通过时间敏感型网络实现工业网络设计

OT（操作技术）和 IT（信息技术）可能有不同的实时需求，但它们在 TSN（时间敏感网络）基于以太网的标准。了解在工业网络设计中实施 TSN 所涉及的理论和硬件。

当通过网络进行通信时，工厂中的设备可能有非常不同的需求和潜在的冲突目标。操作技术 (OT) 流量，例如机器控制数据和传感器值读数，通常需要固定的时间延迟、低延迟和可预测的抖动。另一方面，信息技术 (IT) 流量是电子邮件流量等数据。

在 IT 领域，沟通通常是尽力而为，准确的响应时间并不是最重要的。相反，总体吞吐量通常很重要。对于OT来说，在某个时间丢失数据会导致失败，因此数据包必须在一定的实时限制内到达目的地。

今天，有许多不同的工业协议用于解决这个问题。然而，时间敏感网络 (TSN) 是建立在标准以太网之上的，它旨在为以太网上的实时通信创建一个统一的标准。它通过在一条网络电缆上合并 OT 和 IT 流量并向以太网添加确定性来实现这一点。目标是减少网络延迟并降低端点之间的延迟，以确保某些数据包按时到达目的地。

本文讨论了 TSN、三个基本的 TSN 标准及其典型用例。它还检查了三个 NXP 设备（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170 交叉 MCU 和新的 i.MX 8M Plus），这些设备允许嵌入式工程师为工业应用设计现代连接实时系统。

什么是 TSN？

TSN 不是一个单一的标准，而是由 IEEE 定义的一系列标准。 TSN 标准构成了 TSN 架构的基础：

图 1。 TSN 架构包括三层。 IEEE 标准构成了基础。 TSN 配置文件位于基础之上，协议利用配置文件

TSN 配置文件位于 TSN 标准之上，形成了架构的下一层。这些配置文件具体指定了如何参数化标准中定义的某些 TSN 功能。例如，这样的配置文件可以包含描述应用程序需要多少时钟滴答精度的参数。

一个相对成熟的 TSN 规范是 IEC60802，它定义了工业应用的参数。但是，目前正在开发许多其他 TSN 配置文件，例如汽车和医疗应用。因此，架构的第二级配置和指定 TSN 标准中定义的功能，并考虑到特定的行业或应用。最后，顶层包含协议本身。

基本 TSN 标准

用于计时和同步的 802.1AS 标准构成了 TSN 的基础。 IEEE 802.1AS 建立在精确时间协议 (PTP) 之上，允许网络中的多个设备同步其内部时钟，从而实现更高级的功能，例如时间感知调度。

802.1Qbv 标准允许启用 TSN 的设备将 OT 和 IT 流量结合起来，并在一条以太网电缆上传输两者。此外，这个子标准包括一个时间感知整形器，可以创建一个时间表，说明某些数据包何时可以通过线路发送出去。网络内的设备同意遵守该时间表，并为特定包保留时间段。在两个端节点之间发送优先消息时，这些措施会导致最小且可预测的抖动和延迟：

请注意，802.1AS 确保网络上的所有设备共享一个同步时基。因此，他们都知道什么时候通过网线发送什么类型的流量。

802.1CB 是 TSN 的另一个重要标准。该子标准允许系统设计人员通过网络创建冗余通信流以增加容错能力。启用此功能后，支持 802.1CB 的网络交换机将在需要时自动复制指定的包。此外，当具有 TSN 功能的交换机第一次收到唯一消息时，它稍后会自动丢弃所有冗余副本。将这些任务外包给支持 TSN 的硬件，消除了对复杂软件的需求，减轻了主 CPU 的负载。

最后，用于帧抢占的 802.Qbu 是工业自动化最重要的标准之一。从本质上讲，工业网络特别注意某种需要遵守非常严格的周期时间的实时方法。抢占通过允许将帧拆分为将连续发送的多个片段来帮助保持这种时序，除非出现快速帧。

只要每个消息的传输可以在称为保护带 (802.Qbr) 的可配置时间段内完成，所有标准帧都可以在多个消息中被中断和分段。此类系统与抢占结合使用，可防止太长或非循环的消息会延长循环时间。

时间敏感网络的基础 提供对 TSN 和此处讨论的一些标准的更详细的了解。

使用恩智浦设备启用时间敏感型网络

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170和i.MX 8M Plus在不同程度上支持TSN功能。下表总结了 TSN 标准以及哪些 NXP 设备实现了这些标准：

支持 TSN 的硬件是创建可靠的支持 TSN 的以太网网络的第一步。恩智浦为其产品提供广泛的软件支持，以及展示各种功能的 SDK 和软件示例库。

Layerscape LS1028A 通常运行实时操作系统，例如开放工业 Linux (OpenIL) 或不同的高级操作系统。 i.MX 8M Plus 也将很快获得对 OpenIL 的支持。恩智浦还为 TSN 提供开源支持以及配置它的工具。对于 OpenIL，恩智浦为 PTP 提供开源驱动程序支持。这些驱动程序允许用户控制 PTP 硬件时钟和时间戳。除了恩智浦的软件产品，工程师还可以从一系列现成的商业软件堆栈中进行选择。

当今支持 TSN 的设备

恩智浦产品组合提供了一些为工业环境中的时间敏感网络提供硬件支持的设备。一些示例是 Layerscape LS1028A、i.MX RT1170 跨界 MCU 和 i.MX 8M Plus。这些设备使嵌入式系统工程师能够将高处理能力与能够处理苛刻任务的大量外设、安全功能和协处理器相结合，从而设计出未来的工业设备。

LS1028A 是一款成熟的应用处理器，基于两个 Cortex A72 处理内核。它主要用于汽车和工业市场，并带有一个集成网络交换机，可通过四个以太网端口支持各种 TSN 功能。 LS1028A 还提供丰富的外设（例如 CAN-FD 接口）、各种片上协处理器、专用 GPU 和 LCD 控制器以及众多安全功能。目标应用包括网络设备、工业 HID 和机器人技术。

图 2。 LS1028A 框图。图片来源：恩智浦产品网站

i.MX RT1170 系列 MCU 使用两个处理内核。运行频率高达 1 GHz 的 ARM® Cortex®-M7 内核和时钟频率高达 400 MHz 的第二个专用 Cortex®-M4 处理器使这些设备成为当今市场上速度最快的微控制器之一。其性能以及丰富的外设和功能组合使 i.MX RT1170 系列 MCU 成为各种应用的理想选择。这些设备支持多达 2 MB 的 SRAM 和多达三个以太网接口。

i.MX RT1170 跨界 MCU 还提供一组现代安全和加密功能。对于 HMI 应用，这些设备包括专用的 2D GPU 和 2D 加速器和显示接口。 i.MX RT1170 针对低功耗和低泄漏应用进行了优化，可实现高效、快速、小巧且具有成本效益的设计。

图 3。 i.MX RT1170 框图。图片来源：恩智浦产品网站

i.MX 8M 系列包含针对特定市场的各种应用处理器，以满足特定应用的需求。 i.MX 8M Plus 是该系列中的最新型号，包括用于机器视觉应用的专用硬件、具有 2.3 TOPS 的 NPU 单元以实现更快的 AI 推理、改进的 LVDS、支持 TSN 的 CAN 实时网络以及一个 2D/3D图形加速器。

此外，i.MX 8M Plus 是目前 i.MX 8M 系列中唯一提供多个 CAN-FD 接口的设备。它还具有可靠性特性，例如用于高可靠性工业应用的内联 ECC。

图 4。 i.MX 8M Plus 框图。图片来源：恩智浦产品网站

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170 和 i.MX 8M Plus 是恩智浦 15 年长寿命计划的一部分，该计划保证这些组件从产品发布起至少 15 年可销售，尤其是对于需要经过长时间启用或认证阶段的设计人员很有用。

TSN 基础解决方案示例

在此示例中，每个组件通过利用上述各种 TSN 标准相互通信，以保持高度同步并保证独立于网络上运行的流量的延迟。

i.MX 8M Plus用于图像识别，利用其ISP和嵌入式神经处理单元（NPU）进行优化操作，支持生产线的实时操作。

i.MX RT1170用于根据i.MX8M Plus驱动的分析，引导机械臂从虚拟传送带上拾取产品。

在两者之间，Layerscape LS1028 运行一个 TSN 网络并在其他 2 个设备之间以及其他潜在节点之间中继帧。 TSN 用于确保数据从 i.MX 8M Plus 可靠地传送到 i.MX RT1170。

在此示例中，还连接了一台笔记本电脑，以模拟任何现场实施中可能存在的尽力而为的流量

有关此演示的更多详细信息，请查看以下链接：

使用 NXP 的 i.MX 8M Plus 进行机器学习和 TSN

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