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1、目 录1现场总线控制技术与工业以太网2. 工业以太网实时性问题3EthernetIP协议简介4EthernetI P通信适配器硬件设计与实现5EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景EthernetIP协议简介1 现场总线控制技术与工业以太网20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，
2、在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，PNet，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率
3、也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为3125kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或25Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的Can总线系统，其最高的传输速率为1 Mbps40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结
4、构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMACD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在230ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业
5、以太网在控制层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式的市场，推动其发展的两大动力是：光纤环网的应用、分布智能装置仪表。光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达工业现场层，第一次成为真正的FieldBus；第二，通过环网的冗余提高以太交换的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的
6、诟病。首先，光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换，对于大部分的工业生产信息，在100ms的时滞都是可以接受的。而如果所有的控制均需要通过集中的方式进行，显然这个时滞又太大了。可喜的是，工业控制装置和智能仪表正在向分布式发展。这种发展趋势，导致大量的本地控制指令不需要通过冗长的总线来传输，而是由仪表或装置的本地计算完成，这就不需要通过数据交换的方式苛刻地要求工业以太网的确定时延。2 工业以太网实时性问题工业以太网有着许多令人所信服的优点。但是传统商业以太网技术应用到工业现场仍然有着或多或少的不足和缺陷，经过许多研究机构和工程技术人员的不懈努力和对关键技术的研究，
7、使传统以太网技术不断改进来满足工业现场控制要求。这些关键技术包括通信确定性和实时性技术、系统稳定性技术、系统互操作性技术、网络安全性技术、总线供电及本质安全与安全防爆技术等。下面就确定性和实时性做一些介绍。2.1 通讯确定性和实时性技术传统以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞(CSMAC通讯方式，即网络上的每个节点都通过竞争的方式来获取发送信息报文的权利，节点通过监听信道，当发现信道空闲时则把待发的信息报文发送出去，如果信道忙则处于等待状态。在发送信息后检测是否发生了碰撞，如果出现则退出信道等待重发。不难想象当网络负荷比较重的时候大量节点都在尝试重发进而导致网络堵塞，使一些节点的信
8、息长时间得不到发送，这种特性称为以太网的不确定性。研究表明：传统以太网在工业控制中的传输延迟，对数据传送要求很高的场合是不能够应用的，这也影响了以太网技术在工业底层控制网络中的应用。随着以太网技术的不断发展，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到了工业现场实时控制的要求。首先，在网络拓扑结构上采用了星形连接代替总线型连接。图1示意了两种不同的网络拓扑结构。其中的星形连接用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(Segment)，在每个网段上以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来，这样挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域(Collision)。每个冲突域均采用CSMACD机制
9、来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷减轻、碰撞几率减小。图1 以太网网络拓扑结构的比较3 EthernetIP协议简介现场总线国际标准IEC 61158经过十几年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8种(第3版修订后增加了两种类型，而成为10种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。目前有Modbus-IDA工业以太网，EthernetlP工业以太网，FF HSE工业以太网，ProfitNet工业以太网等几种协议。下来我们就EthernetIP工业以太网进行介绍。EtherNetIP(EtherN
10、et Industry Protoco1)是适合工业环境应用的协议体系。它是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association)ControlNet International所推出的最新的成员。和DeviceNet以及ControlNet一样，它们都是基于CIP(Control and Informalon Protoco1)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I0信息和显式信息(包括用于组态参数设置、诊断等)的有效传输。EtherNetIP采用和DevieNet以及ControlNet相同的应用层协CIP(Control a
11、nd Information Protoco1)，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。EtherNetIP采用标准的EtherNet和TCPIP技术来传送CIP通信包，这样，通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的EtherNet和TCPIP协议，就构成EtherNetIP协议的体系结构。协议的各层结构如图2所示。图2 应用CIP的EtherNet/IP3.1 EthernetIP协议模型及协议内容1. 物理层和数据链路层EtherNetIP在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯片来实现。从图2可看出，不久的将来会出现更合适的物理层和数据链路层
12、协议，会出现相应的芯片。但是上面的协议无须改变。2 .网络层和传输层EtherNetIP在网络层和传输层采用标准的TCPIP技术。对于面向控制的实时I0数据，采用UDPIP协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置和诊断等)则采用TCPIP来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息，采用TCPIP来传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNetIP协议的现场设备层，流通的数据基本是实时IO数据，采用UDPIP胁议来传送，其优先级较高。3. 控制及信息协议(ClP)控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发的应用层协议，被DeviceNet、ControlNet、EtherNetIP
13、等3种网络所采用，因此这3种网络相应地统称为CIP网络.（1）CIP的特点有以下几点报文CIP协议最重要的特点是可以传输多种类型的数据。工业应用中所需要传输的数据类型有IO、互锁、配置、故障诊断、程序上载或下载等。这些不同类型的数据对传输服务质量的要求是不同的。重要的传输服务质量评价指标有确定性、单位时间内有通信行为的节点所占的比例、响应时间等。CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求的数据，比如程序的上载下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。由于这种报文包含解读该报文所需要的信息，所以称为显式报文。隐式报文用于传输对时
14、间有苛求的数据，如IO、实时互锁等。由于这种报文不包含解读该报文所需要的信息，其含义是在网络配置时就确定的，所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输IO数据，隐式报文又称为IO报文或隐式IO报文。在网络底层协议的支持下，CIP用不同的方式传输不同类型的报文，以满足它们对传输服务质量的不同要求。DeviceNet给予不同类型的报文不同的优先级，隐式报文使用优先级高的报头，显式报文使用优先级低的报头。ControlNet在预定时问段发送隐式报文，在非预定时问段发送显式报文。而EthemetIP用TCP来发送显式报文，用UDP来发送隐式报文。面向连接CIP还有一个重要特点是面向连接，即在通信开始之
15、前必须建立起连接，获取惟一的连接标识符(connection ID)。如果连接涉及到双向的数据传输，就需要两个CID。CID的定义及格式是与具体网络有关的，比如，DeviceNet的CID定义是基于CAN标识符的。通过获取CD，连接报文就不必包含与连接有关的所有信息，只需要包含CID即可，从而提高了通信效率。不过，建立连接需要用到未连接报文。未连接报文需要包括完整的目的地节点地址、内部数据描述符等信息，如果需要应答，还要给出完整的源节点地址。对应于两种CIP报文传输，CIP连接也有两种，即显式连接和隐式连接。建立连接需要用到末连接报文管理器(unconnected Message Manage
16、rUCMM)，它是CIP设备中专门用于处理未连接报文的一个部件。如果节点A试图与节点B建立显式连接，它就以广播的方式发出一个要求建立显式连接的未连接请求报文，网络上所有的节点都接收到该请求，并判断是否发给自己的，节点B发现是发给自己的，其UCMM就做出反应，也以广播的方式发出一个包含CID的未连接响应报文，节点A接收到后，得知CID，显式连接就建立了。隐式连接的建立更为复杂，它是在网络配置时建立的，在这一过程中，需要用到多种显式报文传输服务。CIP把连接分为多个层次，从上往下依次是应用连接、传输连接和网络连接。一个传输连接是在一个或两个网络连接的基础上建立的，而一个应用连接是在一个或两个传输连
17、接的基础上建立的。生产者消费者模型在传统的源目的通信模式下，源端每次只能和一个目的地址通信，源端提供的实时数据必须保证每一个目的端的实时性要求，同时一些目的端可能不需要这些数据，因此浪费了时间，而且实时数据的传送时间会随着目的端数目的多少而改变。而在EtherNeLIP所采用生产者消费者通信模式下，数据之间的关联不是由具体的源、目的地址联系起来，而是以生产者和消费者的形式提供，允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据，因此使数据的传输达到了最优化，每个数据源只需要一次性的把数据传输到网络上，其它节点就可以选择性地接收这些数据，避免了浪费带宽，提高了系统的通信效率，能够很好地支持系统的控制
18、、组态和数据采集。（2） CIP 协议功能及特征EtherNet/IP 其特色就是被称作控制和信息协议的CIP 部分。CIP 一方面提供实时I/O 通信，一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实时I/O 通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息交换。CIP 协议的一个重要的特性，是其介质无关性。即CIP 作为应用层协议的实施与底层介质无关。这就是人们可以在控制系统和I/O 设备上灵活实施这一开放协议的原因。同样，当未来新型的通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术的透明性和一致性。3.2 E
19、therNet/IP 的通信机制1. 通信模式不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生产/消费模式，它允许网络上的节点同时存取同一个源的数据。在生产/消费模式中，数据被分配一个唯一的标识，每一个数据源一次性的将数据发送到网络上，其他节点选择性的读取这些数据，从而提高了系统的通信效率。2. CIP 报文通信CIP 报文定义了显式报文和隐式报文两种报文类型, 隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息(时间触发、控制器互锁等等)，此时数据量不大但需要高的速度或需要较长的源节点和其他节点连接时间，所以这部分采用的是速度较快的UDP 协议；显式报文数据量较大但不需要一直连接所以这部分采用TC
20、P 协议。CIP 报文的通信分为无连接的通信和基于连接的通信。无连接的报文通信是CIP 定义的最基本的通信方式。设备的无连接通信资源由无连接报文管理器UCMM 管理。无连接通信不需要任何设置或任何机制保持连接激活状态; 基于连接的报文通信是CIP 网路传递报文的另一种方式,可用来传递I/O数据和显式报文。这种通信方式支持生产者/消费者模式的多点传输关系, 一次向多个目的节点进行高效的数据传输。4 EthernetI P通信适配器硬件设计与实现EtherNetIP硬件设备开发主要有2种方式：一种是基于单板计算机系统；另外一种是开发嵌入式系统。嵌入式系统应用广泛，有非常多资源可供设计者使用，同时嵌
21、入式系统硬件制作成本低，硬件设备可以设计的更为紧凑，有利于系统的小型化。下来介绍采用嵌入式系统设计EthernetIP通信适配器。41 硬件系统总体架构EthernetIP通信适配器作为工业控制中的网络设备，对数据处理能力、数据收发的实时性、可靠性上较商用以太网有着更严格的规范和要求，硬件必须能够满足这些功能及要求。而微处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定了系统性能的优劣；因此，本通信适配器选用三星公司的ARM9 S3C2410为CPU，其有丰富的外围接口功能，强大的处理能力。本系统硬件设计以S3C2410为核心，外围扩展了64MbitsSRAM、64Mbits NAND FLASH、
22、以太网控制其CS8900、RS232串口、I/O接口、JTAG程序实时仿真接口等。系统总体硬件如图3图3 系统总体硬件42电源设计本通信适配器可以接现场IO模块(现场IO模块分为数字IO及模拟IO)，因此，设计电源时需充分考虑电源的驱动能力。电源不仅要给通信适配器供电，而且，需要给IO模块的数字电路部分供电。本设计采用高效的开关电源设计，可满足8个扩展IO模块的驱动能力。通信适配器中，不同的芯片采用的所要求的供电电压是不一样的。S3C2410需要的供电电压有：33V的数字电压及模拟电压、18V的数字电压及模拟电压、18V的PLL源电压；SRAM、NAND FLASH、IO采用33V电压；JTA
23、G、以太网控制其采用5V电压供电。工业以太网现场提供24VDC电源，因此，设计的电源模块必须提供把24VDC转换成5V、33V及18V的能力。43复位电路设计由于ARM芯片的高速、低电压供电和低功耗导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬时响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面提出了更高的要求。为了保证系统在上电启动及电压不稳定时能够正确工作，系统设计中采用了专门的微处理器电源监控芯片MAX708TESA。电路如图4所示。图4 电源监控及复位电路在图4中，信号RESET连接到以太网控制器CS8900的复位引脚，因为CS8900的复位信号为高有效；信号RESET连接到S3C2410的复
24、位引脚RESET以及芯片内部JTAG接口电路的复位脚TRST。当复位按键Sl按下时，MAX708T立即输出复位信号，其引脚RESET输出高电平复位信号，引脚RESET输出低电平复位信号；此时S3C2410及以太网控制器CS8900都将复位。ARM微处理器必须保证在稳定的复位状态下启动，当微处理器在未知状态时，必须使它保持复位状态。MAX708TESA保证低电压的时候处理器处于复位状态，避免系统在上电、掉电及电源状态不稳定的时候代码执行出错。当上电的时候，如果电源达到1V，RESET引脚输出逻辑低电平，RESET引脚输出逻辑高电平。当电源超出了复位的门栏电压，MAX708TESA的内部定时器保证
25、RESET和RESET引脚保持200ms的复位信号，这就保证了系统在电源不稳定或者电源过低的情况下始终维持在复位状态，降低系统运行出错的可能性。44以太网通讯接口设计441以太网电路原理以太网控制器是EthernetIP通信适配器中一个非常重要的物理部件，它实现以太网的数据链路层协议。为了保证设备能够很好地满足工业应用的要求，所选用的以太网控制器需具备以下一些特点：能在工业环境中运行，对高温低温、噪声、震动等有一定的抵抗能力；支持全双工通讯；支持10Mbits或100Mbits传输速率等。S3C2410A没有内置的以太网控制器，本文采用Cirrus Logic公司开发的CS8900AIQ3作为
26、EthernetIP通信适配器的以太网控制CS8900A-IQ3主要特点是：lOMbits的传输速率、支持全双工运作模式、内建缓冲区提供传送接收讯框(Frames)、可对错误的封包自动排除等；此外，其特有的PacketPagel”结构可以自动调适网络交通的模式以及系统可用的资源。以太网通讯接口设计中还需使用隔离变压器，其主要作用是把设备的有源部分和其网络接口隔离开，以避免干挠网络的运行。隔离变压器应该提供尽可能高的共模抑制比，ODVACI推荐采用在30HZ时共模抑制比在59dB以上的隔离变压器。442以太网芯片CS8900A-IQ3功能描述图5 CS8900A-CQ3功能图在电源开启或硬件复位
27、后，CS8900A-IQ3要传送或接收封包时必须先芯片内部的组态、控制寄存器作参数的设置，比如说：存储器的基底位址、以太网络的物理位址、什么形态的讯框可以被接收和底层媒体介面是什么等等设置。这些参数的来源有两个地方：一个是由host透过ISA汇流排写入CS8900A-CQ3，另一个则是通过外部EEPROM自动载入进来。在所有寄存器设置完毕后CS8900A-CQ3便可进行相关动作.基本上CS8900ACQ3的主要运作有两个部份：封包传送、封包接收。封包传送：在CS8900A-CQ3的封包传送过程中有两个阶段：(1)封包传送第一个阶段：主机将封包数据搬移至CS8900AC03的缓冲存储器，这样子的
28、搬移动作是在主机发出传送命令时所发生的。传送命令是要通知CS8900A-CQ3有封包数据需要被传送，并且何时要被传送(可在CS8900A-CQ3缓存器内设置成5，381，1021或是所有bytes被传送出去)，以及如何被传送出去(有无CRC、添加的位数据等等)。在传送命令发出后，传送的长度也要告知，这样CS8900A-CQ3需要多少的缓冲空间才可被配置出来。当足够的缓冲空间被配置出来后，主机便可透过IO模式或是Memory的模式，将封包数据写入CS8900A-CQ3的内部存储器。(2)封包传送第二个阶段：CS8900ACQ3将封包数据转换成以太网络讯框，之后送到网络CS8900ACQ3会在传送
29、缓冲空间累积到足够的数据(先前在CS8900ACQ3缓存器内设置成5，381，1021或是所有bytes被传送出去等情形)，便马上传送出去。被传送出去的数据依照IEEE8023以太网络讯框的格式(如下图所示)传送到网络上，以太网络讯框的最大数据酬载量(Payload)为1500 Bytes，最小为46 Bytes，如果上层封包数据量(包含CRC即Cyclic Redundancy Check，也就是FCS即Frame CheckSequence)小于46Bytes，那么CS8900A-CQ3会依照缓存器的设定来决定是否要填加位以补足讯框的最小量，最后再加上4 Bytes FCS送出。封包接收：
30、(1)封包接收的第一个阶段：CS8900A-CQ3接收以太网络讯框后，将讯框存放在内部芯片的内存中，将前导的字节(preamble)以及Start of Frame启始字节移除掉，然后利用地址过滤器比对是否该接收的讯框目的地的地址与网络芯片所设置的地址相同，如果正确的话，便存放在CS8900ACQ3内部存储器，然后CS8900A-CQ3检查CRC以及相关设定，以更进一步确认讯框之无误，然后通知微处理器讯框已被接收的事件。(2)封包接收的第二个阶段：主机利用ISA总线来传送已接收的讯框至主机上的内存存放。而这个传送的动作可以利用I0模式、Memory模式或DMA模式达成。45串行通讯接口设计S3
31、C2410A内置3通道UART控制器，可以基于DMA模式或中断模式工作，支持5bits、6bits、7bits或者8bits串行数据发送接收。本文采用MAXIMG公司为嵌入式低功耗应用设计的MAX3232作为串口通讯收发器，MAX3232工作电压为33V，输出电平完全兼容RS232工业标准，最大收发速率为120kbps。本文设计EthernetIP通讯模块可通过串口直接与PC机连接，并使用串口为程序调试打印信息。串行通讯接口如图6所示：图6 RS232接口电路图46 主从USB接口设计包括一个USB主机端口和一个USB设备端口。主机端口连接外围设备，如鼠标等，设备端口用于连接PC机。S3C24
32、10A芯片内集成了USB主从控制器，因此，电路上只需加效应管驱动即可构成完整的USB电路，无需加任何USB芯片，这大大简化了电路设计。图7 USB接口47 外部I0扩展接口设计EthernetIP通信适配器采用总线模式与多个数字IO模块相连接，在通信适配器内部给每个IO模块分配了一个的物理地址，S3C2410A通过具体的物理地址直接读写IO模块的数据。在S3C2410A与IO接口之间采用了总线驱动器件，一方面提高主控制器的总线驱动能；另一方面可以隔离S3C2410A系统总线与外部IO模块直接连接。外部扩展IO接口原理如图412所示。图8中CER为外部IO模块的片选信号，RW输出型IO的写信号，
33、OE为输入型IO的读信号， T为IO模块产生的中断信号。对于比较重要的IO可以采用中断的方式进行读写，正常情况下，以查询方式读写IO数据。图8 外部扩展IO接口原理5 EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景EtherNet/IP 工业以太网具有许多优点,比如由其组成的系统兼容性和互操作性好,资源共享能力强,可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享; 数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet 连接,低成本、易组网,与计算机、服务器的接口十分方便,受到了广泛的技术支持。基于商业以太网开发的各种以太网报文侦听和流量优化控制软件，甚至可以不加改变的应用到工业以太网控
34、制系统中。但是，工业以太网也有瓶颈，主要是缺乏实时性和确定性、报文利用率低、回路供电、实时性环境适应等问题。以太网采用的CSMA/CD 协议，不支持优先级。报文头部比较大，载荷数据相对较少，相对现在广泛应用的一些现场总线协议而言，报文利用率较低。总线上无电源。这不但增加了重新购买电源和布置电源线的费用，而且现有以太网线比现场总线更容易受到电磁干扰。缺乏工业级的接插件。由于工业现场存在的腐蚀性气体，震动、维修和检测时的经常拔插等问题。因此需要一种通用工业级接插件。但是工业级接插件的引入势必增加设备的投资。所以，目前EtherNet/IP 工业以太网的应用主要是在自动化领域的信息层和控制层。在设备层则使用ODVA 支持的ControlNet DeviceNet现场总线，利用总线在设备层的抗干扰能力强等优点作为以太网的补充。随着网络交换技术、全双工通信、流量控制等技术的发展，EtherNET/IP 工业以太网有一网到底的美景，它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案。