對于工廠自動化和流程自動化來說，基于以太網的工業通信不再是一個遙不可及、難以實現的愿景。

但由于成本、復雜性和可擴展性的挑戰，串行接口仍是有線通信的標準，鑒于 IO-Link 和 RS-485 的成本效益和可靠性，這也是可以理解的。設計和軟件工程師們也熟悉這些標準。            

然而，新的嵌入式處理器技術通過集成對 MAC、以及 EtherCat 和 Profinet 等各種工業以太網協議的支持，幫助加快向以太網的轉變。我們的處理器團隊采訪了多位德州儀器專家，了解他們針對工業通信設計挑戰的深入見解，以及嵌入式處理器在以太網普及過程中發揮的作用。

要滿足現代制造流程對提升效率和靈活性的需求，就需要通信協議能夠處理互聯式系統快速增加的帶寬。隨著更多的傳感器以及邊緣人工智能 (AI) 等更高級別的處理功能的使用，這些環境中的系統需要可靠、快速地傳輸越來越多的數據。

這是以太網非常有優勢的領域，它提供了一種低延遲傳輸數據的機制，尤其適用于時間敏感型網絡連接和 EtherCAT、Profinet 等協議。

Profinet 是一種實時以太網標準，面向各種工業應用 （包括工廠自動化、過程自動化和樓宇自動化）所需的高速、確定性通信。Profinet 最初在西門子主導下作為常用的 PROFIBUS 現場總線技術的網絡擴展而開發，現在得到了 PROFIBUS & Profinet International 的支持。2003 年，Profinet 被整合到 IEC 61158 和 IEC 61784 標準中。其架構由 30 個工作組開發而成，這些工作組的成員來自 70 多家不同的公司。采用以太網來支持工業應用，因而可使用 TCP/IP 和 XML 之類已熟悉的技術在公司 IT 部門與工廠車間搭起技術橋梁。

雖然標準以太網能夠為IT類公司提供出色的解決方案，但用于工廠自動化時卻存在很多不足。例如，對于工廠自動化中常見的少量數據交換，標準以太網并不能滿足要求，而缺乏確定性也說明它不支持電機驅動控制和其他工業實時應用所需的實時運作。Profinet是應對這些挑戰而使以太網用于實時工業應用的典范。

Profinet 基于主站/從站通信理念。主站（IO 控制器）可在網絡中的所有設備之間發送和接收數據幀。從站（IO 設備）可將幀發送到 IO 控制器，但向其他 IO 設備發送數據只可采用非循環方式。Profinet的系統模型非常類似于PROFIBUS 現場總線系統。過程數據作為實時數據在控制器和從站之間循環交換。它提供了一種實時接口，用于在Ethertype為0x8892的第2層上直接發生循環 I/O 數據交換。實時數據不會使用標準 TCP/IP 協議棧進行傳輸，這降低了控制器與從站之間的循環數據傳輸延遲。為了在網絡組件中進行優化處理，會對循環數據采用高優先級的 VLAN 標記。    

當前實現Profinet通常采用下圖中所示的兩種架構之一。

許多 Profinet 設備都是使用分離式架構，在 FPGA 或 ASIC 上實現了一個 Profinet 交換機，且添加了一個外部處理器（通常配備片上閃存），從而提升進行應用級處理所需的處理能力。傳感器應用就是這種節點的典型示例。處理器操作傳感器、實現設備驅動程序并運行 Profinet 協議棧。這種架構允許設計人員選擇適合自己需求和成本目標的處理器，但采用這種架構的 Profinet 設備更昂貴，因為它需要兩個獨立芯片，并且主機處理器和 ASIC 之間的接口會成為性能瓶頸。

FPGA 很靈活，但根據選擇的 CPU，會導致難以滿足成本或工作頻率目標的風險。          

如今也有著越來越多的處理器集成Profinet技術，與采用處理器的集成式Profinet 交換機而言，成本更低。

TI 已經將 Profinet 功能集成到 Sitara 處理器中。Arm 內核和各種用于完善 Profinet 的外設及接口相結合，使得 Sitara 處理器成為工業自動化設備的不二選擇。減輕應用處理器的負載，Sitara處理器配備了TI的可編程實時單元工業通信子系統 (PRUICSS)，該子系統將支持與MII接口進行底層交互。PRU-ICSS可以輕松地實現專用通信協議，如Profinet。

與在Sitara AM335x上集成的Profinet解決方案一樣，整個Profinet交換機可通過固件封裝在 PRU-ICSS 中，使Arm內核能夠自由地進行協議棧和應用處理。分析消費者協議機(CPM)幀以及生成提供者協議機(PPM)幀的任務均由PRU全權處理。          

任何不適用于Profinet節點的幀都會切換至下一個節點，此切換過程由 Sitara 處理器（TI 在其中集成了 Profinet 協議）上Profinet PRU固件中包含的交換機來執行。這種實現方式允許對比較簡單和成本受限的應用（如分布式 I/O）使用速度較低的 Arm 內核版本。

與運行 Profinet 協議棧（第 7 層）的 Arm 內核之間以及與工業應用之間需要進行的通信采用中斷方式完成。PRU-ICSS還會以反方向執行幀轉發。以太網 PHY設備（如 TLK110或TI提供的 DP83822 用于完善 TI 的 Sitara Profinet 解決方案。TLK110 經過優化，實現了 MII 接口與 PHY 接口之間的低延遲，這是一種重要的性能屬性。DP83822可通過 MII、RMII 或 RGMII 接口靈活地連接到 MAC上。此外，TLK110和DP83822還具有高級電纜診斷功能，可快速定位電纜故障。

TI 在 Sitara 處理器上提供全面集成的 Profinet 從站功能。Profinet與功能強大的低功耗 Arm 內核集成，可在不影響功能或性能要求的情況下打造出成本更低的終端產品。TI還針對工業通信接口（如 EtherCAT、 EtherNet/IP、PROFIBUS等等）提供具有內置隔離功能的收發器。

“我們正處于邁向工業 4.0 的轉型之旅中，越來越多的工廠采用以太網來滿足現代系統的高帶寬需求，并更多地利用數據驅動型決策能力。”德州儀器工廠自動化和控制總經理 Alex Weiler 表示，“以太網增強了工廠和流程自動化的實時能力，使下一代制造業能夠更多地結合機器學習、預測性分析和自主機器人功能。”          

在工業通信設計中，嵌入式處理器可確保系統之間的可靠通信。在基于以太網的網絡中，它們仍將扮演同樣的角色，但也有潛力發揮更大的作用 – 尤其是在預測性維護和系統監控方面。   

德州儀器處理器部門的副總裁 Roland Sperlich 表示：“在向基于以太網的通信過渡的過程中，嵌入式處理器（從微控制器到微處理器）發揮著關鍵作用，有助于管理互聯系統之間日益增加的數據量，并確保跨網絡協議的互操作性。類似德州儀器 AM2432 微控制器 這樣的器件可提供更強的處理能力和集成組件，以及易于使用的開源軟件，有助于提升工業系統中實時控制和通信發揮的潛力。”

雖然嵌入式處理器在工業通信設計中的作用從未改變，但將現代器件與適當的軟件配合使用，可以優化基于以太網的設計。

“隨著如今的嵌入式處理器計算性能不斷提高，工程師可以通過復雜的軟件，針對基于以太網的協議加強實時控制。”Weiler 表示。          

工廠內外，以太網連接設備組成的生態系統日益擴大，這些設備之間的連接性得到增強，可繼續提升效率并優化整個供應鏈。能夠支持日益增加的傳感器捕獲的更多數據，并增強處理能力，也意味著能夠在制造過程中實現更高的靈活性，還能通過邊緣 AI 功能在網絡邊緣支持更多的智能和決策。

德州儀器高級技術人員 Pekka Varis 表示：“在工廠中廣泛采用以太網的旅程始于更高帶寬、實時通信，現在正將包括 AI 處理。隨著半導體技術的進步，更多數據能夠在互聯應用之間傳輸，可在傳感器主動收集數據的網絡邊緣做出更多決策，這將降低延遲，并最終實現更高效、更安全的運行。”  

與TI相反，ADI更加推崇分離式方案。

比如，ADIN2299 是一款多協議工業以太網平臺，旨在滿足各種工業應用的連接需求。該平臺包含一個通信控制器、一個雙端口 10/100 Mbps 以太網交換機、存儲器、物理層 (PHY) 和協議棧。ADIN2299 硬件與其軟件和預認證的工業協議相結合，可縮短系統集成時間，并加快產品上市速度。支持的協議包括 Profinet、EtherCat、EtherNet/IP 和 Modbus TCP。

ADIN2299 不僅提供協議棧，還提供實時操作系統 (RTOS)、文件系統、驅動程序和傳輸控制協議 (TCP)/互聯網協議 (IP)，從而縮短設計和調試時間。應用處理器可以通過通用異步收發器 (UART)、串行外設接口 (SPI) 或以太網接口連接到該平臺。ADIN2299 軟件使應用處理器能夠連接到統一接口，從而無需對應用處理器軟件進行任何更改即可使用各種工業協議。這消除了與集成其他協議相關的學習曲線。客戶現在可以利用單一現場設備硬件設計來支持多種工業協議。          

ADIN2299 的另一個關鍵要素是網絡安全。ADIN2299 具有安全啟動和安全更新功能，可確保僅執行經過驗證的代碼，從而減少網絡攻擊可能造成的現場中斷。ADIN2299 還提供嵌入式設計，以滿足空間受限和外形尺寸獨特的應用需求。為了最大限度地減少嵌入式設計工作量，我們提供原理圖、布局示例、物料清單、固件和設計文件。   

NXP 的 i.MX RT1180 跨界 MCU 支持多協議工業物聯網通信，可同時支持實時以太網和工業 4.0 系統。

據恩智浦2023年表示， i.MX RT1180 跨界 MCU是業界首款集成千兆位時間敏感網絡 (TSN) 交換機的跨界 MCU，可同時支持時間敏感通信和工業實時通信，并支持多種通信協議，從而彌合現有工業系統與工業 4.0 系統之間的差距。它也是首款集成 EdgeLock 安全區域的跨界 MCU ，這是一個預配置、自管理且自主的片上安全子系統，可降低為工業物聯網應用實施強大的全系統安全智能的復雜性。          

工業環境正邁向工業 4.0，這帶來了復雜的網絡協議組合。這使得在時間敏感型通信和實時通信之間實現無縫工業連接變得困難。i.MX RT1180 提供了實現這一目標所需的多協議連接，從而在工廠的各個邊緣構建統一且安全的工業物聯網通信環境。集成的 EdgeLock 安全區域滿足了這些復雜聯網系統中對信任根的需求，包括安全啟動、經過身份驗證的調試、設備生命周期的安全管理、高級密鑰管理和篡改監控。

i.MX RT1180 的封裝選項從 10x10mm BGA 起，是目前尺寸最小的實時工業網絡設備之一，使其能夠更輕松地將 TSN 和工業網絡功能集成到更廣泛的工業用例中，包括 I/O 管理、電機控制、緊湊型運動控制或網關應用。除了用作集成解決方案外，i.MX RT1180 還可以用作網絡配套芯片，通過可擴展的連接方式為主機處理器提供所有必需的工業網絡連接，甚至可以實現無需板載 PHY 即可與主機進行千兆位級無縫直接通信，從而進一步降低功耗和成本。i.MX RT1180 也適用于汽車連接應用，這類應用越來越依賴以太網 TSN 支持高帶寬和實時控制數據。這使得 i.MX RT1180 可以充當不同汽車 ECU 之間的智能交換機。

恩智浦半導體工業邊緣處理副總裁兼總經理 Jeff Steinheider表示，“工業和汽車客戶正在尋求提供日益先進的網絡功能，他們需要一種不僅提供處理能力，還能管理時間敏感型網絡流量的解決方案。i.MX RT1180 是一款集成交換機和 EdgeLock 安全區域的一體化解決方案，可滿足汽車和工業物聯網應用的需求，同時處理時間敏感型流量和盡力而為型流量，從而實現具有先進實時通信功能的安全自動化系統。”          

隨著Profinet的火熱，很多公司也陸續宣布推出了針對Profinet的新產品和方案。

• 瑞薩面向RZ/T和RZ/N系列微處理器推出經認證的Profinet-IRT和PROFIdrive軟件協議棧

瑞薩電子宣布面向其RZ/T和RZ/N系列工業網絡系統微處理器（MPU）推出經認證的Profinet IRT和PROFIdrive軟件協議棧。初始軟件版本適用于專為伺服電機控制應用設計的RZ/T2M MPU，同時適用于面向工業物聯網網關應用（如遠程IO或工業以太網設備）的RZ/N2L。使用搭載該軟件協議棧的瑞薩產品，可以簡化客戶設備的認證過程。

該全新軟件協議棧是瑞薩首款經認證的支持Profinet IRT（等時實時）和PROFIdrive的Profinet軟件解決方案。Profinet作為自動化系統的主流工業以太網協議，可促進工業自動化設備的高速通信；其最高性能等級——Profinet IRT，可確保數據傳輸的精確性和時效性，是伺服驅動器和運動控制系統等實時應用的理想選擇，因此特別適合制造、機器人技術，和過程控制等需要實時操作的領域。

Mohamed Dogar, Vice President of Embedded Processing Business Acceleration at Renesas表示：“我們很高興為RZ/T和RZ/N系列MPU擴展工業以太網系統提供全面支持。我們預期，隨著我們先進網絡協議棧集成的推出，將進一步加速RZ/T和RZ/N MPU系列在市場上取得卓越的成就。同時，Profinet作為市場領先的工業網絡協議，我們非常高興能在瑞薩的產品上集成西門子的Profinet IRT設備開發工具包，為用戶帶來更優質的產品體驗。”   

Efrossini Tsouchnika, Vice President Control at Siemens Digital Industries表示：“與瑞薩的合作取得了令人振奮的成果——通過采用西門子Profinet設備開發套件，瑞薩成功推出了首款獲得認證的Profinet IRT解決方案。工業領域客戶現在可以享受到瑞薩在Profinet生態系統中提供的無縫集成選項。得益于瑞薩對Profinet技術未來迭代持續且堅定的投資，我們期待雙方的合作繼續深化。”

瑞薩經認證的Profinet IRT軟件協議棧的實施涵蓋工業設備通信所需的所有關鍵功能，包括Profinet RT（實時）通信。該軟件支持與Profinet IO控制器的循環數據交換，并能處理診斷、過程和狀態警報，以及插拔警報。它可通過Profinet和設備應用程序分配IP地址及設備名稱，此外還包括快速啟動功能、共享設備支持、介質冗余（MRP）和系統冗余（S2）。

PROFIdrive可實現變頻驅動器、伺服電機和其它運動控制設備在自動化系統中的無縫集成，確保高效通信和操作。PROFIdrive對設備之間的數據交換進行標準化，提供速度、扭矩和位置等關鍵參數，這對于精確控制驅動器至關重要。它同時支持通過Profinet IRT的實時通信和常規以太網通信，可靈活應用于各種工業應用。

• 瑞薩RZ/T和RZ/N MPU上的PROFIdrive配置文件

瑞薩為應用類別4實施了經認證的PROFIdrive應用示例，包括具有速度設定點接口的驅動器對象實施。其支持通過標準報文1、2和3進行循環數據交換，以及通過PROFIdrive參數通道進行非循環數據交換。此外，該應用示例還具備PROFIdrive診斷功能和PROFIdrive通用狀態機。它包含PROFIdrive編碼器通道及其相應的編碼器狀態機，并提供驅動器控制系統的仿真。   

隨著工業向數字化轉型和工業 4.0邁進，工業自動化領域的通信協議變得尤為重要。為了實現自動化系統中數據的無縫交換和控制，英飛凌科技股份公司與其合作伙伴、工業通信解決方案供應商RT-Labs在英飛凌 XMC7000 工業微控制器（MCU）的固件中集成了六種現場總線和以太網協議。

用戶可通過英飛凌ModusToolbox 開發平臺獲得該固件。該軟件解決方案提供全部主要的工業通信協議，支持用戶在XMC7000 MCU上快速、輕松地使用所需協議，從而在伺服驅動器、I/O模塊、機械臂、工業網關、PLC等各種應用中充分利用這款MCU的強大功能。

英飛凌科技微控制器高級產品經理Panagiotis Venardos表示：“英飛凌的XMC MCU長期支持工廠車間。隨著工業4.0趨勢發展不斷加速，現有的現場總線和以太網協議對于實現工業自動化至關重要。我們將繼續投資性能更強大的MCU和互聯MCU，進一步提升工廠車間的無縫通信能力，并借助合作伙伴RT-Labs經過現場驗證和高度優化的以太網和現場總線協議棧擴大這項工作的規模。”

RT-Labs 首席營銷官 Marcus Ekerhult 表示：“RT-Labs致力于讓工業通信變得毫不費力。作為英飛凌的高級合作伙伴，我們正在為ModusToolbox?帶來即插即用的連接能力。由于支持各種領先的協議和U-Phy技術，開發者可以在確保可靠性與合規性的前提下，加快開發和推出產品的速度。我們對此次合作及其帶來的創新感到興奮。”

工業通信協議是一套用于管理工業自動化環境中設備和系統間數據交換的標準化規則和程序。此次英飛凌與 RT-Labs 的合作支持客戶使用這些通信協議：Profinet RT、EtherNet/IP、CANopen、CC-Link、Modbus/TCP和EtherCAT Master。中間件托管在GitHub存儲庫中，提供最新且易于訪問的程序庫。此外，英飛凌還通過提供方便用戶的代碼示例和齊全的文檔幫助用戶使用，使用戶無需深厚的專業知識或大量資源。

在工業領域，邊緣計算正成為提升效率和優化運營的關鍵技術，兆易創新Arm Cortex-M7內核的GD32H7 600MHz超高性能MCU具備卓越的處理能效、豐富的鏈接特性以及多重安全機制，為工業4.0提供強有力的支撐，助力智能制造和自動化的發展。          

EtherCAT伺服從站應用方案：采用GD32H7作為主控，伺服驅動采用標準的CIA402協議，通過TwinCAT進行實時控制；支持輪廓位置模式（PP）、30種原點回歸模式（HM）和循環同步模式（CSP）；速度觀測器實時進行速度觀測，提高了速度的平滑性和響應速度。體現了GD32H7強勁性能、高實時性、高集成度，在高精度運動控制系統中具備優勢。

Profinet工業以太網解決方案：GD32H7支持更快的執行效率，內置4MB Flash和1MB SRAM，在單芯片上可運行多協議，該解決方案支持Profinet、Profibus、CANopen、Modbus、EtherNet/IP、CC-Link IE Field Basic、DeviceNet等10種從站協議以及協議轉換，并提供Keil/IAR/GCC庫，幫助用戶快速的進行二次開發。

LVGL/emWin/ThreadX RTOS GUI圖形顯示方案：支持LCD顯示、觸摸控制、二維碼、圖片解碼、文件瀏覽等功能演示，配合上位機模擬器方便客戶在PC端進行UI設計和開發，以及邏輯功能驗證。通過串口、以太網及CAN等總線通訊接口連接PLC、變頻器、儀表等工業控制設備，讓用戶以更智能的方式進行交互。

現代制造流程對效率和靈活性要求提升，需要能處理高帶寬、可靠傳輸大量數據的通信協議。Profinet 作為重要的工業以太網協議，滿足了工業應用中高速、確定性通信需求，為工廠自動化、過程自動化和樓宇自動化等提供關鍵支持。工業互聯網的發展依賴于像 Profinet 這樣的通信協議軟件棧以及各廠商在處理器等硬件中對其集成應用，這有助于實現數據驅動型決策，結合機器學習、預測性分析、自主機器人等先進技術，提升整個工業系統的效率、靈活性和安全性，推動工業向 4.0 時代邁進 。