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|  TSN：有望取代总线的技术

| TSN芯片供应商与解决方案

经过数十年的演进迭代，目前工业通信方式主要有工业以太网、现场总线，以及工业无线网络三种，其中以工业以太网占比最大。而工业以太网中占主导的是EtherCAT、PROFINET等后起之秀，现场总线则包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等，工业无线网络是近年来才开始兴起的，主要包括大家所熟知的WiFi、蓝牙和5G等连接方式。
 

据HMS Networks统计，近年来工业通信网络在持续扩张，该机构预计2024年将会增长7%左右。工业以太网仍然占据主导地位，占所有新安装节点的71%，比去年的68%多出4%。而现场总线则从上年的24%下降到了22%，无线通信网络从上年的8%略微下降到7%。排名前三的工业网络分别为PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT。

与工业总线相比，工业以太网具有不少优势：
 

首先就是更快的速度 ，相较于串联通信的工业总线，工业以太网可以实现更高的速度，甚至超过100Mbps，而最常用的PROFIBUS工业总线，即便是用于工厂自动化的高速版本PROFIBUS DP，最高可配置速度也只有12Mbps。
 

其次是更灵活的拓扑结构 ，对于更复杂的工业网络部署，工业总线如果采用大型菊花链的形式部署，则会形成一个对故障极为敏感的工业网络。而工业以太网通过星型等灵活拓扑结构，打造更加高速可靠的工业网络。
 

在工业以太网中，有一种新兴的网络协议特别值得关注，那就是TSN（时间敏感网络），它是一种基于标准以太网架构演进的新一代网络技术，旨在提供确定性数据传输能力。它通过时钟同步、数据调度和网络配置等机制，解决了传统以太网在实时通信上的不足，如不一致的延迟、数据包乱序和丢包等问题。
 

TSN：有望取代总线的技术
 

2006年，IEEE 802.1工作组成立了AVB音视频桥接任务组，主要解决以太网中音频视频数据实时同步传输的问题。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，同时将任务组名称更名为：TSN工作组。

时间敏感型网络 (TSN) 就是TSN工作组开发的一套协议标准，旨在非确定性的以太网络中实现确定性的最小时间延迟，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。

除了实时能力和确定性之外，TSN还有另一项巨大技术优势，那就是网络扩展能力，这使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率运行。不过，这需要细致（因而更复杂）的网络配置。1 Gbps及以上的传输速率是当今网络的逻辑演进。1 Gbps为新型（物联网）应用开辟了道路，有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是，只有当终端和以太网交换机均支持TSN功能时，TSN作为一个系统才能发挥全部效用。

  
TSN 是一种局域网 (LAN) 级解决方案，可与非TSN 以太网一起工作，但只有在 TSN LAN 内部才能保证及时性。用户可以根据 TSN 解决的用例对 TSN 标准进行分组：通用的时间视图、保证极大延迟，或与背景流量或其他流量共存。与任何流行的标准一样，TSN 的标准工具箱也在不断发展。  

其实，TSN调节的是ISO/OS参考模型第2层中的数据通信，严格地说，TSN代表以太网中支持实时性的第2层，不是完整的实时协议。 也就是说，TSN不会取代PROFINET、EtherNet/IP及类似的以太网协议。 相反，这些工业以太网协议长期而言将支持第2层TSN，因此传统工业以太网协议不会消失，但未来将建立在TSN之上。 但是，现场总线则可能会被以太网永久性取代。 
 

TSN芯片供应商与解决方案
 

随着越来越多终端对TSN网络的关注和采用，过去开发标准以太网芯片的厂商们，近年来也纷纷转战TSN技术，开始推出TSN相关的芯片，比如，ADI、Marvell、博通、亚信电子、Microchip、瑞昱、恩智浦、TI、东芝，以及国内的东土科技、楠菲、昆高新芯、裕太微、智芯、国科天迅等。接下来我们看看市场主流的几个TSN芯片及解决方案。

ADI多协议以太网交换机芯片 fido 5100/fido 5200

ADI 实时以太网、多协议(REM)交换机芯片 fido5000，是针对互连运动和智能工厂应用的新一代高性能确定性以太网连接解决方案的一部分。该芯片有fido5100 和 fido5200 两种型号，这两种型号的区别在于它们支持的以太网协议。

fido5100支持以下协议：PROFINET实时(RT)和等时实时(IRT)、有和无器件级环(DLR)的EtherNet/IP、Modbus TCP及POWERLINK。

fido5200支持EtherCAT和fido5100支持的所有协议。

fido5100和fido5200（REM交换机芯片）是可编程IEEE 802.3 10 Mbps/100 Mbps以太网互联网协议第6版(IPv6)和互联网协议第4版(IPv4)交换机芯片，支持几乎任何第2层或第3层协议。交换机芯片通过从主机处理器下载的固件进行定制，以支持所需的协议。

  
固件包含在实时以太网多协议(REM)交换机芯片驱动程序中，并在上电时下载。REM交换机芯片可以在不到4 ms的时间内为网络数据操作准备就绪，支持快速启动和快速连接类型的网络功能。

  
REM交换机芯片旨在配合主机处理器使用。网络操作通过REM交换机芯片驱动程序中提供的功能和服务处理。主机处理器可以实现任何协议栈，只需将其与REM交换机芯片驱动程序集成。

  
REM交换机芯片采用144引脚芯片级球栅阵列(CSP_BGA)封装。

Microchip TSN交换机芯片及PHY芯片
 

针对更为复杂的交换需求，Microchip也推出了TSN以太网交换机IC LAN9668，工规版本为LAN9668-I/9MX。该交换机采用集成了两个10/100/1000BASE-T PHY和一个600MHz的ArmCortex-A7 CPU子系统，且拥有8个以太网端口。

在此之前，Microchip也发布了支持TSN的四端口以太网PHY收发器LAN8814，与LAN9668结合，可以实现定时、流保留、保护和管理等一系列功能。在支持单一、可扩展的TSN芯片组标准的同时，提供最低的延迟和端到端的通信流量传输，减少开发时间与成本。

  
与此同时，Microchip也提供了IStaX VSC6817SDK这一Linux应用软件，开发者可以借助GUI、CLI、SNMP和JSON RPC等手段对以太网交换机进行管理，除了支持QCL和ACL之类的先进L2交换功能外，还有IEEE 1588中的各种TSN特性。

亚信电子支持TSN网络的千兆以太网网卡

  
AXM57104是亚信电子推出的一款高性价比的4端口TSN PCI Express千兆以太网卡，支持兼容IEEE标准的各种时间敏感网络（TSN）功能，包含IEEE 802.1AS-Rev时效性应用之时序与同步、IEEE 802.1Qav时间敏感数据流转发以及队列、IEEE 802.1Qbu抢占帧、IEEE 802.1Qbv时间感知整形与IEEE 802.1CB讯框复制与消除等。

AXM57104内置FPGA，通过在线应用编程(IAP)功能，工程师可即时因应TSN标准演进需求进行在线韧体更新，并支持32个同步I/O与1个每秒脉冲(PPS)信号输出。  

昆高新芯基于RISC-V的TSN交换机芯片

从其官网的产品信息来看，在工业TSN网络芯片上，昆高新芯目前有TSN交换芯片KG65XXI系列和TSN网关芯片KG5XXXI系列。
 

比如，其KG65XXI系列的KG6524交换机芯片，集成了4核RISC-V处理器，支持6路QSGMII和4路10G SFI/XFI，最大支持24×1G+4×10G的接口形态，并支持SerDes，交换容量64Gbps（双向128Gbps）。支持高精度时钟同步、流量整形调度、帧抢占、帧过滤、帧冗余等TSN特性。其最新的信息是该芯片经过了国家电网电力自动化产品型式检验和自动化产品电磁兼容检验后，成功获得了国家电网注册备案证书。

  
而KG5XXXI这一TSN网关芯片系列，同样采用了4核RISC-V处理器设计，可接入70个节点。KG5XXXI支持以太网/IP、ETHERCAT、PROFINET这三大主流工业以太网协议栈，也提供对CAN、RS485、FF、HARP-IP与MODBUS的支持。

结语

  
除了上面提到的厂商及产品，还有Marvell的88E6393X系列芯片、博通的BCM8989X与BCM8957X芯片、瑞昱的RTL8211E-VB-CG、恩智浦的LS1028A与SJA1105TEL、东芝的TC9562、东土科技的KD6530、楠菲的SF1001/SF1004/SF1008，以及智芯的SCCC9002SC2404等也都支持工业TSN通信。