時間に敏感なネットワーキングによる産業用ネットワーク設計の実現

OT（オペレーショナルテクノロジー）とIT（情報テクノロジー）はリアルタイムのニーズが異なる場合がありますが、TSN（時間依存）に統合されていますネットワーキング）イーサネットベースの標準。産業用ネットワーク設計でのTSNの実装に関連する理論とハードウェアについて学びます。

工場内のデバイスは、ネットワークを介して通信するときに、非常に異なるニーズと潜在的に矛盾する目標を持っている可能性があります。マシン制御データやセンサー値の読み取りなどのオペレーショナルテクノロジー（OT）トラフィックには、通常、固定の時間遅延、低遅延、および予測可能なジッターが必要です。一方、情報技術（IT）トラフィックは、電子メールトラフィックなどのデータです。

ITドメインでは、通常、コミュニケーションが最善の努力であり、正確な応答時間は最も重要ではありません。代わりに、全体的なスループットが通常重要です。 OTの場合、特定の時間にデータが欠落すると障害が発生する可能性があるため、パケットは特定のリアルタイムの制約内で宛先に到達する必要があります。

今日、この問題に取り組むために使用される多くの異なる産業プロトコルがあります。ただし、Time-sensitive Networking（TSN）は、標準のイーサネットに基づいて構築されており、イーサネットを介したリアルタイム通信の統一された標準を作成することを目的としています。これは、OTトラフィックとITトラフィックを単一のネットワークケーブルにマージし、イーサネットに決定論を追加することで実現されます。目標は、ネットワーク遅延を減らし、エンドポイント間の遅延を減らして、特定のパケットが時間どおりに宛先に到達するようにすることです。

この記事では、TSN、3つの重要なTSN標準、およびそれらの一般的な使用例について説明します。また、組み込みエンジニアが産業用アプリケーション向けの最新の接続されたリアルタイムシステムを設計できるようにする3つのNXPデバイス（Layerscape LS1028A、i.MX RT1170クロスオーバーMCU、および新しいi.MX 8M Plus）についても検証します。

TSNとは何ですか？

TSNは単一の標準ではなく、IEEEによって定義された標準のファミリです。 TSN標準は、TSNアーキテクチャの基盤を形成します。

図1。 TSNアーキテクチャは3つの層で構成されています。 IEEE標準が基盤を形成します。 TSNプロファイルは基盤の上にあり、プロトコルはプロファイルを利用します

TSNプロファイルはTSN標準の上にあり、アーキテクチャの次の層を形成します。これらのプロファイルは、標準で定義されている特定のTSN機能をパラメータ化する方法を具体的に指定します。たとえば、このようなプロファイルには、アプリケーションで必要なクロックティックの精度を説明するパラメータを含めることができます。

比較的成熟したTSNプロファイルはIEC60802であり、産業用アプリケーションのパラメータを定義します。ただし、自動車や医療アプリケーションなど、他の多くのTSNプロファイルが現在開発中です。したがって、アーキテクチャの第2レベルでは、特定の業界またはアプリケーションを念頭に置いて、TSN標準で定義されている機能を構成および指定します。最後に、最上位層にはプロトコル自体が含まれています。

基本的なTSN標準

タイミングと同期に関する802.1AS標準は、TSNのベースを形成します。 IEEE 802.1ASは、高精度時間プロトコル（PTP）に基づいて構築されており、ネットワーク内の複数のデバイスが内部クロックを同期できるようにするため、時間認識スケジューリングなどのより高度な機能が可能になります。

802.1Qbv標準により、TSN対応デバイスはOTトラフィックとITトラフィックを組み合わせて、両方を1本のイーサネットケーブルで送信できます。さらに、この準標準には時間認識シェーパーが含まれているため、特定のパケットがワイヤ上でいつ送信できるかを示すスケジュールを作成できます。ネットワーク内のデバイスはそのスケジュールに従うことに同意し、特定のパッケージのタイムスロットを予約します。これらの対策により、2つのエンドノード間で優先メッセージを送信する際のジッターと遅延が最小限に抑えられ、予測可能になります。

802.1ASは、ネットワーク上のすべてのデバイスが同期されたタイムベースを共有することを保証することに注意してください。したがって、ネットワークケーブルを介してどのタイプのトラフィックをいつ送信するかを全員が知っています。

802.1CBは、TSNのもう1つの重要な標準です。この準標準により、システム設計者はネットワーク上に冗長通信ストリームを作成して、フォールトトレランスを向上させることができます。この機能を有効にすると、802.1CB対応のネットワークスイッチは、必要に応じて指定されたパッケージを自動的に複製します。さらに、TSN対応スイッチが初めて一意のメッセージを受信すると、後ですべての冗長コピーを自動的に破棄します。これらのタスクをTSN対応のハードウェアにアウトソーシングすることで、複雑なソフトウェアの必要性がなくなり、メインCPUの負荷が軽減されます。

最後に、フレームプリエンプション用の802.Qbuは、産業用自動化の最も重要な標準の1つです。本質的に、産業用ネットワークは、非常に厳密なサイクルタイムを尊重する必要がある特定のリアルタイムアプローチに非常に特別な注意を払っています。プリエンプションは、エクスプレスフレームが表示されない限り、連続して送信される複数のフラグメントでフレームを分割できるようにすることで、このようなタイミングを維持するのに役立ちます。

各メッセージの送信がガードバンド（802.Qbr）と呼ばれる構成可能な期間内に終了できる限り、すべての標準フレームを中断して複数のメッセージに断片化することができます。プリエンプションと組み合わせて使用​​されるこのようなシステムは、メッセージが長すぎるか非周期的であるとサイクルタイムが長くなるのを防ぎます。

時間に敏感なネットワーキングの基礎 TSNおよびここで説明するいくつかの標準に関するより詳細な洞察を提供します。

NXPデバイスで時間に敏感なネットワーキングを可能にする

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170、およびi.MX 8M Plusは、さまざまな程度でTSN機能をサポートします。次の表は、TSN標準と、それらを実装するNXPデバイスをまとめたものです。

TSN対応のハードウェアは、信頼性の高いTSN対応イーサネットネットワークを作成するための最初のステップです。 NXPは、自社製品の広範なソフトウェアサポートと、さまざまな機能を示すSDKおよびソフトウェアサンプルのライブラリを提供しています。

Layerscape LS1028Aは通常、Open Industrial Linux（OpenIL）などのリアルタイムOS、または別の高レベルオペレーティングシステムを実行します。 i.MX 8M Plusは、まもなくOpenILのサポートも受けます。 NXPは、TSNのオープンソースサポートと、TSNを構成するためのツールも提供します。 OpenILの場合、NXPはPTPのオープンソースドライバーサポートを提供します。これらのドライバーを使用すると、ユーザーはPTPハードウェアのクロックとタイムスタンプを制御できます。 NXPのソフトウェア製品に加えて、エンジニアは、すぐに利用できるさまざまな商用ソフトウェアスタックから選択することもできます。

今日のTSN対応デバイス

NXP製品ポートフォリオは、産業環境での時間に敏感なネットワーキングのハードウェアサポートを提供するいくつかのデバイスを提供します。いくつかの例は、Layerscape LS1028A、i.MX RT1170クロスオーバーMCU、およびi.MX 8MPlusです。これらのデバイスにより、組み込みシステムエンジニアは、高い処理能力と、要求の厳しいタスクに対応できる広範な周辺機器、セキュリティ機能、およびコプロセッサを組み合わせることで、将来の産業用機器を設計できます。

LS1028Aは、2つのCortexA72プロセッシングコアをベースにした定評のあるアプリケーションプロセッサです。これは主に自動車および産業市場を対象としており、4つのイーサネットポートを介してさまざまなTSN機能をサポートする統合ネットワークスイッチが付属しています。 LS1028Aは、豊富な周辺機器セット（CAN-FDインターフェイスなど）、さまざまなオンチップコプロセッサー、専用のGPUおよびLCDコントローラー、および多数のセキュリティ機能も提供します。対象となるアプリケーションには、ネットワーク機器、産業用HID、ロボット工学などがあります。

図2。 LS1028Aのブロック図。画像ソース：NXP製品のWebサイト

MCUのi.MXRT1170ファミリは、2つのプロセッシングコアを利用します。最大1GHzで動作するARM®Cortex®-M7コアと、最大400 MHzでクロックされる2番目の専用Cortex®-M4プロセッサにより、これらのデバイスは、現在市場で入手可能な最速のマイクロコントローラーの1つになっています。そのパフォーマンスと周辺機器および機能の豊富なポートフォリオにより、i.MXRT1170ファミリのMCUは幅広いアプリケーションに理想的な選択肢となっています。デバイスは、最大2メガバイトのSRAMと最大3つのイーサネットインターフェイスをサポートします。

i.MX RT1170クロスオーバーMCUは、最新のセキュリティおよび暗号化機能のセットも提供します。 HMIアプリケーションの場合、デバイスには専用の2DGPUと2Dアクセラレータおよびディスプレイインターフェイスが含まれます。 i.MX RT1170は、低電力および低リークのアプリケーション向けに最適化されており、効率的、高速、小型、および費用効果の高い設計を可能にします。

図3。 i.MXRT1170のブロック図。画像ソース：NXP製品のWebサイト

i.MX 8Mファミリには、特定のアプリケーションのニーズを満たすために特定の市場を対象とするさまざまなアプリケーションプロセッサが含まれています。 i.MX 8M Plusは、このファミリの最新モデルであり、マシンビジョンアプリケーション専用のハードウェア、より高速なAI推論のための2.3 TOPSを備えたNPUユニット、改良されたLVDS、TSNをサポートするCANリアルタイムネットワーキング、および2D / 3Dを備えています。グラフィックアクセラレータ。

さらに、i.MX 8M Plusは現在、複数のCAN-FDインターフェイスを提供するi.MX8Mファミリの唯一のデバイスです。また、信頼性の高い産業用アプリケーション向けのインラインECCなどの信頼性機能も備えています。

図4。 i.MX 8MPlusのブロック図。画像ソース：NXP製品のWebサイト

Layerscape LS1028A、i.MX RT1170、およびi.MX 8M Plusは、15年間のNXP寿命プログラムの一部であり、製品の発売から少なくとも15年間、特に特に、コンポーネントが販売可能になることを保証します。長い有効化または認定フェーズを経る必要がある設計者に役立ちます。

TSNベースソリューションの例

この例では、各コンポーネントは、ネットワーク上で実行されているトラフィックに関係なく、高レベルの同期と保証された遅延を維持するために、上記のさまざまなTSN標準を活用して相互に通信します。

i.MX 8M Plusは画像認識に使用され、ISPと組み込みニューラルプロセッシングユニット（NPU）を利用して最適化された操作を行い、製造ラインのリアルタイム操作をサポートします。

i.MX RT1170は、i.MX8M Plusによって駆動される分析に従って、仮想コンベヤーベルトから製品を取り出すようにロボットアームをガイドするために使用されます。

その間に、Layerscape LS1028はTSNネットワークを実行し、他の2つのデバイス間および他の潜在的なノードにフレームを中継します。 TSNは、データがi.MX 8MPlusからi.MXRT1170に確実に配信されるようにするために使用されます。

この例では、あらゆるフィールド実装に存在するベストエフォートトラフィックをシミュレートするために、ラップトップも接続されています

このデモの詳細については、以下のリンクを確認してください：

NXPのi.MX8MPlusを使用した機械学習とTSN

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