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以太网控制器是什么,西门子profinet通讯是什么协议(STM32单片机基础知识)

来自网友在路上 11278127提问 提问时间:2023-10-31 13:36:05阅读次数: 127

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1、以太网控制器是什么:STM32单片机基础知识

STMicroelectronics的STM32系列是一系列广受欢迎的32位ARM Cortex-M微控制器(MCU)。这些单片机被广泛应用于嵌入式系统,因为它们具有高性能、低功耗、丰富的外设和丰富的开发工具生态系统。

1、处理器核心

STM32系列单片机采用不同版本的ARM Cortex-M处理器核心,可根据应用的性能和功耗需求进行选择。从低功耗的Cortex-M0到高性能的Cortex-M7,这些核心提供了广泛的选择,适用于各种嵌入式应用。选型时需要考虑处理器性能、成本、功耗以及应用的实际需求。

Cortex-M0

特点:Cortex-M0是Cortex-M系列中的低功耗、低成本核心,适用于对功耗有严格要求的应用。它是一种精简指令集(RISC)架构,具有简化的指令集和低延迟的操作。性能:Cortex-M0通常具有较低的时钟速度,适用于低复杂度的嵌入式系统。应用:它常用于传感器、小型家电、智能卡和其他低功耗、成本敏感的应用。

Cortex-M0+

特点:Cortex-M0+是Cortex-M系列中的改进型号,继承了Cortex-M0的低功耗特性,并增加了一些性能和功能。它具有更高的性能和更多的指令,可提供更好的性价比。性能:Cortex-M0+通常比Cortex-M0具有更高的时钟速度,同时保持低功耗,适用于中等复杂度的应用。应用:它常用于物联网设备、便携式医疗设备、智能传感器等。

Cortex-M3

特点:Cortex-M3是Cortex-M系列中的通用用途核心,适用于广泛的应用领域。它具有较高的性能和更多的功能,适合中等和高复杂度的嵌入式系统。性能:Cortex-M3通常具有更高的时钟速度和更大的指令集,支持多线程处理,适用于实时操作系统(RTOS)。应用:它广泛用于工业自动化、消费电子、汽车电子等多个领域,要求高性能和实时性。

Cortex-M4

特点:Cortex-M4是Cortex-M系列中的高性能型号,具有浮点运算单元(FPU),能够进行单精度浮点数运算。这使其非常适合需要数字信号处理(DSP)或复杂算法的应用。性能:Cortex-M4通常具有更高的时钟速度和FPU,可加速浮点运算,适用于高性能嵌入式系统。应用:它常用于音频处理、图像处理、控制系统和任何需要高性能浮点运算的应用。

Cortex-M7

特点:Cortex-M7是Cortex-M系列中的最高性能型号,具有双精度浮点运算单元(FPU)和更高级别的性能。它适用于要求最高性能、高级图形处理和复杂计算的应用。性能:Cortex-M7通常具有更高的时钟速度、更大的缓存和FPU,适用于高性能、实时性要求极高的应用。应用:它广泛应用于高级图形界面、汽车信息娱乐系统、高性能工控系统等需要高性能嵌入式计算的领域。

2、外设和功能

STM32系列微控制器(MCU)的外设和功能非常丰富,允许开发人员在各种嵌入式应用中实现各种功能。这些外设和功能使STM32 MCU成为一个强大的嵌入式系统平台,适用于广泛的应用领域。开发人员可以根据项目需求选择适当的外设来实现所需的功能。同时,STM32系列提供了丰富的开发工具和生态系统支持,简化了应用程序的开发和调试过程。

通用输入/输出(GPIO)

特点:GPIO引脚可以配置为输入或输出,用于连接和控制外部设备。应用:用于连接传感器、LED、按钮和其他外部设备,实现输入和输出控制。

定时器

特点:STM32单片机通常配备了多个定时器,包括通用定时器、高级定时器和基本定时器。这些定时器可用于生成定时、测量脉冲宽度、PWM控制等。应用:用于控制电机速度、测量时间间隔、产生PWM信号等。

串行通信接口(UART、SPI、I2C)

特点:这些接口允许STM32单片机与其他设备进行串行通信。应用:UART用于串行异步通信,SPI用于高速串行同步通信,I2C用于多设备通信,常用于传感器、显示器和外围设备。

模数转换器(ADC)

特点:ADC允许将模拟信号转换为数字值,用于测量传感器数据等。应用:用于测量温度、湿度、光线等模拟信号,广泛应用于传感器接口。

PWM控制器

特点:PWM(脉冲宽度调制)控制器用于生成PWM信号,可用于控制电机速度、LED亮度等。应用:用于电机控制、LED灯控制、音频处理等。

以太网控制器

特点:一些STM32型号配备了以太网控制器,用于支持以太网连接和通信。应用:用于网络连接的应用,如工业自动化和物联网设备。

USB控制器

特点:USB控制器用于支持USB设备或主机功能,可用于连接到计算机或其他USB设备。应用:用于USB打印机、USB存储设备、USB通信设备等。

CAN控制器

特点:CAN(控制器区域网络)控制器支持CAN通信协议,通常用于高可靠性的工业通信。应用:用于工业控制、汽车电子和机器人等领域。

加速度计和陀螺仪接口

特点:一些STM32型号提供专用接口,用于连接加速度计和陀螺仪传感器。应用:用于姿态控制、导航和运动检测。

3、内存

STM32内存系统是一个关键的组成部分,用于存储程序代码、数据和临时变量。闪存用于存储应用程序代码和固件,而RAM用于存储应用程序运行时的数据。内存保护单元和高速缓存等功能可以增加系统的安全性和性能。开发人员在选择STM32型号时需要考虑内存容量、类型以及应用程序的需求,以确保满足项目的存储需求。

闪存(Flash)

特点:闪存是STM32单片机中存储程序代码和固件的主要内存。它是非易失性存储器,意味着数据在断电后不会丢失。应用:闪存用于存储应用程序代码、固件更新和启动引导程序。通常,STM32单片机的闪存可分为两个部分:主闪存:用于存储主要的应用程序代码,通常容量较大。系统闪存:用于存储引导程序、系统配置和参数,通常容量较小。

随机存储器(RAM)

特点:RAM用于存储数据、堆栈和临时变量。与闪存不同,RAM是易失性存储器,断电后数据将丢失。应用:RAM用于存储应用程序运行时的数据,包括变量、堆栈和堆内存。通常,STM32单片机包括以下几种类型的RAM:系统RAM:用于存储操作系统(如果有的话)和系统数据结构。数据RAM:用于存储应用程序数据,通常包括静态数据区、堆栈和堆内存。Cortex-M核心内部RAM:Cortex-M核心通常包括一些内部RAM,用于保存寄存器和执行指令。

高速缓存

特点:某些STM32型号配备了高速缓存,用于加速CPU对存储器的访问。应用:高速缓存有助于提高程序执行速度,尤其是对于频繁访问的代码和数据。

外部存储器接口

特点:一些STM32型号具有外部存储器接口,支持连接外部存储器,如SD卡、NOR Flash和NAND Flash。应用:外部存储器接口用于扩展系统的存储容量,适用于数据记录、大容量存储和固件更新等应用。

4、低功耗特性

STM32 MCU的低功耗特性使其适用于需要长时间运行、电池供电或对功耗敏感的应用。通过使用低功耗模式、动态电压调整和低功耗外设管理等功能,开发人员可以在保持性能的同时最大程度地减少功耗,延长设备的电池寿命或降低电能消耗。这些功能使STM32 MCU成为各种便携式和无线嵌入式应用的理想选择。

低功耗模式

特点:STM32 MCU支持多种低功耗模式,允许将MCU置于休眠状态以最小化功耗。这些模式包括待机模式、睡眠模式、停机模式等。应用:这些模式适用于需要在不工作时降低功耗的情况,如在传感器节点、移动设备和电池供电的设备中。

动态电压调整

特点:一些STM32型号支持动态电压调整(Dynamic Voltage Scaling,DVS),可以根据负载需求动态调整工作电压,以进一步降低功耗。应用:这对于需要根据负载动态调整性能和功耗的应用非常有用,例如嵌入式系统中的功耗优化。

低功耗外设

特点:STM32 MCU的外设可以配置为低功耗模式,以降低外设的功耗。应用:在不需要外设时,将它们置于低功耗模式可以降低整个系统的功耗,特别是在电池供电的情况下。

RTC(实时时钟)

特点:STM32 MCU通常配备了RTC模块,可以在休眠模式下维持实时时钟,以便系统在唤醒时知道时间。应用:RTC在需要记录时间戳或需要按时间触发操作的应用中非常有用。

低功耗外设唤醒

特点:STM32 MCU允许特定外设在低功耗模式下唤醒MCU,而不需要整个系统唤醒。应用:这对于需要在特定事件发生时迅速响应的应用非常有用,同时仍然维持低功耗。

备用电源域

特点:一些STM32型号具有备用电源域,允许将部分系统保持活动状态,而其他部分进入低功耗模式。应用:这在需要在一部分系统休眠的同时保持某些功能(如实时时钟或通信模块)处于活动状态的应用中非常有用。

电池供电优化

特点:STM32 MCU具有电池供电优化功能,可最大程度地延长电池寿命。应用:这对于依赖于电池供电的设备,如无线传感器节点、可穿戴设备和便携式医疗设备非常重要。

5、安全性

安全性特性使STM32 MCU适用于安全关键型应用,如支付终端、工业控制系统、智能卡、物联网设备和通信设备。开发人员可以根据应用的需求选择适当的安全性特性,以确保系统的数据和操作不受未经授权的访问和攻击。

硬件加密引擎

特点:一些STM32型号配备了硬件加密引擎,支持常见的加密算法,如AES(高级加密标准)和DES(数据加密标准)。应用:硬件加密引擎可用于数据保护,例如在存储器中加密存储数据,或在通信中对数据进行加密和解密。

安全引导

特点:STM32 MCU支持安全引导功能,确保只有经过授权的固件可以启动。应用:安全引导用于防止未经授权的固件更新和恶意固件的加载,从而提高系统的可信度。

存储器保护单元(MPU)

特点:MPU允许对内存区域进行访问权限和保护配置,以防止未经授权的访问。应用:MPU用于隔离关键代码和数据,提高系统的安全性,特别是在多任务和多应用程序环境中。

安全密钥存储

特点:STM32 MCU支持将加密密钥存储在安全的非易失性存储器中,以防止泄漏。应用:安全密钥存储用于存储用于数据加密和身份验证的关键密钥,以防止恶意访问。

随机数生成器

特点:STM32 MCU配备了硬件随机数生成器,可生成真正的随机数。应用:随机数生成器用于生成安全密钥和初始化向量,以提高加密的安全性。

电源攻击检测

特点:一些STM32型号具有电源攻击检测功能,可以检测到供电电压的异常情况,如欠压或过压。应用:电源攻击检测用于检测并应对供电电压异常,以防止物理攻击。

CRC检验

特点:STM32 MCU支持硬件CRC(循环冗余校验)计算,用于检测数据完整性。应用:CRC检验可用于验证存储的数据是否受到篡改。

实时时钟(RTC)安全性

特点:RTC模块通常支持硬件防护,可防止未经授权的修改。应用:RTC安全性功能用于保护实时时钟,防止对时间戳和计时器的篡改。

安全调试和调试锁定

特点:STM32 MCU支持调试锁定,以防止未经授权的调试访问。应用:安全调试和调试锁定用于保护固件免受非法调试和逆向工程。

6、开发工具

STM32开发工具生态系统提供了全面的工具和资源,使开发人员能够轻松开发、调试和部署STM32单片机应用程序。无论是初学者还是经验丰富的嵌入式开发人员,都可以从这些工具中受益,加速项目的开发和上市时间。

STM32CubeIDE

特点:STM32CubeIDE是STMicroelectronics提供的集成开发环境,基于Eclipse开源IDE。它支持C/C++编程,具有代码编辑、编译、调试和固件生成等功能。应用:STM32CubeIDE用于开发STM32单片机的应用程序,它集成了STM32CubeMX配置工具和调试器,使开发流程更加流畅。

STM32CubeMX

特点:STM32CubeMX是一个图形化配置工具,用于STM32单片机的初始化代码生成、外设配置和引脚分配。应用:STM32CubeMX用于快速配置和初始化STM32 MCU,减少了初始化代码的编写工作,加速了开发过程。

ST-Link调试器/编程器

特点:ST-Link是STMicroelectronics提供的调试器和编程器,用于连接开发计算机和STM32单片机,支持调试、烧录和固件更新。应用:ST-Link用于开发和调试STM32应用程序,支持JTAG和SWD调试接口。

第三方工具支持

特点:STM32开发工具生态系统还支持多个第三方工具,如Keil MDK、IAR Embedded Workbench等,这些工具提供了不同的编译和调试体验,使开发人员能够根据自己的偏好选择。

HAL(硬件抽象层)库

特点:STMicroelectronics提供了HAL库,它是一种硬件抽象层,简化了对STM32外设的访问。应用:HAL库用于编写STM32应用程序,使开发人员能够轻松地访问外设和功能。

STM32Cube库

特点:STM32Cube库是一组底层驱动程序,支持STM32单片机的外设,包括通信接口、定时器、DMA等。应用:STM32Cube库可用于更底层的控制,允许开发人员进一步优化性能和功耗。

支持文档

特点:STMicroelectronics提供丰富的文档、应用笔记和参考手册,涵盖了STM32单片机的各个方面,包括硬件、软件和开发流程。应用:支持文档用于指导开发人员在不同阶段的开发过程中,提供技术参考和解决问题的方法。

STM32生态系统

特点:STM32拥有庞大的开发者社区,提供了丰富的示例代码、开发板和第三方库,加速了应用程序的开发过程。

7、通信协议

通信协议的选择取决于具体的应用需求,包括通信距离、带宽、功耗、成本和设备兼容性等因素。STM32系列MCU提供了灵活的硬件和软件支持,使开发人员能够轻松地集成和使用这些通信协议,以满足各种嵌入式系统的通信需求。

UART(通用异步收发器)

特点:UART是一种串行通信协议,使用两个引脚进行全双工通信(一个用于发送,一个用于接收)。应用:UART常用于简单的点对点通信,如与传感器、蓝牙模块和GPS接收器的通信。

SPI(串行外围接口)

特点:SPI是一种高速的串行通信协议,通常使用四个线路(时钟、数据输入、数据输出和片选)。应用:SPI广泛用于与外部设备进行高速数据传输,如存储器芯片、显示屏和传感器。

I2C(Inter-Integrated Circuit)

特点:I2C是一种多主机、多从机串行通信协议,通常使用两个线路(数据线和时钟线)。应用:I2C用于连接多个从机设备,如温度传感器、EEPROM和实时时钟。

CAN(Controller Area Network)

特点:CAN是一种高度可靠的多主机串行通信协议,常用于工业控制和汽车电子领域。应用:CAN用于实时控制系统,如发动机控制、车辆网络通信和工业自动化。

USB(通用串行总线)

特点:USB是一种高速、双向通信协议,通常用于连接计算机和外部设备。应用:USB用于连接外部存储设备、打印机、键盘、鼠标和各种USB外围设备。

Ethernet(以太网)

特点:以太网是一种网络通信协议,用于连接到局域网(LAN)和互联网。应用:以太网用于工业控制系统、物联网设备、网络摄像机和智能家居设备。

CAN FD(Controller Area Network Flexible Data-Rate)

特点:CAN FD是CAN协议的增强版,支持更高的数据传输速率和灵活的数据帧长度。应用:CAN FD广泛用于汽车电子、工业通信和其他需要高带宽数据传输的应用。

LoRa(长距离射频通信)

特点:LoRa是一种低功耗、长距离射频通信协议,适用于物联网和远程传感器应用。应用:LoRa用于远程监测、农业传感器、智能城市和环境监测等领域。

BLE(低功耗蓝牙)

特点:BLE是一种低功耗蓝牙通信协议,通常用于连接低功耗设备到移动设备。应用:BLE用于智能手表、健康追踪器、智能家居和可穿戴设备。

8、生态系统

STM32生态系统提供了全面的资源,帮助开发人员充分利用STM32 MCU的性能和功能。这个生态系统为各种应用提供了灵活性和可扩展性,从嵌入式控制器到物联网设备和工业自动化应用,都可以受益于STM32生态系统的支持。

STM32开发板

特点:STMicroelectronics和其合作伙伴提供了多种STM32开发板,包括Discovery系列、Nucleo系列和Eval系列,这些开发板包含了不同型号的STM32 MCU,用于快速原型设计和开发。应用:开发板是学习、原型设计和验证新想法的理想选择,也是许多STM32项目的起点。

开发工具

特点:STM32生态系统支持多种开发工具,包括STM32CubeIDE、STM32CubeMX、Keil MDK、IAR Embedded Workbench等,这些工具提供了集成的开发环境、编译器和调试器。应用:开发工具使开发人员能够编写、编译、调试和部署STM32应用程序,提高了开发效率。

STM32Cube软件

特点:STM32Cube是STMicroelectronics提供的一套软件工具,包括STM32CubeMX(配置工具)和STM32CubeHAL(硬件抽象层),用于快速初始化STM32 MCU和访问外设。应用:STM32Cube工具使开发人员能够轻松配置外设、生成初始化代码和快速开始应用程序开发。

STM32 HAL库和中间件

特点:STM32 HAL库(硬件抽象层)提供了对STM32外设的底层驱动程序,中间件包括FreeRTOS(实时操作系统)和LwIP(轻量级IP协议栈)等。应用:这些库和中间件加速了应用程序的开发,提供了现成的驱动程序和功能,包括多任务管理和网络通信。

STM32生态系统社区

特点:STM32有一个庞大的全球社区,包括开发人员、爱好者和工程师,他们在各种论坛、社交媒体和网站上分享经验、示例代码和解决方案。应用:社区资源有助于解决问题、获取技术支持、学习新技能,并与其他STM32开发者互动。

支持文档和教育资源

特点:STMicroelectronics提供了大量的文档、应用笔记、教程和视频教程,用于指导开发人员使用STM32 MCU和相关工具。应用:这些资源有助于开发人员学习如何使用STM32,并提供了解决问题的方法和最佳实践。

生态系统合作伙伴

特点:STMicroelectronics合作伙伴提供了各种STM32相关硬件和软件解决方案,包括传感器、通信模块、显示器、开发板扩展模块等。应用:生态系统合作伙伴的产品和服务扩展了STM32的功能,加速了项目的上市时间。

9、应用领域

STM32 MCU的灵活性和广泛的生态系统支持使它们适用于各种不同的应用领域。开发人员可以选择适合其需求的STM32型号,并利用丰富的资源和工具来加速应用程序的开发和部署。无论是工业控制、物联网、汽车电子还是医疗设备,STM32都为各种应用提供了可靠的嵌入式解决方案。

工业自动化

特点:STM32 MCU在工业自动化中用于控制、监视和数据采集任务,具有快速的响应时间和可靠性。应用:用于PLC(可编程逻辑控制器)、工业通信、机器人控制、传感器数据采集和监控系统。

汽车电子

特点:STM32 MCU在汽车电子中广泛用于发动机控制、驾驶辅助系统、娱乐和信息娱乐系统等。应用:用于发动机管理、车辆网络通信、ADAS(高级驾驶辅助系统)和车内娱乐系统。

物联网(IoT)

特点:STM32 MCU适用于低功耗、小型设备,用于连接、传输和处理传感器数据。应用:用于智能家居、智能城市、远程监测、农业自动化和工业物联网应用。

医疗设备

特点:STM32 MCU在医疗设备中提供高精度的控制和数据处理能力,同时保持低功耗。应用:用于呼吸机、血糖监测仪、医学成像设备和健康追踪器。

消费电子

特点:STM32 MCU用于嵌入式消费电子设备,如智能手机、平板电脑、音频设备和游戏控制器。应用:用于控制和处理各种消费电子设备的功能,提供良好的用户体验。

通信

特点:STM32 MCU在通信领域用于网络设备、无线通信和卫星通信系统。应用:用于网络路由器、交换机、基站控制器、射频前端和通信卫星。

能源管理

特点:STM32 MCU用于电力系统监控、智能电网、太阳能逆变器和电池管理系统。应用:用于实时监测电力系统、优化能源使用和提高能源效率。

航空航天

特点:STM32 MCU在航空航天领域用于飞行控制、导航、通信和数据采集。应用:用于飞行控制系统、卫星导航、通信系统和数据记录器。

教育

特点:STM32 MCU用于嵌入式系统教育和培训,为学生提供了学习嵌入式编程的机会。应用:用于教育机构、培训中心和DIY电子爱好者的项目。

总之,STM32单片机是一系列功能强大、灵活多样的32位MCU,适用于广泛的嵌入式应用,具备丰富的外设、低功耗、安全性和强大的开发工具支持。开发人员可以根据具体需求选择适合的STM32型号来设计和构建各种嵌入式系统。

2、以太网控制器是什么,西门子profinet通讯是什么协议

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写在前面

大家好,我是Alic,号主小智损友一枚~

前面我们整体解读了工业现场总线、工业以太网和工业无线:

最详细的工业网络通讯技术与协议总结解读(现场总线、工业以太网、工业无线)

也解读了PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT等7种主流工业以太网:

技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网

今天我们详细来聊一聊PROFINET的三种通信模式~

众所周知,工业网络技术正从传统的现场总线向工业以太网方向发展,工业以太网在工业网络中的占比也在逐年增高,西门子作为全球顶级自动化大厂,其主导的PROFINET在工业领域占有极高的市场份额(见下图),今天我们主要来聊一聊其中的PROFINET~

以太网控制器是什么,西门子profinet通讯是什么协议(STM32单片机基础知识)

来源:工业通信报告

前面我们在介绍PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE等7大工业以太网的时候,介绍过如今的工业以太网分为三类:

1.完全基于TCP\UDP\IP,Process Data通过TCP/IP传输,硬件层未更改,采用传统以太网控制器;

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典型的有EtherNet/IP、Modbus、PROFINET NRT

2.部分基于TCP\UDP\IP,硬件层未更改,具有Process Data协议,直接由以太网帧进行传输,TCP/UDP依然存在,不过由Timing Layer控制;

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典型的有PROFINET RT和POWERLINK

3.硬件层更改,使用实时以太网控制器

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典型的有CC-Link IE、SERCOS III、ETHERCAT和PROFINET IRT

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从工业以太网的三大类当中,可以看出PROFINET在每一种类型中都有自己的位置,也就决定了PROFINET的三种通信模式(如上图所示):

1.PROFINET标准通信基于工业以太网技术,使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT 领域关于通讯协议方面事实上的标准,尽管其响应时间大概在100 ms的量级,对于工厂控制级的应用来说,这个响应时间就足够了。

2.PROFINET RT:对于传感器(远程IO设备)和执行器设备之间的数据交换,系统对响应时间的要求更为严格,大概需要1-10ms的响应时间。

3.PROFINET IRT:在现场级通讯中,对通讯实时性要求最高的是运动控制(MotionControl),PROFINET的同步实时(IsochronousReal-Time, IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需求,在100个节点下,其响应时间要小于1ms,抖动误差要小于1μs。

从通信的角度去思考,一般来说,通信的层级越多,意味着处理时间越长,数据在发送和接收的过程中在不同的层级不断的需要封装和解封装(如下图所示):

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前面我们在介绍基本以太网知识的时候,有仔细介绍过OSI的七层协议:

必备的工业以太网的基础知识

下图就很好的解释了PROFINET的三种通信模式,当然,值得注意的是,随着TSN技术的不断普及,PROFINET规范V2.4版本中,最大亮点是实现了将TSN作为第二层的技术集成到PROFINET架构中~

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时间敏感网络(TSN-time sensetive networking)就是为了满足工业实时通讯而生的一套协议标准。作为IEEE802.1工作组中的一套协议标准,定义了以太网数据传输的时间敏感机制,确保了以太网能为关键数据的传输提供稳定保障又一致的服务级别。

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“TSN包含多个独立的标准,这些标准只属于OSI通信的第二层。”

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除了PROFINET之外,其它各大工业以太网也逐步的增加了对TSN的支持,前面我们就聊到过:

从以太网到TSN,7大工业以太网、OPC UA的工业实时通信

为什么一定要了解OPC UA TSN——未来的工业通信标准

总之,在工业互联网时代,网络体系作为工业互联网的三大体系之一,工业网络的发展必然也会发生翻天覆地的变化,究竟各大工业以太网和OPC UA谁能笑到最后,我们拭目以待~

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