一家超声波焊接系统制造商面临的一个具体问题是：新版本设备的控制系统应该支持Profinet工业以太网系统。在以前的版本型号中，这一问题是通过基于STM32控制器的串行接口来设置频率、振幅和其他参数的。另一方面，产品的最终客户希望利用Profinet实现新一代工业以太网的实时通信。这里提出的要求非常明确：新接口应与现有系统架构无缝集成，尽可能避免复杂的硬件开发或者漫长的认证过程。

该项目由系统开发商Brückmann电子技术公司和Burger工程技术公司的系统工程专家负责。整个项目中最关键的工作是选择合适的通讯模块。最终，他们选择了工业通信解决方案供应商Hilscher公司出品的Netrapid 90型嵌入式模块。Netrapid 90型嵌入式模块是一块经过全面测试的、可焊接的通信模块。模块中内置的是Net-X-90芯片，它可以与预加载的Profinet通信堆栈一起提供给客户，因此可以直接集成到现有产品的设计中、无需复杂的硬件设计与开发。

图1 现有的超声波焊接系统应具有Profinet工业以太网接口——快速且无需更新硬件

有人讨论过替代解决方案。但由于客户订单的产品数量太少，很快就决定采用PCB印刷电路板设计（在Net-X 90中的设计）。Metrapid 90以其紧凑的结构、完整的通讯和应用单元以及现有的开发和认证工具，证明了它是最有效的解决方案。由于缺少Profinet工业以太网的相关经验，尤其是与Hilscher公司硬件相结合的使用经验，Brückmann公司转而寻求Burger工程技术公司的支持。多年来，Brückmann公司的研发团队一直是Hilscher公司官方认证的Net-X设计团队；因此在Hilscher公司产品的集成中有着丰富的经验。

数据镜像取代协议开销

技术解决方案的核心是将应用和通讯逻辑分开。现有的、已经映射了诸如频率控制、振幅控制和功率管理等所有特定功能的STM 32控制器不应对Profinet通讯造成额外负担。最初，Netapid 90被设计为在所谓的伴侣模式下运行的，也就是在STM 32控制器中实现各种应用，并通过Netrapid 90完成与Profinet工业以太网系统的通信。然而，由于STM 32 控制器已经因时间要求，在极为严格的运行工况下达到了性能极限，因此决定在独立模式中运行Netrapid嵌入式模块。这使得应用程序文件可以通过Net-X 90的第二个核心和Profinet协议在供应商和消费者之间交换数据和信息。因此，实际上Profinet通信是不会降低STM 32控制器性能的。

与STM 32控制器的连接，是通过SPI串行外设接口实现的。这时，Netrapid 90嵌入式模块充当主机的作用，直接从STM 32控制器的芯片中调用与过程有关的数据，并将这些数据交给Netrapis 90。这种周期性循环的过程数据交换，显著地提高了通信的稳定性并有可能对传输的数据进行修改。

Profinet工业以太网通信系统的碰撞使Netrapid 90在不知道所传输数据具体内容的情况下顺利地完成数据传送。此时，64位的供应商数据和64位的消费者数据都可作为纯字节字段畅通无阻地在Profinat网络和STM 32之间周期性地相互交换。由于，只有上级控制器和STM 32控制器能够解释这一数据区中的字段内容。此时，是否使用Netrapid模块已经不重要了——它只是按照设定的节奏反映所传输的数据。

与集成芯片解决方案相比较，研发时间更短

调整数据结构，例如增加设置的参数数量、将8字节的数据改为16字节的数据或者添加新的控制指令等措施，都可以在不更新通信接口的情况下完成所承担的任务——这种Profinat工业以太网与STM 32控制器相结合的集成方案大大减少了研发成本。正是这种集成方法使集成解决方案有着很高的灵活性和工作速度。对研发人员来讲，这意味着没有复杂的故障诊断、没有复杂的数据解释，并且没有不必要的参数化设置，就可以灵活、稳定地交换过程数据。另外，与使用集成芯片技术相比较，采用Hilscher公司设计制造的Netrapid 90作为嵌入式模块解决方案，可以大幅度缩短开发时间，显著降低开发成本。

“在产品开发项目方面，我们一直为客户提供全方位无忧套餐。最近，我们的客户也越来越需要这样的解决方案了。这是因为有着许许多多不同的原因，当然也包括了内部资源匮乏这一原因。因内部资源匮乏花费数月时间进行产品开发的时代已经过去了，但配有预制固件的、经过全面测试的嵌入式模块，使我们可以大大缩短产品开发时间。”Burger工程技术公司的项目管理经理（PMO）Jörg Klenke先生介绍说道。

图2 除了与Profinet工业以太网连接之外，Netrapid 90嵌入式模块还支持其他许多通信技术协议

两步、两个月就完成项目开发

项目开发分为两个阶段：第一阶段是实施阶段，第二阶段是认证和优化改进阶段。项目开发的合作伙伴是系统开发商Brückmann公司、通信技术专家Burger工程技术公司和硬件供应商Hilscher公司。

第一阶段：实施（2023年2月至6月）。项目开始时，Brückmann公司以客户的身份与作为合作伙伴的通信技术公司Burger工程技术公司举办了一次项目研讨会。在这次研讨会中，合作双方决定了整个项目的技术框架，并讨论了是采用伴侣模式还是采用SPI连接的独立模式更合适。在分析了控制器的负荷之后，我们选择了具有SPI串行外设接口映射的独立模式。应用程序可以完全映射到Hilscher公司Netrapid 90嵌入式模块的A核（Application Core）中运行。合作伙伴开始了全部开发工作，并在早期阶段就用评估板单独的对目标硬件进行测试。与此同时，Hilscher公司也为Netrapis 90嵌入式模块提供了符合Profinet软件协议栈。

第二阶段：优化和认证（2024年6月至9月）。项目的第二阶段是在经过测试的基础上做好Profinet项目认证的准备。根据客户的要求，合作伙伴再次调整了数据结构，并将参数的字节长度提高到了64位——进一步提高了字节镜像的灵活性。项目认证工作是由距离合作伙伴公司仅几公里的Comded检测中心实施的。这些工作很快就收到了回报：在没有操作者登录软件系统的情况下，就可以直接实现软件更新。

通信模块也在这一阶段中显示了自己的工作效率：项目开始时选择的符合性等级A级和Netload等级1级不仅减少了项目开发成本，而且还减少了项目认证成本。像Profinet报警、故障诊断功能或者复杂的参数化等功能都被有意忽略。原因很简单，因为这些功能在Profinet工业以太网应用中根本不需要；它们只会意味着更多的时间和成本费用。

不到半年的时间就实现了Profinet工业以太网连接

最终，在不到半年时间里就完成了完整的Profinat工业以太网连接，而且付出的认证费用也最低。另外，将来也可以轻松地调整这一解决方案，或者将其移植到其他类型的设备中使用。这就使小批量生产的项目也可以成功地接入到IoT工业物联网中。与此同时，在2025超声波焊接设备博览会上也成功地推出了这一解决方案。

我们对这样的结果也非常满意，正如Brückmann公司负责产品销售的技术员Sebastian Wenzel先生介绍说：“与Burger工程技术公司的合作，使我们能够在最短的时间里实现小批量产品生产客户对Profinet工业以太网解决方案的需求。对我们来说，将专业技术知识和高度务实的做法相结合是最有价值的。得到的结果完全满足我们的期望，而且我们也希望在未来的项目中再次进行这样的团队合作。”