【成果推介】NCUC实时以太网现场总线技术

· 问题1：传统现场总线技术带宽不足、抗干扰能力差

随着制造业的智能化发展、总线节点数量的倍增，传统现场总线技术（CAN、Profibus等）已无法满足海量数据的传输需求；同时传统现场总线技术多采用铜线作为信息传输的物理介质，在面临极端环境或强电磁干扰的场景下难以保证信号质量。

· 问题2：传统以太网技术的实时性问题

以太网技术的大带宽特性虽然能满足智能制造大数据量的传输需要，但是传统以太网技术采用的是冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD）机制来解决通讯介质层的接入，这将会引入极大的通信不确定性，从而导致传统以太网无法在工控等实时性要求极高的场景下使用，因此必须对传统以太网技术进行相关实时化改进。

· 问题3：视频、音频等大码流数据实时传输问题

对传统以太网的链路层、传输层以及应用层进行实时化协议改进后的技术被称为实时以太网技术（RTE），目前被广泛应用于工控领域的RTE大多为基于百兆以太网物理层的百兆RTE技术。随着视觉识别、点云处理以及噪声分析等新兴技术在工控上的应用，百兆RTE难以满足这些高码率的数据传输要求，更难以保证这类数据的传输实时性。

· 问题4：实时以太网时钟同步问题

对于采用多节点分布式本地时钟的实时以太网而言，从站通信节点的硬件晶振存在着频率和相位上的差异，从而导致各节点的本地时钟（Local Clock）必将存在着误差（同步误差），而本地时钟的同步误差将直接导致制造系统多轴协同控制的偏差。

· 问题5：实时以太网技术的国产化问题

目前市面上较为成熟并形成标准的百兆实时以太网技术主要还是EtherCAT（德国Beckhoff公司）、Profinet（德国Siemens公司）、Sercos Ⅲ（德国Rexroth公司）等。虽然由浙大中控等推出的国产EPA实时以太网协议已成为国际标准，但是其基于传输层和应用层调度机制保证的通信实时性难以与基于链路层实时机制的EtherCAT相媲美。

针对上述痛点问题，NCUC实时以太网现场总线技术采用了以下手段来进行解决：

1）传统现场总线技术带宽不足的解决方案

NCUC实时以太网现场总线技术支持100M/1000M标准以太网物理层的通信方式，每条NCUC数据帧可以容纳最大1500字节的数据传输，并且有着特殊的Mapping（映射）访问机制，可以实现一条NCUC报文完成多个从站节点内存地址的读写数据交换，较大幅度提升带宽利用率。

图1 Mapping映射访问机制

2）传统现场总线技术抗干扰能力差的解决方案

NCUC实时以太网现场总线技术可以根据所采用物理层PHY芯片的不同进行修改，因此NCUC可以采用光纤通信的方式来增强通信网络的抗干扰能力。

图2 使用光纤通信的NCUC从站

3）传统以太网技术的实时性问题的解决方案

NCUC对数据链路层进行了实时化协议修改，尽可能的消除链路层数据缓存对实时性产生的影响，并且采用飞读飞写机制更大程度保证通信的实时性。

图3 NCUC飞读飞写机制

4）视频、音频等大码流数据实时传输问题的解决方案

NCUC在1000M带宽的传输基础上具有独特的FIFO数据通道，通过FIFO通道字长动态调整的方式实现视频、音频等数据流的实时传输。

图4 NCUC FIFO通道数据处理

5）实时以太网技术时钟同步问题的解决方案

NCUC采用分布式时钟架构，利用点对点透明时钟机制对相位偏差进行测量，并设计了物理传输延迟自动计算方案。与此同时NCUC IP核中搭载了时钟伺服算法，经过相关测试，NCUC从站节点间的Sync信号peak to peak jitter（峰到峰抖动）能稳定在±20ns左右，有着优秀的时钟同步性能。

图5 NCUC物理延迟计算方案

相关技术指标及其对比如下表：

表1 技术指标对比

· 技术优势

除上文所述NCUC时钟同步精度可达±20ns以内、支持千兆以太网物理层、支持多种物理层传输介质以及强实时性之外，NCUC还支持线形拓扑、环形拓扑、混合型拓扑等多种通信拓扑结构。

图6 NCUC通信拓扑结构

在环形拓扑结构下，NCUC具备断线检测机制，并且能在发生断线的时刻自动的进行通信拓扑结构的重构。

图7 NCUC拓扑重构原理

·市场优势

① NCUC相比于EtherCAT、Profinet等实时以太网技术，NCUC更加的自主可控，在国际形式严峻的当下NCUC与相同技术产品相比更加的安全和稳定；

② NCUC技术目前已进入到芯片物理设计和流片阶段，NCUC产品最终将以ASIC芯片的形式进行推广应用，相比于其他提供模块化从站节点、FPGA IP核解决方案的实时以太网技术而言，NCUC的ASIC芯片应用代价更低。

NCUC荣获湖北省技术发明奖一等奖

图8 湖北省技术发明奖一等奖

形成NCUC总线国家标准5项

图9 NCUC的5项国家标准

可量产。

市场前景：

1.智能制造领域：根据MIR睿工业统计，截至2021年中国总线型运动控制器市场规模超过60亿，占总体运动控制器市场比例超过七成。其中EtherCAT总线型运动控制器市场规模超过40亿，占总线型运动控制器市场的比例超过六成。相比于EtherCAT技术而言，NCUC技术的大带宽优势为智能制造中的大数据量传输提供了更好的媒介，精确的时钟同步技术为多轴协同加工达到高速高精打下了夯实的基础。目前虽然EtherCAT的应用更为广泛，但随着技术国产化的不断推进NCUC有着比EtherCAT更大应用潜力。倘若利用NCUC实时以太网独特的技术创新，利用4年时间，完成产品生态链建设，成功实现国产化替代，哪怕只能夺下其1%的市场，年收入也能达到4000万元。

2.自动化领域：自动化领域中，一些场景会应用到大量的从站节点个数，但传统的CAN、Profibus等不具备大负载的承受能力（一般极限在100个左右）。NCUC采用16bit位宽的站地址和顺序寻址，从理论上能挂载65535个从站节点，完全能满足自动化领域的使用需求。

3.车载通信领域：在车载应用方面，随着电子电器架构逐渐从域集中向区域集中，甚至向中央控制集中；智能驾驶的跨域协同控制；轮边电机或轮毂电机的分布式精确控制，车内通信对于高速实时总线的需求和依赖将愈益强烈；激光雷达和视觉识别在车上的应用带来了大量的点云数据集和视频流数据的传输需求；NCUC技术1000M带宽的物理传输特点以及FIFO通道数据交换功能为此类数据的实时性传输提供了良好的解决方案。根据前瞻经济学人及其援引的iResearch、工信部数据，2026年，我国智能网联汽车市场规模有望达到6千亿元，其中中高端车型将达到100万辆。若我们能将NCUC2.0推广到10%的中高端车型应用，每辆车平均用到10个总线芯片（预计20元/片），年产值有望达到2000万元。

应用案例：

图10 数控系统上的应用

图11 NCUC车载应用

发展规划：

NCUC实时以太网现场总线技术的应用推广以及技术研发规划如下图所示。

图12 NCUC实时以太网现场总线技术发展规划图

知识产权：

该成果已申请/授权多项中国发明专利。

合作方式：