· 問題1：傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)帶寬不足、抗干擾能力差

隨著制造業(yè)的智能化發(fā)展、總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量的倍增，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)（CAN、Profibus等）已無法滿足海量數(shù)據(jù)的傳輸需求；同時(shí)傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)多采用銅線作為信息傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，在面臨極端環(huán)境或強(qiáng)電磁干擾的場景下難以保證信號(hào)質(zhì)量。

· 問題2：傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性問題

以太網(wǎng)技術(shù)的大帶寬特性雖然能滿足智能制造大數(shù)據(jù)量的傳輸需要，但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)采用的是沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問（CSMA/CD）機(jī)制來解決通訊介質(zhì)層的接入，這將會(huì)引入極大的通信不確定性，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法在工控等實(shí)時(shí)性要求極高的場景下使用，因此必須對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)時(shí)化改進(jìn)。

· 問題3：視頻、音頻等大碼流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問題

對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的鏈路層、傳輸層以及應(yīng)用層進(jìn)行實(shí)時(shí)化協(xié)議改進(jìn)后的技術(shù)被稱為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)（RTE），目前被廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域的RTE大多為基于百兆以太網(wǎng)物理層的百兆R(shí)TE技術(shù)。隨著視覺識(shí)別、點(diǎn)云處理以及噪聲分析等新興技術(shù)在工控上的應(yīng)用，百兆R(shí)TE難以滿足這些高碼率的數(shù)據(jù)傳輸要求，更難以保證這類數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)性。

· 問題4：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)鐘同步問題

對(duì)于采用多節(jié)點(diǎn)分布式本地時(shí)鐘的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)而言，從站通信節(jié)點(diǎn)的硬件晶振存在著頻率和相位上的差異，從而導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘（Local Clock）必將存在著誤差（同步誤差），而本地時(shí)鐘的同步誤差將直接導(dǎo)致制造系統(tǒng)多軸協(xié)同控制的偏差。

· 問題5：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的國產(chǎn)化問題

目前市面上較為成熟并形成標(biāo)準(zhǔn)的百兆實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)主要還是EtherCAT（德國Beckhoff公司）、Profinet（德國Siemens公司）、Sercos Ⅲ（德國Rexroth公司）等。雖然由浙大中控等推出的國產(chǎn)EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，但是其基于傳輸層和應(yīng)用層調(diào)度機(jī)制保證的通信實(shí)時(shí)性難以與基于鏈路層實(shí)時(shí)機(jī)制的EtherCAT相媲美。

針對(duì)上述痛點(diǎn)問題，NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)采用了以下手段來進(jìn)行解決：

1）傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)帶寬不足的解決方案

NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)支持100M/1000M標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層的通信方式，每條NCUC數(shù)據(jù)幀可以容納最大1500字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸，并且有著特殊的Mapping（映射）訪問機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)一條NCUC報(bào)文完成多個(gè)從站節(jié)點(diǎn)內(nèi)存地址的讀寫數(shù)據(jù)交換，較大幅度提升帶寬利用率。

圖1 Mapping映射訪問機(jī)制

2）傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)抗干擾能力差的解決方案

NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)可以根據(jù)所采用物理層PHY芯片的不同進(jìn)行修改，因此NCUC可以采用光纖通信的方式來增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

圖2 使用光纖通信的NCUC從站

3）傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性問題的解決方案

NCUC對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了實(shí)時(shí)化協(xié)議修改，盡可能的消除鏈路層數(shù)據(jù)緩存對(duì)實(shí)時(shí)性產(chǎn)生的影響，并且采用飛讀飛寫機(jī)制更大程度保證通信的實(shí)時(shí)性。

圖3 NCUC飛讀飛寫機(jī)制

4）視頻、音頻等大碼流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問題的解決方案

NCUC在1000M帶寬的傳輸基礎(chǔ)上具有獨(dú)特的FIFO數(shù)據(jù)通道，通過FIFO通道字長動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)視頻、音頻等數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)傳輸。

圖4 NCUC FIFO通道數(shù)據(jù)處理

5）實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)時(shí)鐘同步問題的解決方案

NCUC采用分布式時(shí)鐘架構(gòu)，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘機(jī)制對(duì)相位偏差進(jìn)行測量，并設(shè)計(jì)了物理傳輸延遲自動(dòng)計(jì)算方案。與此同時(shí)NCUC IP核中搭載了時(shí)鐘伺服算法，經(jīng)過相關(guān)測試，NCUC從站節(jié)點(diǎn)間的Sync信號(hào)peak to peak jitter（峰到峰抖動(dòng)）能穩(wěn)定在±20ns左右，有著優(yōu)秀的時(shí)鐘同步性能。

圖5 NCUC物理延遲計(jì)算方案

相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及其對(duì)比如下表：

表1 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

· 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

除上文所述NCUC時(shí)鐘同步精度可達(dá)±20ns以內(nèi)、支持千兆以太網(wǎng)物理層、支持多種物理層傳輸介質(zhì)以及強(qiáng)實(shí)時(shí)性之外，NCUC還支持線形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)洹⒒旌闲屯負(fù)涞?strong style="-webkit-tap-highlight-color: transparent;outline: 0px;">多種通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖6 NCUC通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，NCUC具備斷線檢測機(jī)制，并且能在發(fā)生斷線的時(shí)刻自動(dòng)的進(jìn)行通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)。

圖7 NCUC拓?fù)渲貥?gòu)原理

·市場優(yōu)勢(shì)

① NCUC相比于EtherCAT、Profinet等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，NCUC更加的自主可控，在國際形式嚴(yán)峻的當(dāng)下NCUC與相同技術(shù)產(chǎn)品相比更加的安全和穩(wěn)定；

② NCUC技術(shù)目前已進(jìn)入到芯片物理設(shè)計(jì)和流片階段，NCUC產(chǎn)品最終將以ASIC芯片的形式進(jìn)行推廣應(yīng)用，相比于其他提供模塊化從站節(jié)點(diǎn)、FPGA IP核解決方案的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)而言，NCUC的ASIC芯片應(yīng)用代價(jià)更低。

NCUC榮獲湖北省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

圖8 湖北省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

形成NCUC總線國家標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)

圖9 NCUC的5項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)

可量產(chǎn)。

市場前景：

1.智能制造領(lǐng)域：根據(jù)MIR睿工業(yè)統(tǒng)計(jì)，截至2021年中國總線型運(yùn)動(dòng)控制器市場規(guī)模超過60億，占總體運(yùn)動(dòng)控制器市場比例超過七成。其中EtherCAT總線型運(yùn)動(dòng)控制器市場規(guī)模超過40億，占總線型運(yùn)動(dòng)控制器市場的比例超過六成。相比于EtherCAT技術(shù)而言，NCUC技術(shù)的大帶寬優(yōu)勢(shì)為智能制造中的大數(shù)據(jù)量傳輸提供了更好的媒介，精確的時(shí)鐘同步技術(shù)為多軸協(xié)同加工達(dá)到高速高精打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。目前雖然EtherCAT的應(yīng)用更為廣泛，但隨著技術(shù)國產(chǎn)化的不斷推進(jìn)NCUC有著比EtherCAT更大應(yīng)用潛力。倘若利用NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新，利用4年時(shí)間，完成產(chǎn)品生態(tài)鏈建設(shè)，成功實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代，哪怕只能奪下其1%的市場，年收入也能達(dá)到4000萬元。

2.自動(dòng)化領(lǐng)域：自動(dòng)化領(lǐng)域中，一些場景會(huì)應(yīng)用到大量的從站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，但傳統(tǒng)的CAN、Profibus等不具備大負(fù)載的承受能力（一般極限在100個(gè)左右）。NCUC采用16bit位寬的站地址和順序?qū)ぶ?，從理論上能掛載65535個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，完全能滿足自動(dòng)化領(lǐng)域的使用需求。

3.車載通信領(lǐng)域：在車載應(yīng)用方面，隨著電子電器架構(gòu)逐漸從域集中向區(qū)域集中，甚至向中央控制集中；智能駕駛的跨域協(xié)同控制；輪邊電機(jī)或輪轂電機(jī)的分布式精確控制，車內(nèi)通信對(duì)于高速實(shí)時(shí)總線的需求和依賴將愈益強(qiáng)烈；激光雷達(dá)和視覺識(shí)別在車上的應(yīng)用帶來了大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集和視頻流數(shù)據(jù)的傳輸需求；NCUC技術(shù)1000M帶寬的物理傳輸特點(diǎn)以及FIFO通道數(shù)據(jù)交換功能為此類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸提供了良好的解決方案。根據(jù)前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人及其援引的iResearch、工信部數(shù)據(jù)，2026年，我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車市場規(guī)模有望達(dá)到6千億元，其中中高端車型將達(dá)到100萬輛。若我們能將NCUC2.0推廣到10%的中高端車型應(yīng)用，每輛車平均用到10個(gè)總線芯片（預(yù)計(jì)20元/片），年產(chǎn)值有望達(dá)到2000萬元。

應(yīng)用案例：

圖10 數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用

圖11 NCUC車載應(yīng)用

發(fā)展規(guī)劃：

NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用推廣以及技術(shù)研發(fā)規(guī)劃如下圖所示。

圖12 NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展規(guī)劃圖

知識(shí)產(chǎn)權(quán)：

該成果已申請(qǐng)/授權(quán)多項(xiàng)中國發(fā)明專利。

合作方式：