工業(yè)以太網(wǎng)講義

1、工 業(yè) 以 太 網(wǎng)周純杰周純杰 教授教授華中科技大學控制系內(nèi)容介紹：n為什么工業(yè)領域需要以太網(wǎng)n以太網(wǎng)技術的基本原理n工業(yè)以太網(wǎng)與商業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別n幾種主流的工業(yè)以太網(wǎng)標準n嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧的設計n總結為什么工業(yè)領域需要以太網(wǎng)原因一：現(xiàn)場總線標準難以統(tǒng)一，帶來系統(tǒng)復雜性1999 年現(xiàn)場總線技術標準IEC 61158 終于塵埃落定,有8種總線成為國際電工委員會(IEC) 現(xiàn)行的現(xiàn)場總線技術標準。它們分別是: 基金會現(xiàn)場總線FF(fundation fieldbus); ControlNet; Profibus; P-Net; FF(fieldbus fundation)高速以太網(wǎng)HSE;

2、SwiftNet; WorldFIP; Inter-bus.從用戶應用的角度來看,多種現(xiàn)場總線標準并立導致多種現(xiàn)場總線標準并立導致在一個具體應用中可能會涉及多種不同標準的現(xiàn)場總線在一個具體應用中可能會涉及多種不同標準的現(xiàn)場總線儀表儀表,需要解決不同標準系統(tǒng)之間的互連接和互操作的問題,這必然會增加用戶的投資和使用維護的復雜性。原因二：信息集成有新的要求帶寬問題：帶寬問題：一般地來說,現(xiàn)場總線標準的特點是通信協(xié)議比較簡單,通信速率比較低。如基金會總線FF的H1和PROFIBUS-PA 的傳輸速率只有31.25Kbps。但隨著儀器儀表智能化的提高,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也必將趨于復雜,未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能已不滿足

3、于幾個字節(jié),甚至是WEB網(wǎng)頁,所以網(wǎng)絡傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制中越來越重要。與商業(yè)網(wǎng)集成問題：與商業(yè)網(wǎng)集成問題：在制造加工工業(yè)中，能夠走出辦公室,在任何地方對企業(yè)生產(chǎn)進行實時監(jiān)控,無疑是各個企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增強競爭力的有效方法。如此一來，現(xiàn)場總線的底層信息必然要和上層的通用局域網(wǎng)連接,將底層信息集成到車間、公司級的數(shù)據(jù)庫中, 通過WEB方式瀏覽和交互控制?，F(xiàn)有現(xiàn)場總線標準大都無法直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，需要額外的網(wǎng)絡設備才能完成通信。原因三：工業(yè)以太網(wǎng)的技術優(yōu)勢(1) 解決協(xié)議的開放性和兼容性問題。解決協(xié)議的開放性和兼容性問題。工業(yè)以太網(wǎng)因為采用由IEEE802.3所定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它是一個開放

4、的標準，從而為PLC廠家和DCS廠家廣泛接受。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)還具有向下兼容性?？焖僖蕴W(wǎng)是在雙絞線連接(10BaseT)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準的基礎上發(fā)展起來的，但它的傳輸速度從10Mbps提升到了100Mbps。在大多數(shù)場合，它還可以使用已有的布線。此外，以太網(wǎng)還允許逐漸采用新技術。也就是說，沒必要一下子改變整個網(wǎng)絡，可以一步步將整個網(wǎng)絡升級。(2) 解決帶寬需求問題。解決帶寬需求問題。以太網(wǎng)最初的數(shù)據(jù)傳輸速度只有10Mbit/s，隨著1996年快速以太網(wǎng)標準的發(fā)布。以太網(wǎng)的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太網(wǎng)標準的發(fā)布將其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太網(wǎng)需要1

5、.2毫秒才能傳送一個1518字節(jié)大小數(shù)據(jù)；現(xiàn)在，快速以太網(wǎng)已經(jīng)將這一時間減少到120秒；如果采用千兆以太網(wǎng)，這一時間只需12微秒。(3) (3) 解決與商用以太網(wǎng)集成問題。解決與商用以太網(wǎng)集成問題。以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線,尤其是高速現(xiàn)場總線結構的主體,可以避免現(xiàn)場總線技術游離于計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展之外,使現(xiàn)場總線技術與計算機網(wǎng)絡技術很好地融合而形成相互促進的局面。(4) (4) 以太網(wǎng)適配器的價格大幅度下跌以及各產(chǎn)品和標以太網(wǎng)適配器的價格大幅度下跌以及各產(chǎn)品和標準對以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。準對以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。什么是以太網(wǎng)?1980 年DEC( digital equipme

6、nt corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司發(fā)布了DIX版以太網(wǎng)1.0 規(guī)范,其傳輸速度為10Mb/S ,所支持的唯一物理介質(zhì)為粗同軸電纜。1982 年, 發(fā)布了DIX2.0 版, 這就是通常所說的Ethernet 。與DIX同步的是IEEE 成立的至今聞名的802.3 委員會。1985 年，IEEE 802.3 委員會發(fā)布了CSMA/ CD 訪問方法和物理層規(guī)范。盡管其幀的定義與DIX2.0不盡相同，但是現(xiàn)在更多的人認為它就是以太網(wǎng)。以太網(wǎng)標準包括： physical layer: media, configuration data link layer: MAC p

7、rotocol, CSMA/CDPA SFD DA SA TypeData PacketFCSEthernet HeaderData Field7166246-1500 bytes4An Ethernet II frame以太網(wǎng)幀結構nEvery device has unique addressnMulticasting, broadcasting supportedPA SFDDA SA Length802.3 Header and Data PacketFCS7166246-1500 bytes4An 802.3 frameSOF1CSMA/CDnCarrier Sense (CS)“偵

8、聽”在發(fā)送信息幀之前是否有網(wǎng)絡傳輸。一旦偵聽到信道空閑，等待一個IFG (46bit時間)后便立刻發(fā)送信息幀nMultiple Access (MA)“多點接入”如果多個節(jié)點同時發(fā)送信息，此時就會發(fā)生沖突nCollision Detect (CD)“沖突檢測”CSMA/CD協(xié)議中采用重傳機制重新執(zhí)行信息幀的發(fā)送操作，直到該信息幀成功發(fā)送或重傳次數(shù)n達到上限(attempLimit)而 終止發(fā)送Intel Demo 2CSMA/CDnExponential Back-off Algorithm “二進制指數(shù)回避算法，BEB”每次檢測到?jīng)_突，CSMA/CD采用BEB算法隨機地計算出下一次重傳需要等

9、待的時間，即幀重傳時延。幀重傳時延的大小為時隙時間(slot Time,512bit的傳輸時間)的整數(shù)倍r。r為隨機整數(shù)，其取值為:0r2r，k=min(n,10), 其中，n為重傳次數(shù)，最大值為16.對于 10M bit/s網(wǎng)絡，一個時隙時間為51.2us。因此沖突所導致的等待時間最長可以達到51ms。重傳時延的不確定性，不能滿足工業(yè)系統(tǒng)的實時性工業(yè)以太網(wǎng)與商業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別1、工業(yè)以太網(wǎng)的基本體系結構2、改進的實時工業(yè)以太網(wǎng)體系結構3、工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信技術4、工業(yè)以太網(wǎng)的設備環(huán)境適應性和可靠性要求1、工業(yè)以太網(wǎng)基本體系結構 工業(yè)以太網(wǎng)在商用以太網(wǎng)基礎上發(fā)展而來，它的體系結構基本上采用了以

10、太網(wǎng)的標準結構。對應于ISO/OSI通信參考模型，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均采用了802.3標準，在網(wǎng)絡層和傳輸層則采用被稱為以太網(wǎng)“事實上標準”的TCP/IP協(xié)議簇，在高層協(xié)議上，工業(yè)以太網(wǎng)通常省略了會話層、表示層，而定義了應用層，有的工業(yè)以太網(wǎng)還定義了用戶層。 根據(jù)實時以太網(wǎng)實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網(wǎng)通信協(xié)議模型分為5類，是經(jīng)過常規(guī)最大努力提高實時性，一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議模型;采用在TCP/IP之上進行實時數(shù)據(jù)交換方案;采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實時通道的通信協(xié)議模型;采用集中調(diào)度提高實時性的解決方案;采用類似Interbus現(xiàn)場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用

11、總線拓撲結構提升以太網(wǎng)實時性能。2、改進的實時工業(yè)以太網(wǎng)體系結構3、工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信技術n采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結合的方法n直接修改傳統(tǒng)以太網(wǎng)MAC協(xié)議(CSMA/CD)方式n數(shù)據(jù)鏈路層增加實時調(diào)度層的方式n網(wǎng)絡節(jié)點間的時間同步機制也是實現(xiàn)確定性實時調(diào)度的必要手段之一采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結合的方法n標準：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP n說明：它們是建立在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議基礎上的數(shù)據(jù)傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率,控制網(wǎng)絡負荷以及采用全雙工交換技術。然而,交換式以太網(wǎng)并不是實時通信最終的解決方案, 當多個數(shù)據(jù)流同時到達交換機時,需要將其緩

12、存后從目的端口順序輸出,此時多路轉(zhuǎn)換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現(xiàn)方式和網(wǎng)絡的負載情況,其值仍是一個不確定的數(shù)值。在許多工業(yè)應用環(huán)境中,需要一個設備同時向多個設備發(fā)送數(shù)據(jù)(如廣播或發(fā)布/預定關系)。交換式以太網(wǎng)更適合于點對點的數(shù)據(jù)交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數(shù)據(jù)傳遞的時延。 采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結合的方法n標準：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP n說明：它們是建立在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議基礎上的數(shù)據(jù)傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率,控制網(wǎng)絡負荷以及采用全雙工交換技術。然而,交換式以太網(wǎng)并不是實時通信最終的解決方案, 當多個數(shù)據(jù)流

13、同時到達交換機時,需要將其緩存后從目的端口順序輸出,此時多路轉(zhuǎn)換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現(xiàn)方式和網(wǎng)絡的負載情況,其值仍是一個不確定的數(shù)值。在許多工業(yè)應用環(huán)境中,需要一個設備同時向多個設備發(fā)送數(shù)據(jù)(如廣播或發(fā)布/預定關系)。交換式以太網(wǎng)更適合于點對點的數(shù)據(jù)交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數(shù)據(jù)傳遞的時延。 采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結合的方法另外，HSE，Ethernet/IP和Modbus TCP都沒有在實質(zhì)上解決以太網(wǎng)的通信不確定性問題，而是采取了一種比較折衷的方案，即傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層沿用以太網(wǎng)的原有機制，在用戶層或應用層對數(shù)據(jù)的傳輸進行控制。而對于應用層

14、以下的報文是不能控制的，如ARP (Address Resolution Protocol)、ICMP (Internet Control Messages Protocol)等協(xié)議所產(chǎn)生的報文。這種折衷的方案不能滿足實時性要求很高的場合。 直接修改CSMA/CD方式由于導致不確定性通信的CSMA/CD機制位于以太網(wǎng)MAC層,所以最直接的方法是修改以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議。采用這種方式中,加州大學開發(fā)的CSMA /DCR協(xié)議影響較為廣泛，它保持了與標準CSMA/CD 的兼容，該協(xié)議在未發(fā)生沖突的情況下，采用CSMA/CD協(xié)議，當發(fā)生沖突時，采用一種確定性的沖突解決算法(二叉樹遍歷算法)來保證一個確

15、定性數(shù)據(jù)的最壞信道訪問時間。但由于以太網(wǎng)的MAC協(xié)議是固化在硬件芯片中的,要修改MAC層協(xié)議,就必須對相關硬件進行改動;其次,該類只能保證確定時間內(nèi)解決沖突,往往最壞沖突解決時間通常遠大于平均沖突解決時間,而實時系統(tǒng)中最關注的正是系統(tǒng)在最壞條件下的表現(xiàn)。因此此類方案多見于學術文章，沒有相應的工業(yè)標準采用。數(shù)據(jù)鏈路層增加實時調(diào)度層的方式在MAC層之上增加一個實施確定性調(diào)度的軟件層. 現(xiàn)有的幾種方案的共同思想是,網(wǎng)段內(nèi)的實時報文和非實時報文將分時發(fā)送,協(xié)議棧中實時通信報文經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層傳遞后,不經(jīng)過網(wǎng)絡層和傳輸層而直接傳遞給應用層,同時非實時報文仍然要通過TCP/IP協(xié)議來傳遞.典型的有下列幾種：

16、(1) 基于帶寬預留方式的調(diào)度(2) 基于時間片的分時調(diào)度方式(3) EtherCAT方式(1) 基于帶寬預留方式的調(diào)度標準：RETHER，Ethereal說明：RETHER是一個在傳統(tǒng)總線共享式以太網(wǎng)上實現(xiàn)確定性調(diào)度的協(xié)議，該協(xié)議在MAC層之上的調(diào)度層中采用了一種增強型的分布式令牌傳遞機制來控制各個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送，以沖突避免的方式來保證數(shù)據(jù)發(fā)送的確定性。Ethereal協(xié)議也是一個采用帶寬預留方式來保證數(shù)據(jù)傳送實時性的協(xié)議。該協(xié)議的特點是為保證實時性所增加的實時控制邏輯位于交換機的軟件中，而對于網(wǎng)絡中各節(jié)點的網(wǎng)絡硬件甚至運行于其上的操作系統(tǒng)幾乎不做任何特殊要求，即網(wǎng)絡節(jié)點所處的軟硬件環(huán)境是透

17、明的。在交換機上運行的調(diào)度軟件以帶寬預留的方式保證實時數(shù)據(jù)的確定性,同時以最大努力方式進行非實時數(shù)據(jù)的傳送。帶寬預留式調(diào)度方式的缺點是，當現(xiàn)場環(huán)境中一個網(wǎng)段包含大量的網(wǎng)絡節(jié)點，節(jié)點間隨機性通信頻繁時，調(diào)度算法的效率不高。(2) 基于時間片的分時調(diào)度方式標準：Powerlink，Profinet,EPA說明：Powerlink是由奧地利B&R公司開發(fā)的以太網(wǎng)控制協(xié)議，該方案在MAC層之上實現(xiàn)了一個基于主從式輪詢機制的調(diào)度策略，使用時間槽來分配發(fā)送許可。該機制在網(wǎng)絡上定義一個網(wǎng)絡站點來擔當管理者，配置其它站點的時間槽，其它節(jié)點以從站方式運行，只有在收到主站的發(fā)送許可時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。站點之間

18、的數(shù)據(jù)交換是在一個固定的時間間隔內(nèi)循環(huán)執(zhí)行的，這個時間周期由管理者進行配置。管理者在為各站點分配時間槽時，也為普通的非實時數(shù)據(jù)預留了時間槽。為了提高實時數(shù)據(jù)的傳輸效率，該方案在與TCP/IP協(xié)議對等的層次上開發(fā)自定義的實時數(shù)據(jù)封裝協(xié)議，而對于非實時性數(shù)據(jù)，仍采用普通的TCP/IP協(xié)議傳輸。西門子公司的Profinet與Powerlink相象，它們都是基于時間片機制，并把通信周期分為實時部分和非實時部分。在一個通信周期中首先進行實時通信，然后傳遞非實時信息(如TCP/IP報文)，兩者的區(qū)別在于通信周期的同步方式。Profinet用特殊的以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡的時間同步, Powerlink則應用輪

19、詢的方式,由主站來設置網(wǎng)絡時鐘。EPA在網(wǎng)絡層（即IP層）與數(shù)據(jù)鏈路層（或MAC層）之間定義了通信調(diào)度接口，用于有網(wǎng)絡層到MAC層的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)包的傳輸調(diào)度，以滿足EPA周期與非周期信息傳輸?shù)膶崟r性。(3) EtherCAT方式 EtherCAT是Beckhoff開發(fā)的一種實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)。EtherCAT主站傳遞的以太網(wǎng)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，報文在I/O從站間傳遞，每個從站用極短的時間獲取數(shù)據(jù)并將發(fā)出數(shù)據(jù)寫入到相應位置，然后將報文傳遞給下一個從站。最后一個從站處理結束后，將報文傳遞回EtherCAT主站EtherCAT充分利用了I/O層的帶寬,使得其處理1000個數(shù)字量

20、I/O只需30s，處理200個16位模擬量信號只需50s，即取樣頻率達到20kHz。EtherCAT適合處理具有大量I/O節(jié)點且報文簡單的系統(tǒng)。網(wǎng)絡節(jié)點間的時間同步機制由于以太網(wǎng)的不確定性源于網(wǎng)絡中不同節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)而引起的碰撞,因而只有對網(wǎng)絡中的節(jié)點進行高精度的時鐘同步,把網(wǎng)絡節(jié)點上的數(shù)據(jù)發(fā)送實現(xiàn)為同步時鐘的函數(shù),才能規(guī)劃各網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙起點和時隙長度,從而避免網(wǎng)絡中有一個以上的節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù). IEEE1588 - PRECISION TIME PROTOCOL 定義了一個在分布式網(wǎng)絡中進行亞微秒級時鐘同步的方法,從而使其成為目前一個較被看好的、可用于實現(xiàn)實時以太網(wǎng)解決方案的時

21、間協(xié)議,該標準在2002年11月被IEEE批準?，F(xiàn)已用與EPA、EtherCAT協(xié)議中。4、工業(yè)以太網(wǎng)設備環(huán)境適應性和可靠性要求、工業(yè)以太網(wǎng)設備環(huán)境適應性和可靠性要求 工業(yè)以太網(wǎng)設備商用以太網(wǎng)設備元器件工業(yè)級商業(yè)級接插件耐腐性、防塵、防水，如加固型RJ45、DB9、航空接頭等一般RJ45工作電壓24VDC220VAC電源冗余雙電源一般沒有安裝方式可采用DIN導軌或其它固定安裝桌面、機架等工作溫度-4085或-2070540電磁兼容標準EN 500812（工業(yè)級EMC）EN 500822(工業(yè)級EMC)EN 500812（辦公室用EMC）EN 500822(辦公室用EMC)MTBF值至少10年3

22、5年幾種主流的工業(yè)以太網(wǎng)標準nEPAnEtherCATnProfinetnHSEnModbus TCPnEthernet PowerlinknEthernet/IPEPAEPA是一種用于過程行業(yè)中確定性以太網(wǎng)通訊的中國提案。它也是浙大中控的商業(yè)名稱，無集團支持，尚未在市場中推廣。方案：在MAC層中，達到實時的時間分割。通過常規(guī)TCPIP和或采用Modbus，完成所有其他傳輸。實時性：循環(huán)通訊為1O100ms，無同步。功能：通過TCPIP的常規(guī)lT和過程通訊。在慢實時中的分布式功能塊之間的確定性通訊的額外功能。EtherCAT2003年,由倍福公司(Beckhoff)開發(fā)。由EtherCAT E

23、TG的140名成員支持。方案：使用以太網(wǎng)物理層將閉環(huán)段內(nèi)的主站連接到環(huán)內(nèi)的從站。任何單一個報文以主站傳遞到每個從站，并從此處再回到主站。該報文具有一個以太網(wǎng)結構，但協(xié)議完全不同。每個從站擁有一個可在線讀寫的信箱。每臺設備集成門列陣或處理實時解碼的專用集成電路硅。常規(guī)TCP/IP設備必須通過網(wǎng)關連接，之后小型TCP/IP數(shù)據(jù)包能夠嵌入在EtherCAT報文內(nèi)，打開包裝并在主站內(nèi)組合在一起，因此到達外部設備，用于TCP/IP的帶寬為1。實時性：循環(huán)時間從30us起。100個軸為100us，同步1us。功能：主要用于運動控制，I/O和編碼器。Profinet由PROFlBus國際組織1200多名成員

24、以及五大洲125個國家的區(qū)域組織共同定義。多于25家公司及1 OO多種產(chǎn)品。公司涉及：倍福，HMS，西門子等，德國汽車行業(yè)宣布采用Profinet的公司包括Audi，BMW等。方案：主要功能采用了常規(guī)TCP/IP。這包括組態(tài)，參數(shù)化及CBA (Component Based Automation基于組件的自動化)，在TCP/lP傳輸上無限制。對于l/0和達到1 ms的其他實時功能，使用直接尋址和優(yōu)先級報文(RT信道)。TCP/IP傳輸無限定，但由于優(yōu)先級，會發(fā)生交換桐內(nèi)的較短的延遲。對要求低于1ms的實時并且同步1uS，Profinet報文使用基于專用集成電路的交換機以菊花鏈或環(huán)形方式連接，來

25、控制段中的傳輸。同步符合IEC 61588并且組態(tài)循環(huán)時間從250us起。實時性：對于30個軸，循環(huán)時間從250s起，及50的TCP/lP。對于15O個軸為1ms，同步1us。功能：CBA用于Profibus(已安裝有1，300萬個節(jié)點)和 Interbus(已安裝有700萬個節(jié)點)的透明移植。HSE由Fieldbus Foundation定義，為通過網(wǎng)關將FF網(wǎng)絡連接到以太網(wǎng)。由Fieldbus Foundation支持。唯一的產(chǎn)品是連接Foundation Fieldbus網(wǎng)絡的連接設備。艾默生過程管理公司，Endress+Hauser和Smar國際組織是連接設備的制造商。方案：以太網(wǎng)報文

26、中嵌入現(xiàn)場總線(FF)協(xié)議，無TCP/IP傳輸。實時性：無。功能：使DCS能夠跳變接口并且僅使用以太網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡。Modbus TCP由施耐德電氣公司定義，由用戶組織Modbus-IDA支持。自1979年開始使用初始的Modbus協(xié)議(如RS485)。輕松實現(xiàn)向以太網(wǎng)遷移，并廣泛的推廣。迄今為止，可能是最多使用的以太網(wǎng)解決方案。大約9O個產(chǎn)品主要來自有多接口選擇的遠程I/O供應商。方案：基于嵌入Modbus的常規(guī)TCP/IP， 種使用請求/應答模式的非常簡單的協(xié)議。此方案為非確定性，反應時間最佳20ms?？稍黾訋в蠷TPS（Realtime Publisher Subscriber）實時性。

27、這是使用UDP/IP來改善性能，但沒有達到真正的實時標準，用于TCP/IP的帶寬為90100。實時性：循環(huán)通訊為2O100ms，無同步。功能：將Modbus和以太網(wǎng)連接，用于I/O和在寄存器中讀寫的簡單協(xié)議。Ethernet PowerlinkPowerlink于2001年，由Bernecker+Rainer(B&R)開發(fā)，并由EPSG(EPL標準化組織)支持。Power-link早期以運動控制產(chǎn)品的形式推向市場，并在這種市場中占有份額，已安裝60,000多個節(jié)點。方案：帶有提供同步及肘間槽主站的閉環(huán)段。其中一個時間槽面向小型TCP/lP報文開放(1帶寬)。實時性：對應于八個軸循環(huán)時間

28、為0.2ms。主站與驅(qū)動之間1O個網(wǎng)絡集線器，最大量限定為2O個軸，同步1us。功能：主要用于運動控制。Ethernet/IP 由羅克韋爾公司定義。有ODVA的250名成員支持。主要產(chǎn)品是羅克韋爾,菲尼克斯及萬可等，大約21個認證產(chǎn)品。2004年春天，通用汽車宣布，它將為其自動化程序標準化為Ethernet/IP。方案：通過常規(guī)以太網(wǎng)，基于常規(guī)TCP/IP，并帶有可選UDP/IP對象嵌入?yún)f(xié)議，CIP經(jīng)由常規(guī)以太網(wǎng)(公用接口協(xié)議)，傳輸I/O數(shù)據(jù)，組態(tài)與診斷。非確定性響應時間將至10ms?？商砑油?CIPsynq-IEC61588)，用于TCP/IP的帶寬為9O100。實時性：循環(huán)通訊為101

29、00ms，同步時間大約為10us。功能：用于ControlNet和DeviceNet(安裝了base 2.5m的節(jié)點)通過橋路，實現(xiàn)到現(xiàn)場總線的遷移。驅(qū)動控制帶有適度范圍的循環(huán)時間及同步。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧的設計n總體設計方案n精簡的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)n工業(yè)以太網(wǎng)實時通信的解決總體設計方案嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點就是在原有的控制節(jié)點設備上實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)功能的系統(tǒng), 綜合之前各主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的體系結構和設計思想，總結工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧應該具備以下部分：（1）精簡的TCP/IP協(xié)議棧，支持程序下載、組態(tài)更新等非實時數(shù)據(jù)傳輸，方便與企業(yè)上層管理系統(tǒng)的集成。（2）保證實時數(shù)據(jù)通信的解決方案嵌入

30、式工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧的設計n總體設計方案n精簡的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)n工業(yè)以太網(wǎng)實時通信的解決精簡的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)其中，如何實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議是嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵技術之一,在嵌入式系統(tǒng)中應用TCP/IP 協(xié)議的關鍵是, 如何設計出精簡、高效的TCP/IP 協(xié)議子集, 以此來減少對系統(tǒng)資源的占用。目前，在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點設計方面，主流的技術方案有兩種：（1）使用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)（2）是直接對單片機編程，自行編制TCP/IP協(xié)議棧1、方案討論（1）使用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源:能夠提供

31、庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應用程序。目前市場上的嵌入式實時操作系統(tǒng)，如Windows CE, VxWork, uCLinux等，都集成了TCP/IP協(xié)議棧。因此，使用嵌入式操作系統(tǒng)，只需完成操作系統(tǒng)代碼的剪裁以及硬件驅(qū)動程序的移植，而對TCP/IP協(xié)議棧小必有深度的了解，將大大減少軟件編寫的工作量。（2）是直接對單片機編程，自行編制TCP/IP協(xié)議棧采用這種方法，需要對TCP/IP協(xié)議棧有深刻的理解，工作量較大，但可以為更好的理解以太網(wǎng)通信原理、開發(fā)其它協(xié)議的通信軟件打下良好的基礎。選用第一種方案工作量小，設計成功率較高，但是市而上的嵌入式操作系統(tǒng)都價格不菲。如果選擇自由軟件Linux，一方

32、面其實時性不好，做到微秒級的響應需要代價大，另一方而熟悉Linux操作系統(tǒng)需要相當長的時間。另外，使用嵌入式操作系統(tǒng)，將會占用大量的存儲空間，把它移植入8位單片機，需要開發(fā)人員對系統(tǒng)移植有深入的理解，否則效果適得其反，如果選用通用的ARM平臺，往往需要增加很多外圍接口電路，無論從人力還是物力講，都不利于節(jié)點成本控制。因此針對控制網(wǎng)絡節(jié)點，節(jié)點任務簡單，通信量小的特點，下面主要討論基于單片機直接編程方案的實現(xiàn)。2、硬件平臺設計硬件平臺的整體框圖如圖所示。由于51系列單片機的內(nèi)部RAM空間有限，必須擴展外部SRAM。以太網(wǎng)控制器接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，暫存到外部SRAM的緩沖區(qū)中等待單片機處理:單片

33、機在外部SRAM中將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包封裝好后，通過以太網(wǎng)控制器發(fā)送出去。以太網(wǎng)控制器選型：RTL8019as VS. CP2200(1)電源電壓CP2200：3.13.6V RTL8019as：5v(2)封裝CP2200采用精巧的55毫米封裝，有28腳QFN和48腳TQFP兩種封裝。28腳QFN封裝只支持復用方式尋址。有方式選擇引腳，用于選擇總線接口方式。被宣稱是，業(yè)界體積最小和效能最高的單芯片。RTL8019as只有100pin PQFP封裝方式。(3)內(nèi)部資源CP2200組件還內(nèi)含IEEE 802.3兼容的10Base-T以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC)和實體層(PHY)以及8kB閃存，它已由工

34、廠預先設定一組獨一無二的48位MAC地址，故能省下多數(shù)嵌入式系統(tǒng)在產(chǎn)品制造過程中所需執(zhí)行的編序步驟(serialization step)。芯片內(nèi)建的閃存可用來儲存使用者常數(shù)和網(wǎng)站服務器內(nèi)容或作為通用的資料非揮發(fā)性內(nèi)存。另外，8192字節(jié)非易失性數(shù)據(jù)存儲空間（RAM）專門提供2K的發(fā)送緩沖區(qū)，4K的接收緩沖區(qū)。CPU通過8根地址總線可以實現(xiàn)對CP2200內(nèi)部全部存儲區(qū)域的操作。RTL8019AS內(nèi)部沒有FLASH，對外提供16k，32k，和64k 字節(jié)BROM 和閃存接口。一般使用外擴9346（6416-bit EEPROM）存儲資源配置和ID 參數(shù)。為了制造便利有規(guī)劃空白9346 的能力。

35、RTL8019AS 用16k 字節(jié)SRAM，可以由用戶自由配置。同樣寄存器的基地址也可自由配置，個人認為這種自由性對該模塊設計沒有很大意義。而且增加復雜性。RTL8019as提供16 條基本地址總線為大資源情況下提供了寬松的環(huán)境。(4)支持的通信網(wǎng)絡CP2200集成的IEEE 802.3 MAC和10 BASE-T PHY，完全兼容100/1000 BASE-T網(wǎng)絡。RTL8019as支持以太網(wǎng)II和IEEE802.3 10Base5, 10Base2,10BaseT，僅支持10M帶寬。(5)CP2200的特色業(yè)界體積最小能在-40到+85溫度范圍操作電流消耗僅70mA，相當于其它產(chǎn)品的1/3

36、RTL8019as優(yōu)勢在于很早就進入市場，網(wǎng)絡上各個方面成熟的應用很多，因為文檔不成熟的情況下，因為適合8019as的源代碼已經(jīng)可以獲得。CP2200雖然無論是體積，在縮減PCB尺寸方面，易用性和整體性能等方面都遠遠強于早期推出的RTL8019as。從長遠利益考慮，PCB版的尺寸，抗干擾性等等，選擇專門為8位單片機量身定做的CP2200是替代RTL8019as很好的選擇。RTL8019asVS.CP2200選型小結3、TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)層 次需要實現(xiàn)的協(xié)議應用層HTTP、Telent等（視具體的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議而定）傳輸層TCP、UDP網(wǎng)絡層IP、ICMP、ARP鏈路層由CP2200完成應用

37、層 網(wǎng)絡應用層要有一個定義清晰的對話過程 傳輸層 傳輸層讓網(wǎng)絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡連接的端口號等，實現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。網(wǎng)絡層(IP層) 網(wǎng)絡層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡上的任一主機上。IP層的代碼有兩個功能: 驗證到來的IP 報文報頭的正確性, 并且對TCP和ICMP報文實行分流。為了能夠測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡的連接, 系統(tǒng)需要實現(xiàn)ICMP協(xié)議中的Ping應答協(xié)議,Ping 應答協(xié)議主要是檢查網(wǎng)絡是否連通。同時為建立網(wǎng)絡間的互連應提供ARP地址解析協(xié)議，實現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。因為不考慮IP的分片和重組,所

38、以IP層的代碼非常的精簡。鏈路層 由控制同一物理網(wǎng)絡上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，主要是IEEE802.3規(guī)定的CSMA/CD協(xié)議。實現(xiàn)這一層協(xié)議的協(xié)議并不屬于TCP IP協(xié)議組。該部分由以太網(wǎng)控制器CP2200完成。4、協(xié)議棧實現(xiàn)主要思路實現(xiàn)過程中的一個總目標是系統(tǒng)開銷要少, 每一層之間要相互獨立,內(nèi)存操作簡單。為了實現(xiàn)每一層的獨立, 實現(xiàn)上下層之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。每層之間應通過一系列的函數(shù)進行數(shù)據(jù)傳遞, 同時為了減少由于數(shù)據(jù)拷貝引入的系統(tǒng)開銷, 系統(tǒng)應通過指針操作, 而不是數(shù)據(jù)拷貝方式,將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)沿協(xié)議棧向上傳遞。由于TCP/IP 的各層協(xié)議的各種數(shù)據(jù)格式, 在各種資料中都有

39、詳細說明, 這里就不再一一介紹。只詳細介紹總的結構、各層的功能及實現(xiàn)過程。4.1 鏈路層的實現(xiàn)思想1) 首先公共數(shù)據(jù)結構的定義: 如各種報文（IP、MAC、ARP、TCP等）的報文頭，IP和MAC地址格式、節(jié)點的地址配置、緩沖區(qū)格式及大小等。2)網(wǎng)絡驅(qū)動接口由于網(wǎng)絡驅(qū)動自己編制的, 所以與上層結合起來很順利, 接收時采用中斷機制, 當收到網(wǎng)絡中斷就讀取數(shù)據(jù), 根據(jù)包的種類分別傳給ARP或IP協(xié)議, 由每一層自行處理數(shù)據(jù)。發(fā)送時采用查詢方式, 應用層準備好數(shù)據(jù), 一層層封裝并向下傳遞, 最后經(jīng)由網(wǎng)絡驅(qū)動程序發(fā)送。右圖是CP2200的驅(qū)動程序初時化流程。該流程完成之后，表示節(jié)點網(wǎng)絡連接成功。4.2

40、 網(wǎng)絡層的實現(xiàn)思想1）ARP的實現(xiàn)首先定義ARP數(shù)據(jù)結構，根據(jù)相應的標準來定。主要工作有：ARP為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射，當主機要找出另一主機的物理地址時，它就發(fā)送一個ARP查詢分組，這個分組包括發(fā)送站的物地址和IP地址，查詢采取在網(wǎng)絡上廣播的方式，目的主機的ARP層收到這份播報文后，識別出這是發(fā)送端在尋問它的IP地址 于是發(fā)送一個ARP應答。主要函數(shù)有:nvoid arp_send(UCHAR * hwaddr, ULONG ipaddr, UCHAR msg_type) 發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包nvoid arp_rcve(UCHAR xdata * inbuf) 接收ARP數(shù)據(jù)

41、包nvoid age_arp_cache(void) ARP 高速緩存超時函數(shù)nvoid arp_retransmit(void) 重發(fā)ARP數(shù)據(jù)包nUCHAR xdata * arp_resolve(ULONG dest_ipaddr) ARP 地址解析2)IP 協(xié)議的實現(xiàn):首先定義數(shù)據(jù)結構IP根據(jù)標準來定義。主要工作是對上一層傳下來的數(shù)據(jù)包, 加上IP首部和IP校驗和, 發(fā)往下一層。以及對下一層傳上來的數(shù)據(jù)包,進行校驗和檢查, 若正確去掉IP 首部, 送往上一層。主要函數(shù)：nvoid ip_send(UCHAR xdata * outbuf, ULONG ipaddr, UCHAR pro

42、to_id, UINT len) 發(fā)送IP數(shù)據(jù)nvoid ip_rcve(UCHAR xdata * inbuf) 接收IP數(shù)據(jù)3)ICPM的實現(xiàn)（Ping應答的實現(xiàn)）首先定義數(shù)據(jù)結構ICMP數(shù)據(jù)幀格式, 根據(jù)標準來定義。主要工作有：為了便于測試要響應主機的PING 程序, 即如收到ICMP 的回顯請求包, 則按照格式組裝一個ICMP的回顯應答包并發(fā)送主要函數(shù)有:nvoid ping_send(UCHAR xdata * inbuf, ULONG ipaddr, UINT len)發(fā)送ICMP 回顯請求給目的主機 并等待返回ICMP回顯應答nvoid dest_unreach_send(UCH

43、AR xdata * inbuf, ULONG ipaddr) 目的主機無法達到處理函數(shù)nvoid icmp_rcve(UCHAR xdata * inbuf, UINT len) 接收ICMP回顯數(shù)據(jù)4.3 傳輸層的實現(xiàn)思想1)TCP的實現(xiàn)首先定義數(shù)據(jù)結構TCP數(shù)據(jù)幀格式, 根據(jù)標準來定義。主要工作有：TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳送服務，它具有5個特征：面向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無結構的數(shù)據(jù)流和全雙工連接一旦數(shù)據(jù)報被破壞或丟失，則由TCP將其重新傳輸。主要函數(shù)有：ninit_tcp(void) 初始化TCP 協(xié)議ntcp_send(UINT flags, UINT h

44、dr_len, UCHAR nr) 發(fā)送TCP 數(shù)據(jù)nTcp_retransmit(void) 重發(fā)TCP 數(shù)據(jù)nTcp_inactivity(void) 停止TCPntcp_rcve(UCHAR xdata * inbuf, UINT len) 接收TCP 數(shù)據(jù)2)UDP的實現(xiàn)根據(jù)標準定義UDP 數(shù)據(jù)幀格式。這一部分的主要工作有: 對應用層傳下來的數(shù)據(jù)包, 加上UDP 首部和UDP 校驗和, 發(fā)往下一層。以及對下一層傳上來的數(shù)據(jù)包, 進行校驗和檢查, 若正確去掉UDP 首部, 提出數(shù)據(jù)送給應用層。需注意的是, 要產(chǎn)生一個偽首部用于UDP數(shù)據(jù)檢驗和計算。主要函數(shù)有:nvoid udp_send

45、(UCHAR xdata * inbuf, UINT port, UINT len) 發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報nvoid udp_rcve(UCHAR xdata * inbuf, UINT len) 接收UDP數(shù)據(jù)報nvoid udp_echo_service(UCHAR xdata * inbuf, UINT len) 一個簡單的處理UDP 協(xié)議的函數(shù) 將接收到的字符再發(fā)送回源IP地址4.4 協(xié)議棧的用戶接口分布于各個層次的協(xié)議功能函數(shù)共同完成一個通信的過程，最終這些函數(shù)的執(zhí)行結果，映射成各類事件，通過事件觸發(fā)來進行協(xié)議棧的管理，保證通信的可靠進行。我們將其稱為基于事件驅(qū)動機制的用戶接口。系統(tǒng)初始

46、化完成后，進入事件循環(huán)體，不斷查詢C8051F040的事件隊列是否有事件。一旦事件隊列非空，則讀取事件標志字，判斷事件類型，而后調(diào)用對應事件處理了程序。處理了程序執(zhí)行完畢后，仍然返回到事件循環(huán)體中。事件標志字由中斷直接或者間接驅(qū)動，當某個事件發(fā)生后，只需在中斷服務程序中將狀態(tài)字的對應位置位。中斷小斷向事件隊列中添加事件，而C8051F040處理程序則小停地從事件隊列中讀取事件標志字，處理事件。事件驅(qū)動機制的特點有：由于在中斷處理程序中，僅執(zhí)行了改變事件標志字這樣的簡單程序語句，把事件添加到C8051F040的事件隊列中后就立即返回，所以系統(tǒng)關閉中斷的時間很短，從而增強了系統(tǒng)對中斷處理的實時性。 C8051F040根據(jù)當前讀取的事件，進行相應事件處理或者向事件隊列中添加進一步處理所需的事件。這實際上是對任務都進行了分步處理，在執(zhí)行一步某一任務的同時，也可以執(zhí)行一步其他任務。這樣，在不影響主程序流程的情況下，提高了系統(tǒng)的實時性。事件循環(huán)體的簡要流程各事件的含義：nEVENT_ETH_ARRIVED:有待處理的以太網(wǎng)幀事件。檢測到此事件，C8051F040會調(diào)用讀CP2200接收緩沖區(qū)程序，然后對幀進行解包處理。nEVENT_TCP_RETRAN:TCP重傳事件。若TCP定時器超時，