信建立在一个统一基础上。

图1. TSN标准

借助TSN，业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本，成功地摆脱了过去的限制。因此，ISO七层模型中的标准化第2层现在已经可以向上兼容之前的以太网和硬实时功能。通过802.1AS-rev，TSN还定义了可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。由于通过TSN总能实现“尽力而为”的通信，所以在硬实时应用以及所有其它应用（网络服务器、SSH等）中，共用电缆成为可能。

图2. ISO/OSI参考模型

TSN的实际优势到底是什么？

最常见的答案是，它提供了市面上更低成本的网络接口，并且适用于更广泛的市场。毕竟，TSN也能用于未来的楼宇自动化和汽车行业中。事实上，预计嵌入式TSN解决方案的市场规模将大大超过所有工业以太网解决方案当前市场的总和。

TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同，TSN并不针对特定的传输速率进行定义。TSN可用于100 Mbps，也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps，它还更好地优化拓扑结构，因为现在可以针对各个不同的区段选择与之相适应的数据速率。无论是1 Gbps、100 Mbps还是10 Mbps，都使用统一的第2层——IEEE802.1/TSN。 统一的网络基础设施还有助于相关人员完成建立和维护网络的任务，因为通过TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的其它领域，如建筑、过程和工厂自动化以及能源分配等。

现有协议该怎么办？

在几乎所有与TSN相关的工作组中，都会反复出现一个主题： 如何同时保障向TSN的过渡和向现有安装系统统（如“棕地”应用）的供给？在各方面，强调的重点都是旨在让客户能够轻松顺利地过渡到TSN。但是，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。与之相反，任何人当前正在使用 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协议，在10年内他们还是能够使用这些协议运行网络，并获得支持和替换部件。

所有工业以太网组织都提供了模型，用来描述现有工厂如何 与基于TSN的新设备协同工作。现有工业网络的接口由网关 (Sercos)、带耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊硬件(PROFINET RT)的 接口组成。特别是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整协议作为第2层用于TSN。 这使得逐步过渡到TSN成为可能。

图4. 棕地：TSN网络与PROFINET和EtherCAT相结合

总之，TSN将在新装置中随处可见，并逐渐以岛或区段的形式导入至现有装置中。然而，伴随着TSN，工业以太网领域将涌现出新的协议，带有新传输协议PUB/SUB的OPC UA与TSN一起，已被视为传统协议的竞争对手。对于现场设备的制造商来说，这意味着它们不得不同时支持传统的工业以太网解决方案以及TSN和新协议。

如何实现支持未来工业标准的方案？

作为全球主要的高性能工业应用解决方案提供商之一，ADI公司很早就关注该领域的动态，并收购了工业以太网的领先企业Innovasic并成功完成整合。随着Innovasic的整合，该公司的fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议，并支持TSN。

利用fido5000，现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等）。借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。借助fido5000，可将TSN规划为现有系统的一个更新。fido5000系列仍在不断增强。ADI将提供面向1 Gb应用的新产品，但10 Mb/100 Mb的产品仍将继续提供，以满足客户的要求。借助fido5000系列提供的灵活性，能够可靠、高效地执行TSN移植。

为了能够在未来支持所有这些工业标准，业界需要用户专用 ASIC形式的特殊且灵活的硬件，这方面的一个范例是ADI公司精致的多协议芯片解决方案fido5000。TSN所需的硬件已集成到此以太网交换芯片中。一旦所有子标准都已完全明确，通过固件更新即可轻松调适此芯片。因此，它已为TSN做好准备。

图3. fido5000支持的TSN标准

利用fido5000，现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP 等）。借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。

fido5000是一款具有两个以太网端口的实时以太网、多协议 (REM) 交换芯片。从此，两个端口成为如今工业器件的标配，而未来的工业4.0应用必须支持各种常见的网络拓扑，如线状和环状拓扑以及星形拓扑。另外，它可以连接任何主机处理器，这让开发人员可以使用自己的处理器和他们首选的开发环境。图4显示了fido5000的所有这些可能性和功能。

图4. fido5000功能概览。

除了单芯片fido5000，ADI同时还提供基于fido5000电路板级完整解决方案的RapID平台。RapID平台实现了所有常见的工业以太网协议，可轻松集成到非以太网现场设备中。这使得现场设备能够满足工业4.0应用的要求。常见工业以太网协议的实现均已经过预先认证。RapID平台另一个有趣的功能是动态集成的Web服务器。通过此功能，它允许用户很方便得读取和修改网络参数，输入及输出数据。

图5 基于fido5000的RapID平台可用于评估套件中。

fido5000 REM交换芯片和RapID平台已经为基于当前工业以太网标准和未来TSN标准的时间关键型应用提供了最佳的前提条件。

TSN揭开工业应用新机遇

TSN使得为所有工业通信创建一个统一的基础成为可能。一旦引入TSN，工业应用中的ISO七层模型的第1、2、3层将统一。这有可能使可扩展性和性能达到全新的水平。基于此，上层通信是否也会标准化？是否有可能出现一个统一的OPC UA PUB/SUB？有可能。利用ADI 公司的fido5000系列，相信我们能够为应对所有场景做好准备。