Mengaktifkan Desain Jaringan Industri dengan Jaringan Waktu-Sensitif

OT (teknologi operasional) dan TI (teknologi informasi) mungkin memiliki kebutuhan waktu nyata yang berbeda, tetapi keduanya digabungkan dalam TSN (peka waktu jaringan) standar berbasis Ethernet. Pelajari tentang teori dan perangkat keras yang terlibat dalam penerapan TSN dalam desain jaringan industri.

Perangkat di pabrik mungkin memiliki kebutuhan yang sangat berbeda dan tujuan yang berpotensi bertentangan saat berkomunikasi melalui jaringan. Lalu lintas teknologi operasional (OT), seperti data kontrol mesin dan pembacaan nilai sensor, biasanya memerlukan penundaan waktu yang tetap, latensi rendah, dan jitter yang dapat diprediksi. Lalu lintas teknologi informasi (TI), di sisi lain, adalah data seperti lalu lintas email.

Dalam domain TI, komunikasi biasanya merupakan upaya terbaik, dan waktu respons yang akurat tidak terlalu penting. Sebaliknya, throughput keseluruhan adalah yang biasanya penting. Untuk OT, data yang hilang pada waktu tertentu dapat menyebabkan kegagalan, dan oleh karena itu paket harus mencapai tujuannya dalam batasan waktu nyata tertentu.

Saat ini, ada banyak protokol industri berbeda yang digunakan untuk mengatasi masalah ini. Namun, jaringan peka waktu (TSN) dibangun di atas Ethernet standar, dan bertujuan untuk menciptakan standar terpadu untuk komunikasi waktu nyata melalui Ethernet. Ini mencapai ini dengan menggabungkan lalu lintas PL dan TI pada kabel jaringan tunggal dan menambahkan determinisme ke Ethernet. Tujuannya adalah untuk mengurangi penundaan jaringan dan menurunkan latensi antara titik akhir untuk memastikan bahwa paket tertentu mencapai tujuannya tepat waktu.

Artikel ini membahas TSN, tiga standar TSN penting, dan kasus penggunaannya yang khas. Ini juga memeriksa tiga perangkat NXP (Layerscape LS1028A, crossover MCU i.MX RT1170, dan i.MX 8M Plus baru) yang memungkinkan insinyur tertanam untuk merancang sistem real-time modern yang terhubung untuk aplikasi industri.

Apa itu TSN?

TSN bukan standar tunggal melainkan keluarga standar yang ditentukan oleh IEEE. Standar TSN membentuk fondasi arsitektur TSN:

Gambar 1. Arsitektur TSN terdiri dari tiga lapisan. Standar IEEE membentuk fondasi. Profil TSN berada di atas fondasi, dan protokol menggunakan profil

Profil TSN berada di atas standar TSN, membentuk lapisan arsitektur berikutnya. Profil-profil ini secara konkret menentukan bagaimana parametrize fitur TSN tertentu yang ditentukan dalam standar. Misalnya, profil semacam itu dapat berisi parameter yang menjelaskan seberapa banyak akurasi dalam detak jam yang diperlukan dalam suatu aplikasi.

Profil TSN yang relatif matang adalah IEC60802, yang menentukan parameter untuk aplikasi industri. Namun, banyak profil TSN lainnya, seperti aplikasi otomotif dan medis, saat ini sedang dalam pengembangan. Oleh karena itu, arsitektur tingkat kedua mengonfigurasi dan menetapkan fitur yang ditentukan dalam standar TSN dengan mempertimbangkan industri atau aplikasi tertentu. Terakhir, lapisan atas berisi protokol itu sendiri.

Standar TSN Esensial

Standar 802.1AS untuk pengaturan waktu dan sinkronisasi membentuk dasar TSN. IEEE 802.1AS dibangun di atas protokol waktu presisi (PTP), memungkinkan beberapa perangkat dalam jaringan untuk menyinkronkan jam internal mereka, sehingga memungkinkan fitur yang lebih canggih seperti penjadwalan sadar waktu.

Standar 802.1Qbv memungkinkan perangkat yang mendukung TSN untuk menggabungkan lalu lintas OT dan TI dan mengirimkan keduanya pada satu kabel Ethernet. Selain itu, sub-standar ini mencakup pembentuk yang sadar waktu, sehingga memungkinkan untuk membuat jadwal yang menyatakan kapan paket-paket tertentu dapat keluar melalui kabel. Perangkat dalam jaringan setuju untuk mengikuti jadwal itu, dan mereka memesan slot waktu untuk paket tertentu. Langkah-langkah ini menghasilkan jitter dan latensi yang minimal dan dapat diprediksi saat mengirim pesan yang diprioritaskan antara dua node akhir:

Perhatikan bahwa 802.1AS memastikan bahwa semua perangkat di jaringan berbagi basis waktu yang disinkronkan. Oleh karena itu, mereka semua tahu kapan harus mengirim jenis lalu lintas apa melalui kabel jaringan.

802.1CB adalah standar penting lain dari TSN. Sub-standar ini memungkinkan perancang sistem untuk membuat aliran komunikasi yang berlebihan melalui jaringan untuk meningkatkan toleransi kesalahan. Dengan mengaktifkan fitur ini, switch jaringan yang mampu 802.1CB akan secara otomatis menggandakan paket yang ditentukan saat dibutuhkan. Selanjutnya, ketika sakelar berkemampuan TSN menerima pesan unik untuk pertama kalinya, ia secara otomatis membuang semua salinan yang berlebihan nanti. Mengalihdayakan tugas-tugas ini ke perangkat keras berkemampuan TSN menghilangkan persyaratan untuk perangkat lunak yang rumit dan meringankan beban pada CPU utama.

Akhirnya 802.Qbu untuk preemption frame adalah salah satu standar terpenting untuk otomasi industri. Secara alami, jaringan industri sangat berhati-hati terhadap pendekatan waktu nyata tertentu yang membutuhkan penghormatan terhadap waktu siklus yang sangat ketat. Preemption membantu menjaga pengaturan waktu tersebut dengan memungkinkan untuk membagi bingkai pada beberapa fragmen yang akan dikirim secara berurutan, kecuali jika bingkai ekspres muncul.

Semua frame standar dapat diinterupsi dan terfragmentasi dalam beberapa pesan selama transmisi masing-masing pesan dapat diselesaikan dalam periode waktu yang dapat dikonfigurasi yang disebut guardband (802.Qbr). Sistem seperti itu, yang digunakan bersama dengan preemption, mencegah pesan yang terlalu panjang atau asiklik akan memperpanjang waktu siklus.

Dasar-Dasar Jaringan Peka Waktu memberikan wawasan yang lebih rinci tentang TSN dan beberapa standar yang dibahas di sini.

Mengaktifkan Jaringan Waktu-Sensitif dengan Perangkat NXP

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170, dan i.MX 8M Plus mendukung fitur TSN hingga tingkat yang berbeda-beda. Tabel berikut merangkum standar TSN dan perangkat NXP mana yang menerapkannya:

Perangkat keras yang mendukung TSN adalah langkah pertama dalam menciptakan jaringan Ethernet berkemampuan TSN yang andal. NXP menawarkan dukungan perangkat lunak ekstensif untuk produk mereka dan perpustakaan SDK serta contoh perangkat lunak yang menunjukkan berbagai fitur.

Layerscape LS1028A biasanya menjalankan OS real-time, seperti Open Industrial Linux (OpenIL), atau sistem operasi tingkat tinggi yang berbeda. i.MX 8M Plus juga akan segera menerima dukungan untuk OpenIL. NXP juga menyediakan dukungan sumber terbuka untuk TSN serta alat untuk mengkonfigurasinya. Untuk OpenIL, NXP menawarkan dukungan driver open-source untuk PTP. Driver ini memungkinkan pengguna untuk mengontrol jam perangkat keras PTP dan stempel waktu. Selain penawaran perangkat lunak NXP, para insinyur juga dapat memilih dari berbagai tumpukan perangkat lunak komersial yang tersedia.

Perangkat Berkemampuan TSN Saat Ini

Portofolio produk NXP menawarkan beberapa perangkat yang menyediakan dukungan perangkat keras untuk jaringan yang sensitif terhadap waktu dalam pengaturan industri. Beberapa contohnya adalah Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 crossover MCU, dan i.MX 8M Plus. Perangkat ini memungkinkan para insinyur sistem tertanam untuk merancang peralatan industri masa depan dengan menggabungkan kekuatan pemrosesan tinggi dengan rangkaian periferal yang luas, fitur keamanan, dan co-prosesor yang mampu menangani tugas-tugas berat.

LS1028A adalah prosesor aplikasi mapan yang berbasis di sekitar dua inti pemrosesan Cortex A72. Ini terutama ditujukan untuk pasar otomotif dan industri, dan dilengkapi dengan sakelar jaringan terintegrasi yang mendukung berbagai fitur TSN melalui empat port Ethernet. LS1028A juga menawarkan rangkaian periferal yang kaya (seperti antarmuka CAN-FD), berbagai co-prosesor on-chip, Pengontrol GPU dan LCD khusus, dan berbagai fitur keamanan. Aplikasi target mencakup peralatan jaringan, HID industri, dan robotika.

Gambar 2. Diagram blok LS1028A. Sumber Gambar:Situs web produk NXP

Rangkaian MCU i.MX RT1170 menggunakan dua inti pemrosesan. Inti ARM® Cortex®- M7 yang berjalan hingga 1 GHz dan prosesor Cortex®-M4 khusus kedua yang memiliki clock hingga 400 MHz menjadikan perangkat ini di antara mikrokontroler tercepat yang tersedia di pasaran saat ini. Performa dan portofolio periferal dan fitur yang kaya membuat keluarga MCU i.MX RT1170 menjadi pilihan ideal untuk berbagai aplikasi. Perangkat mendukung hingga dua megabita SRAM dan hingga tiga antarmuka Ethernet.

MCU crossover i.MX RT1170 juga menawarkan serangkaian fungsionalitas keamanan dan kriptografi modern. Untuk aplikasi HMI, perangkat menyertakan GPU 2D khusus dan akselerator 2D serta antarmuka tampilan. i.MX RT1170 dioptimalkan untuk aplikasi berdaya rendah dan kebocoran rendah, memungkinkan desain yang efisien, cepat, kecil, dan hemat biaya.

Gambar 3. Diagram blok i.MX RT1170. Sumber Gambar:Situs web produk NXP

Keluarga i.MX 8M berisi berbagai prosesor aplikasi yang menargetkan pasar tertentu untuk memenuhi kebutuhan aplikasi tertentu. i.MX 8M Plus adalah model terbaru dalam keluarga dan mencakup perangkat keras khusus untuk aplikasi visi mesin, unit NPU dengan 2,3 TOPS untuk inferensi AI yang lebih cepat, LVDS yang ditingkatkan, jaringan CAN real-time dengan dukungan TSN, dan 2D/3D akselerator grafis.

Selain itu, i.MX 8M Plus saat ini merupakan satu-satunya perangkat dari keluarga i.MX 8M yang menawarkan beberapa antarmuka CAN-FD. Itu juga dilengkapi dengan fitur keandalan seperti ECC sebaris untuk aplikasi industri dengan keandalan tinggi.

Gambar 4. Diagram blok i.MX 8M Plus. Sumber Gambar:Situs web produk NXP

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170, dan i.MX 8M Plus adalah bagian dari program umur panjang NXP 15 tahun, yang menjamin bahwa komponen akan tersedia untuk dijual setidaknya selama 15 tahun sejak peluncuran produk, yang terutama berguna bagi desainer yang harus melalui fase pemberdayaan atau sertifikasi yang lama.

Contoh Solusi Basis TSN

Dalam contoh ini, setiap komponen berkomunikasi satu sama lain dengan memanfaatkan berbagai standar TSN yang dijelaskan di atas untuk menjaga sinkronisasi tingkat tinggi dan latensi yang dijamin secara independen dari lalu lintas yang berjalan di jaringan.

i.MX 8M Plus digunakan untuk pengenalan gambar dan memanfaatkan ISP dan Neural Processing Unit (NPU) yang tertanam untuk operasi yang dioptimalkan dan mendukung operasi waktu nyata dari lini produksi.

i.MX RT1170 digunakan untuk memandu lengan robot untuk mengambil produk dari sabuk konveyor virtual sesuai dengan analisis yang dilakukan oleh i.MX8M Plus.

Di antaranya, Layerscape LS1028 menjalankan jaringan TSN dan merelay frame antara 2 perangkat lain serta ke node potensial lainnya. TSN digunakan untuk memastikan data terkirim dengan andal dari i.MX 8M Plus ke i.MX RT1170.

Dalam contoh ini, laptop juga terhubung untuk mensimulasikan lalu lintas upaya terbaik yang akan ada dalam implementasi bidang apa pun

Lihat tautan di bawah untuk detail lebih lanjut tentang demo ini:

Pembelajaran Mesin dan TSN dengan i.MX 8M Plus NXP

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.