ZHDA183 June   2026 AM2611 , AM2612 , AM2612-Q1 , AM2631 , AM2631-Q1 , AM2632 , AM2632-Q1 , AM2634 , AM2634-Q1 , AM263P2 , AM263P2-Q1 , AM263P4 , AM263P4-Q1

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1简介
    1. 1.1 机器人确定性挑战
    2. 1.2 为什么标准以太网无法支持实时通信
      1. 1.2.1 队首阻塞
      2. 1.2.2 缺少时间同步
      3. 1.2.3 无流量调度
    3. 1.3 基于时间敏感网络 (TSN) 的建议解决方案
      1. 1.3.1 什么是 TSN？
      2. 1.3.2 IEEE 1588（802.1AS gPTP - 通用精确时间协议）
      3. 1.3.3 IEEE 802.1Q (VLAN)
      4. 1.3.4 IEEE 802.1Qbu/Qbr（IET - 交错快速流量/帧抢占）
      5. 1.3.5 IEEE 802.1Qbv（EST - 调度流量增强）
      6. 1.3.6 CPSW 专属硬件特性
  5. 2示例用例：机器人中的分布式运动控制
    1. 2.1 典型情景
    2. 2.2 网络拓扑要求
      1. 2.2.1 为什么选择菊花链？
      2. 2.2.2 菊花链以太网解决方案的实际应用
    3. 2.3 通信要求
    4. 2.4 测试实现
  6. 3系统概述和架构
    1. 3.1 硬件架构
      1. 3.1.1 AM261x LaunchPad
      2. 3.1.2 CPSW 子系统概述：
    2. 3.2 软件架构
  7. 4实现示例
    1. 4.1 标准以太网 + CPSW InterVLAN 路由
      1. 4.1.1 什么是 Inter-VLAN 路由
      2. 4.1.2 此实现方案如何利用 Inter-VLAN 路由：
      3. 4.1.3 测试 1 基准测试
    2. 4.2 集成 gPTP 时间同步 (IEEE802.1AS)
      1. 4.2.1 什么是 PTP 时间同步？
      2. 4.2.2 此实现方案如何使用 GPTP 时间同步
      3. 4.2.3 测试 2 基准测试
    3. 4.3 集成 VLAN (IEEE802.1Q)
      1. 4.3.1 什么是 VLAN？
      2. 4.3.2 此实现方案如何利用 VLAN
      3. 4.3.3 测试 3 基准测试
    4. 4.4 集成 IET 帧抢占 (IEEE802.1Qbu/Qbr)
      1. 4.4.1 什么是 IET（交错快速流量）？
      2. 4.4.2 此实现方案如何利用 IET
      3. 4.4.3 测试 4 基准测试
    5. 4.5 集成 EST 调度 (IEEE802.1Qbv)
      1. 4.5.1 什么是 EST？
  8. 5结语
  9. 6挑战和调试注意事项
    1. 6.1 网络拓扑验证
    2. 6.2 流量分析
    3. 6.3 主机端口流量监控
    4. 6.4 PHY 链路管理
    5. 6.5 数据包未转发到下一个节点
    6. 6.6 错误处理和重试
    7. 6.7 高优先级数据包的高延迟或抖动
    8. 6.8 gPTP 不同步
  10. 7参考资料

1.1 机器人确定性挑战

工业机器人应用越来越需要分布式智能，其中传感器、传动器和控制逻辑分布在结构的多个点之间。例如，在多轴机械臂中，每个关节可能包含位置编码器、扭矩传感器、电机控制器和安全监视器，这些都必须与中央运动控制器进行通信。同样，模块化生产线由独立的加工站组成，通过实时消息交换进行协调。传统网络拓扑将星型配置与集中式以太网交换机一起使用，但当节点沿线性结构或铰接结构物理分布时，这种方法变得不切实际。将单根电缆从每个节点连接回中央开关会增加电缆重量、成本和机械复杂性，这对于必须穿过移动关节和旋转轴的机械臂尤其困难。菊花链拓扑通过串联连接节点来解决这些限制，其中每个器件都有两个以太网端口：一个从上游器件接收，另一个发送到下游器件。这样可以减少相邻节点之间单链路的布线，并消除对集中式交换机的需求。但是，菊花链配置会引入其他基本挑战，例如累积延迟。运动控制数据包可能需要有界延迟和极低的抖动，而遥测或诊断流量可以容忍一些延迟。

每个数据包必须经过多跳才能到达其目标，并且处理延迟会在每个中间节点累积。对于以 1 毫秒周期时间（1kHz 控制环路）运行的运动控制系统，当数据包必须通过四个或五个器件时，即使是很小的每跳延迟也会变得非常重要。因此，根本挑战是同时满足三个相互冲突的设计要求：

  1. 对于以千赫兹频率运行的实时控制环路，具有确定性的亚毫秒级延迟
  2. 千兆位带宽用于来自多个摄像头和激光雷达传感器的高分辨率感知数据
  3. 使用高性价比的组件实现经济高效的可扩展性，不受供应商绑定，也无需支付许可费用
  4. 高效处理混合的关键性流量。

传统现场总线协议（CAN、EtherCAT、PROFINET）提供确定性，但受到有限带宽（CAN 为 1Mbps）和造成供应商锁定的专有协议栈的困扰。现有的机器人通信解决方案分为以下几类。CAN 同时受到带宽限制 (1Mbps) 和高延迟的影响，根据总线负载和节点数，典型的往返时间范围为 2-10 毫秒，远远超过了动态平衡控制的亚毫秒级要求。EtherCAT 在主从配置中的周期时间为 250-500 微秒，提高了性能，但通过菊花链从站进行的多跳转发为每个节点增加了 20-50 微秒。AM26x MCU 上的 EtherCAT 实施范围仅为 100M。PROFINET IRT 可实现 1-2 毫秒的周期时间，但需要专用硬件和许可。更关键的是，这些协议依赖于刚性拓扑（发送器-接收器拓扑，星形）和专有栈。下表总结了现有解决方案与本应用手册中建议的解决方案。

表 1-1 现有解决方案与建议的解决方案
协议 具有成本效益 带宽 具有确定性
CAN 是 否 否
PROFINET 否 是 是
EtherCAT 否 是 是
标准以太网 是 是 否
建议的以太网 + TSN 解决方案 是 是 是