目錄

1．現(xiàn)場總線控制技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)

2. 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題

3．Ethernet／IP協(xié)議簡介

4．Ethernet／I P通信適配器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5．EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景

5.上?？朴姎饪萍加邢薰灸転镋thernet／I P工業(yè)級產(chǎn)品做哪些服務(wù)？

Ethernet／IP協(xié)議簡介

1 現(xiàn)場總線控制技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)

20世紀(jì)90年代以后隨著現(xiàn)場總線控制技術(shù)的逐漸成熟，智能化與功能自治性的現(xiàn)場設(shè)備的廣泛應(yīng)用，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場測控儀表和傳感器等方便地接入了現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4--20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場的革命。

控制專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。然而在控制界對FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一：8種現(xiàn)場總線經(jīng)過14年的紛爭，zui后IEC的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)投票，通過以下這8種現(xiàn)場總線成為IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，F(xiàn)F之高速EtherNet即HSE。這8種現(xiàn)場總線互不兼容，這也使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現(xiàn)場總線(FF)正在制定的標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了ISO的參考模型中的3層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層)和特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31．25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1 Mbps或2．5Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實(shí)時(shí)控制的要求。又如廣泛用于汽車行業(yè)的Can總線

系統(tǒng)，其zui高的傳輸速率為1 Mbps／40米；這些現(xiàn)場總線受通訊距離制約較大。

由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。

以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它

支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)

采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測(CSMA／CD)通訊方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進(jìn)入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型的針對工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)一工業(yè)以太網(wǎng)。

由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用

支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的信息層與控制

層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。從目前國

際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在控制層已得到廣泛應(yīng)用，

并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作為*，迅速搶占著其它總線形式的市場，推動(dòng)其發(fā)

展的兩大動(dòng)力是：光纖環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用、分布智能裝置儀表。

光纖環(huán)網(wǎng)解決了兩大問題：*，輕松解決了在化工、礦業(yè)等條件的本

質(zhì)防爆問題，這一下子將以太交換設(shè)備向前推動(dòng)了一個(gè)層次，使以太網(wǎng)可以到達(dá)

工業(yè)現(xiàn)場層，*次成為真正的FieldBus；第二，通過環(huán)網(wǎng)的冗余提高以太交換

的可靠性，從而使工業(yè)以太網(wǎng)*次可以應(yīng)用對可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境中。

而分布智能的裝置儀表，解決了所謂以太傳輸時(shí)滯不確定性的詬病。首先，

光纖環(huán)網(wǎng)的千兆交換速度，已經(jīng)使絕大部分工業(yè)控制數(shù)據(jù)在可接受的時(shí)間內(nèi)交換，對于大部分的工業(yè)生產(chǎn)信息，在100ms的時(shí)滯都是可以接受的。而如果所有的控制均需要通過集中的方式進(jìn)行，顯然這個(gè)時(shí)滯又太大了?？上驳氖?，工業(yè)控制裝置和智能儀表正在向分布式發(fā)展。這種發(fā)展趨勢，導(dǎo)致大量的本地控制指令不需要通過冗長的總線來傳輸，而是由儀表或裝置的本地計(jì)算完成，這就不需要通過數(shù)據(jù)交換的方式苛刻地要求工業(yè)以太網(wǎng)的確定時(shí)延。

2 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題

工業(yè)以太網(wǎng)有著許多令人所信服的優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)商業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場仍然有著或多或少的不足和缺陷，經(jīng)過許多研究機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的不懈努力和對關(guān)鍵技術(shù)的研究，使傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)不斷改進(jìn)來滿足工業(yè)現(xiàn)場控制要求。這些關(guān)鍵技術(shù)包括通信確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)、系統(tǒng)互操作性技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)、總線供電及本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等。下面就確定性和實(shí)時(shí)性做一些介紹。

2.1 通訊確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽／碰撞(CSMA／C通訊方式，即網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過競爭的方式來獲取發(fā)送信息報(bào)文的權(quán)利，節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽信道，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)則把待發(fā)的信息報(bào)文發(fā)送出去，如果信道忙則處于等待狀態(tài)。在發(fā)送信息后檢測是否發(fā)生了碰撞，如果出現(xiàn)則退出信道等待重發(fā)。不難想象當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較重的時(shí)候大量節(jié)點(diǎn)都在嘗試重發(fā)進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，使一些節(jié)點(diǎn)的信息長時(shí)間得不到發(fā)送，這種特性稱為以太網(wǎng)的不確定性。研究表明：傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的傳輸延遲，對數(shù)據(jù)傳送要求很高的場合是不能夠應(yīng)用的，這也影響了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在確定性和實(shí)時(shí)性方面已經(jīng)基本達(dá)到了工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制的要求。

首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用了星形連接代替總線型連接。圖1示意了兩種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中的星形連接用網(wǎng)橋或路由器等設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)網(wǎng)段(Segment)，在每個(gè)網(wǎng)段上以一個(gè)多口集線器為中心，將若干個(gè)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)連接起來，這樣掛接在同一網(wǎng)段上的所有設(shè)備形成一個(gè)沖突域(Collision)。每個(gè)沖突域均采用CSMA／CD機(jī)制來管理網(wǎng)絡(luò)沖突。這種分段方法可以使每個(gè)沖突域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕、碰撞幾率減小。

圖1  以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

3  Ethernet／IP協(xié)議簡介

現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158經(jīng)過十幾年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單

一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的初衷，zui終發(fā)布了包括8種(第3版修訂后增加了兩種類型，而

成為10種類型)類型總線的標(biāo)準(zhǔn)。這說明各大總線各具特點(diǎn)、不可互相替代

的局面得到世界工控界的認(rèn)可。

目前有Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)，Ethernet／lP工業(yè)以太網(wǎng)，F(xiàn)F HSE工業(yè)

以太網(wǎng)，ProfitNet工業(yè)以太網(wǎng)等幾種協(xié)議。下來我們就Ethernet／IP工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行介紹。

EtherNet／IP(EtherNet Industry Protoco1)是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是由兩大工業(yè)組織ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association)ControlNet International所推出的的成員。和DeviceNet以及ControlNet一樣，它們都是基于CIP(Control and Informal／on Protoco1)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式的實(shí)時(shí)I／0信息和顯式信息(包括用于組態(tài)參數(shù)設(shè)置、診斷等)的有效傳輸。

EtherNet／IP采用和DevieNet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)CIP(Control and Information Protoco1)，因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。EtherNet／IP采用標(biāo)準(zhǔn)的EtherNet和TCP／IP技術(shù)來傳送CIP通信包，這樣，通用且開放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的EtherNet和TCP／IP協(xié)議，就構(gòu)成EtherNet／IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。協(xié)議的各層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)用CIP的EtherNet/IP

3.1 Ethernet／IP協(xié)議模型及協(xié)議內(nèi)容

1. 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層

EtherNet／IP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)。其主要由以太網(wǎng)控制器芯片來實(shí)現(xiàn)。從圖2可看出，不久的將來會出現(xiàn)更合適的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，

會出現(xiàn)相應(yīng)的芯片。但是上面的協(xié)議無須改變。

2 .網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層

EtherNet／IP在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP技術(shù)。對于面向控制的實(shí)時(shí)I／0數(shù)據(jù)，采用UDP／IP協(xié)議來傳送，而對于顯式信息(如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等)則采用TCP／IP來傳送過程監(jiān)控層流通的數(shù)據(jù)基本是顯式信息，采用TCP／IP來傳送，其優(yōu)先級較低。而將來采用工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet／IP協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備層，流通的數(shù)據(jù)基本是實(shí)時(shí)I／O數(shù)據(jù)，采用UDP／IP脅議來傳送，其優(yōu)先級較高。

3. 控制及信息協(xié)議(ClP)

控制及信息協(xié)議(CIP)是一種為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議，被DeviceNet、ControlNet、EtherNet／IP等3種網(wǎng)絡(luò)所采用，因此這3種網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地統(tǒng)稱為CIP網(wǎng)絡(luò).

（1）CIP的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)

①報(bào)文

CIP協(xié)議zui重要的特點(diǎn)是可以傳輸多種類型的數(shù)據(jù)。工業(yè)應(yīng)用中所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型有I／O、互鎖、配置、故障診斷、程序上載或下載等。這些不同類型的數(shù)據(jù)對傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求是不同的。重要的傳輸服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)有確定性、單位時(shí)間內(nèi)有通信行為的節(jié)點(diǎn)所占的比例、響應(yīng)時(shí)間等。

CIP根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對傳輸服務(wù)質(zhì)量要求的不同，把報(bào)文分為兩種：顯

式報(bào)文和隱式報(bào)文。顯式報(bào)文用于傳輸對時(shí)間沒有苛求的數(shù)據(jù)，比如程序的上載

下載、系統(tǒng)維護(hù)、故障診斷、設(shè)備配置等。由于這種報(bào)文包含解讀該報(bào)文所需要

的信息，所以稱為顯式報(bào)文。隱式報(bào)文用于傳輸對時(shí)間有苛求的數(shù)據(jù)，如I／O、實(shí)時(shí)互鎖等。由于這種報(bào)文不包含解讀該報(bào)文所需要的信息，其含義是在網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)就確定的，所以稱為隱式報(bào)文。由于隱式報(bào)文通常用于傳輸I／O數(shù)據(jù)，隱式報(bào)文又稱為I／O報(bào)文或隱式I／O報(bào)文。

在網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議的支持下，CIP用不同的方式傳輸不同類型的報(bào)文，以滿足它們對傳輸服務(wù)質(zhì)量的不同要求。DeviceNet給予不同類型的報(bào)文不同的優(yōu)先級，

隱式報(bào)文使用優(yōu)先級高的報(bào)頭，顯式報(bào)文使用優(yōu)先級低的報(bào)頭。ControlNet在預(yù)定時(shí)問段發(fā)送隱式報(bào)文，在非預(yù)定時(shí)問段發(fā)送顯式報(bào)文。而Ethemet／IP用TCP來發(fā)送顯式報(bào)文，用UDP來發(fā)送隱式報(bào)文。

②面向連接

CIP還有一個(gè)重要特點(diǎn)是面向連接，即在通信開始之前必須建立起連接，獲取惟一的連接標(biāo)識符(connection ID)。如果連接涉及到雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就

需要兩個(gè)CID。CID的定義及格式是與具體網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的，比如，DeviceNet的CID

定義是基于CAN標(biāo)識符的。通過獲取CD，連接報(bào)文就不必包含與連接有關(guān)的所

有信息，只需要包含CID即可，從而提高了通信效率。不過，建立連接需要用到

未連接報(bào)文。未連接報(bào)文需要包括完整的目的地節(jié)點(diǎn)地址、內(nèi)部數(shù)據(jù)描述符等信

息，如果需要應(yīng)答，還要給出完整的源節(jié)點(diǎn)地址。

對應(yīng)于兩種CIP報(bào)文傳輸，CIP連接也有兩種，即顯式連接和隱式連接。建立連接需要用到末連接報(bào)文管理器(unconnected Message Manager—UCMM)，它是CIP設(shè)備中專門用于處理未連接報(bào)文的一個(gè)部件。如果節(jié)點(diǎn)A試圖與節(jié)點(diǎn)B建立顯式連接，它就以廣播的方式發(fā)出一個(gè)要求建立顯式連接的未連接請求報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)都接收到該請求，并判斷是否發(fā)給自己的，節(jié)點(diǎn)B發(fā)現(xiàn)是發(fā)給自己的，其UCMM就做出反應(yīng)，也以廣播的方式發(fā)出一個(gè)包含CID的未連接響應(yīng)報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A接收到后，得知CID，顯式連接就建立了。隱式連接的建立更為復(fù)雜，它是在網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)建立的，在這一過程中，需要用到多種顯式報(bào)文傳輸服務(wù)。CIP把連接分為多個(gè)層次，從上往下依次是應(yīng)用連接、傳輸連接和網(wǎng)絡(luò)連接。一個(gè)傳輸連接是在一個(gè)或兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上建立的，而一個(gè)應(yīng)用連接是在一個(gè)或兩個(gè)傳輸連接的基礎(chǔ)上建立的。

③生產(chǎn)者／消費(fèi)者模型

在傳統(tǒng)的源／目的通信模式下，源端每次只能和一個(gè)目的地址通信，源端提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須保證每一個(gè)目的端的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)一些目的端可能不需要這些數(shù)據(jù)，因此浪費(fèi)了時(shí)間，而且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間會隨著目的端數(shù)目的多少而改變。而在EtherNeL／IP所采用生產(chǎn)者／消費(fèi)者通信模式下，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)不是由具體的源、目的地址起來，而是以生產(chǎn)者和消費(fèi)者的形式提供，允許網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)從一個(gè)數(shù)據(jù)源存取同一數(shù)據(jù)，因此使數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到了*化，每個(gè)數(shù)據(jù)源只需要一次性的把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，其它節(jié)點(diǎn)就可以選擇性地接收這些數(shù)據(jù)，避免了浪費(fèi)帶寬，提高了系統(tǒng)的通信效率，能夠很好地支持系統(tǒng)的控制、組態(tài)和數(shù)據(jù)采集。

（2） CIP 協(xié)議功能及特征

EtherNet/IP 其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP 部分。CIP 一方面提供實(shí)時(shí)I/O 通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對等傳輸。其控制部分通過隱形報(bào)文來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O 通信，信息部分則通過顯性報(bào)文來實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。CIP 協(xié)議的一個(gè)重要的特性，是其介質(zhì)無關(guān)性。即CIP 作為應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)施與底層介質(zhì)無關(guān)。這就是人們可以在控制系統(tǒng)和I/O 設(shè)備上靈活實(shí)施這一開放協(xié)議的原因。同樣，當(dāng)未來新型的通訊手段出現(xiàn)時(shí)，人們一樣可以方便地將其移植到更高性能的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施，并且提供全部的網(wǎng)絡(luò)功能，保證與原有現(xiàn)場總線或者以太網(wǎng)技術(shù)的透明性和一致性。

3.2 EtherNet/IP 的通信機(jī)制

1. 通信模式

不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生產(chǎn)/消費(fèi)模式，它允許網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)/消費(fèi)模式中，數(shù)據(jù)被分配一個(gè)*的標(biāo)識，每一個(gè)數(shù)據(jù)源一次性的將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，其他節(jié)點(diǎn)選擇性的讀取這

些數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的通信效率。

2. CIP 報(bào)文通信

CIP 報(bào)文定義了顯式報(bào)文和隱式報(bào)文兩種報(bào)文類型, 隱式報(bào)文是對時(shí)間有苛刻要求的I/O信息(時(shí)間觸發(fā)、控制器互鎖等等)，此時(shí)數(shù)據(jù)量不大但需要高的速度或需要較長的源節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)連接時(shí)間，所以這部分采用的是速度較快的UDP 協(xié)議；顯式報(bào)文數(shù)據(jù)量較大但不需要一直連接所以這部分采用TCP 協(xié)議。

CIP 報(bào)文的通信分為無連接的通信和基于連接的通信。無連接的報(bào)文通信是CIP 定義的zui基本的通信方式。設(shè)備的無連接通信資源由無連接報(bào)文管理器UCMM 管

理。無連接通信不需要任何設(shè)置或任何機(jī)制保持連接激活狀態(tài); 基于連接的報(bào)文通信是CIP 網(wǎng)路傳遞報(bào)文的另一種方式,可用來傳遞I/O數(shù)據(jù)和顯式報(bào)文。這種通信方式支持生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的多點(diǎn)傳輸關(guān)系, 一次向多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。

4  Ethernet／I P通信適配器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

EtherNet／IP硬件設(shè)備開發(fā)主要有2種方式：一種是基于單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；另外一種是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，有非常多資源可供設(shè)計(jì)者使用，同時(shí)嵌入式系統(tǒng)硬件制作成本低，硬件設(shè)備可以設(shè)計(jì)的更為緊湊，有利于系統(tǒng)的小型化。下來介紹采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)Ethernet／IP通信適配器。

4．1 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

Ethernet／IP通信適配器作為工業(yè)控制中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性、可靠性上較商用以太網(wǎng)有著更嚴(yán)格的規(guī)范和要求，硬件必須能夠滿足這些功能及要求。而微處理器是系統(tǒng)的控制核心，其性能的好壞直接決定了系統(tǒng)性能的優(yōu)劣；因此，本通信適配器選用三星公司的ARM9 S3C2410為CPU，其有豐富的外圍接口功能，強(qiáng)大的處理能力。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，外圍擴(kuò)展了64MbitsSRAM、64Mbits NAND FLASH、以太網(wǎng)控制其CS8900、RS232串口、I/O接口、JTAG程序?qū)崟r(shí)仿真接口等。系統(tǒng)總體硬件如圖3

圖3 系統(tǒng)總體硬件

4．2電源設(shè)計(jì)

本通信適配器可以接現(xiàn)場I／O模塊(現(xiàn)場I／O模塊分為數(shù)字I／O及模擬I／O)，因此，設(shè)計(jì)電源時(shí)需充分考慮電源的驅(qū)動(dòng)能力。電源不僅要給通信適配器供電，而且，需要給I／O模塊的數(shù)字電路部分供電。本設(shè)計(jì)采用的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，可滿足8個(gè)擴(kuò)展I／O模塊的驅(qū)動(dòng)能力。通信適配器中，不同的芯片采用的所要求的供電電壓是不一樣的。S3C2410需要的供電電壓有：3．3V的數(shù)字電壓及模擬電壓、1．8V的數(shù)字電壓及模擬電壓、1．8V的PLL源電壓；SRAM、NAND FLASH、I／O采用3．3V電壓；JTAG、以太網(wǎng)控制其采用5V電壓供電。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場提供24VDC電源，因此，設(shè)計(jì)的電源模塊必須提供把24VDC轉(zhuǎn)換成5V、3．3V及1．8V的能力。

4．3復(fù)位電路設(shè)計(jì)

由于ARM芯片的高速、低電壓供電和低功耗導(dǎo)致其噪聲容限較低，對電源的紋波、瞬時(shí)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控的可靠性等諸多方面提出了更高的要求。為了保證系統(tǒng)在上電啟動(dòng)及電壓不穩(wěn)定時(shí)能夠正確工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了專門的微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708TESA。電路如圖4所示。

圖4  電源監(jiān)控及復(fù)位電路

在圖4中，信號RESET連接到以太網(wǎng)控制器CS8900的復(fù)位引腳，因?yàn)镃S8900的復(fù)位信號為高有效；信號RESET連接到S3C2410的復(fù)位引腳／RESET以及芯片內(nèi)部JTAG接口電路的復(fù)位腳TRST。當(dāng)復(fù)位按鍵Sl按下時(shí)，MAX708T立即輸出復(fù)位信號，其引腳RESET輸出高電平復(fù)位信號，引腳RESET輸出低電平復(fù)位信號；此時(shí)S3C2410及以太網(wǎng)控制器CS8900都將復(fù)位。

ARM微處理器必須保證在穩(wěn)定的復(fù)位狀態(tài)下啟動(dòng)，當(dāng)微處理器在未知狀態(tài)時(shí)，必須使它保持復(fù)位狀態(tài)。MAX708TESA保證低電壓的時(shí)候處理器處于復(fù)位狀態(tài)，避免系統(tǒng)在上電、掉電及電源狀態(tài)不穩(wěn)定的時(shí)候代碼執(zhí)行出錯(cuò)。當(dāng)上電的時(shí)候，如果電源達(dá)到1V，／RESET引腳輸出邏輯低電平，RESET引腳輸出邏輯高電平。當(dāng)電源超出了復(fù)位的門欄電壓，MAX708TESA的內(nèi)部定時(shí)器保證／RESET和RESET引腳保持200ms的復(fù)位信號，這就保證了系統(tǒng)在電源不穩(wěn)定或者電源過低的情況下始終維持在復(fù)位狀態(tài)，降低系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)的可能性。

4．4以太網(wǎng)通訊接口設(shè)計(jì)

4．4．1以太網(wǎng)電路原理

以太網(wǎng)控制器是Ethernet／IP通信適配器中一個(gè)非常重要的物理部件，它實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。為了保證設(shè)備能夠很好地滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，所選用的以太網(wǎng)控制器需具備以下一些特點(diǎn)：能在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，對高溫低溫、噪聲、震動(dòng)等有一定的抵抗能力；支持全雙工通訊；支持10Mbit／s或100Mbit／s傳輸速率等。S3C2410A沒有內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器，本文采用Cirrus Logic公司開發(fā)的CS8900A—IQ3作為Ethernet／IP通信適配器的以太網(wǎng)控制CS8900A-IQ3主要特點(diǎn)是：lOMbit／s的傳輸速率、支持全雙工運(yùn)作模式、內(nèi)建緩沖區(qū)提供傳送接收訊框(Frames)、可對錯(cuò)誤的封包自動(dòng)排除等；此外，其*的PacketPagel”結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)調(diào)適網(wǎng)絡(luò)交通的模式以及系統(tǒng)可用的資源。以太網(wǎng)通訊接口設(shè)計(jì)中還需使用隔離變壓器，其主要作用是把設(shè)備的有源部分和其網(wǎng)絡(luò)接口隔離開，以避免干撓網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。隔離變壓器應(yīng)該提供盡可能高的共模抑制比，ODVA／CI推薦采用在30HZ時(shí)共模抑制比在59dB以上的隔離變壓器。

4．4．2以太網(wǎng)芯片CS8900A-IQ3功能描述

圖5  CS8900A-CQ3功能圖

在電源開啟或硬件復(fù)位后，CS8900A--IQ3要傳送或接收封包時(shí)必須先芯片內(nèi)部的組態(tài)、控制寄存器作參數(shù)的設(shè)置，比如說：存儲器的基底位址、以太網(wǎng)絡(luò)的物理位址、什么形態(tài)的訊框可以被接收和底層媒體介面是什么等等設(shè)置。這些參數(shù)的來源有兩個(gè)地方：一個(gè)是由host透過ISA匯流排寫入CS8900A-CQ3，另一個(gè)則是通過外部EEPROM自動(dòng)載入進(jìn)來。在所有寄存器設(shè)置完畢后CS8900A-CQ3便可進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作.基本上CS8900A—CQ3的主要運(yùn)作有兩個(gè)部份：封包傳送、封包接收。

封包傳送：

在CS8900A-CQ3的封包傳送過程中有兩個(gè)階段：

(1)封包傳送*個(gè)階段：

主機(jī)將封包數(shù)據(jù)搬移至CS8900A—C03的緩沖存儲器，這樣子的搬移動(dòng)作是在主機(jī)發(fā)出傳送命令時(shí)所發(fā)生的。傳送命令是要通知CS8900A-CQ3有封包數(shù)據(jù)需要被傳送，并且何時(shí)要被傳送(可在CS8900A-CQ3緩存器內(nèi)設(shè)置成5，381，1021或是所有bytes被傳送出去)，以及如何被傳送出去(有無CRC、添加的位數(shù)據(jù)等等)。在傳送命令發(fā)出后，傳送的長度也要告知，這樣CS8900A-CQ3需要多少的緩沖空間才可被配置出來。當(dāng)足夠的緩沖空間被配置出來后，主機(jī)便可透過I／O模式或是Memory的模式，將封包數(shù)據(jù)寫入CS8900A-CQ3的內(nèi)部存儲器。

(2)封包傳送第二個(gè)階段：

CS8900A—CQ3將封包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)絡(luò)訊框，之后送到網(wǎng)絡(luò)CS8900A—CQ3會在傳送緩沖空間累積到足夠的數(shù)據(jù)(先前在CS8900A—CQ3緩存器內(nèi)設(shè)置成5，381，1021或是所有bytes被傳送出去等情形)，便馬上傳送出去。被傳送出去的數(shù)據(jù)依照IEEE802．3以太網(wǎng)絡(luò)訊框的格式(如下圖所示)傳送到網(wǎng)絡(luò)上，以太網(wǎng)絡(luò)訊框的zui大數(shù)據(jù)酬載量(Payload)為1500 Bytes，zui小為46 Bytes，如果上層封包數(shù)據(jù)量(包含CRC即Cyclic Redundancy Check，也就是FCS即Frame CheckSequence)小于46Bytes，那么CS8900A-CQ3會依照緩存器的設(shè)定來決定是否要填加位以補(bǔ)足訊框的zui小量，zui后再加上4 Bytes FCS送出。

封包接收：

(1)封包接收的*個(gè)階段：

CS8900A-CQ3接收以太網(wǎng)絡(luò)訊框后，將訊框存放在內(nèi)部芯片的內(nèi)存中，將前導(dǎo)的字節(jié)(preamble)以及Start of Frame啟始字節(jié)移除掉，然后利用地址過濾器比對是否該接收的訊框目的地的地址與網(wǎng)絡(luò)芯片所設(shè)置的地址相同，如果正確的話，便存放在CS8900A—CQ3內(nèi)部存儲器，然后CS8900A-CQ3檢查CRC以及相關(guān)設(shè)定，

以更進(jìn)一步確認(rèn)訊框之無誤，然后通知微處理器訊框已被接收的事件。

(2)封包接收的第二個(gè)階段：

主機(jī)利用ISA總線來傳送已接收的訊框至主機(jī)上的內(nèi)存存放。而這個(gè)傳送的動(dòng)作可以利用I／0模式、Memory模式或DMA模式達(dá)成。

4．5串行通訊接口設(shè)計(jì)

S3C2410A內(nèi)置3通道UART控制器，可以基于DMA模式或中斷模式工作，支持5bits、6bits、7bits或者8bits串行數(shù)據(jù)發(fā)送／接收。本文采用MAXIMG公司為嵌

入式低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的MAX3232作為串口通訊收發(fā)器，MAX3232工作電壓為3．3V，輸出電平*兼容RS232工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，zui大收發(fā)速率為120kbps。本文設(shè)計(jì)Ethernet／IP通訊模塊可通過串口直接與PC機(jī)連接，并使用串口為程序調(diào)試打印信息。串行通訊接口如圖6所示：

圖6 RS232接口電路圖

4．6  主從USB接口設(shè)計(jì)

包括一個(gè)USB主機(jī)端口和一個(gè)USB設(shè)備端口。主機(jī)端口連接外圍設(shè)備，如鼠標(biāo)等，設(shè)備端口用于連接PC機(jī)。S3C2410A芯片內(nèi)集成了USB主從控制器，因此，電路上只需加效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)即可構(gòu)成完整的USB電路，無需加任何USB芯片，這大大簡化了電路設(shè)計(jì)。

4．7 外部I／0擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

Ethernet／IP通信適配器采用總線模式與多個(gè)數(shù)字I／O模塊相連接，在通信適配器內(nèi)部給每個(gè)I／O模塊分配了一個(gè)的物理地址，S3C2410A通過具體的物理地址直接讀寫I／O模塊的數(shù)據(jù)。在S3C2410A與I／O接口之間采用了總線驅(qū)動(dòng)器件，一方面提高主控制器的總線驅(qū)動(dòng)能；另一方面可以隔離S3C2410A系統(tǒng)總線與外部I／O模塊直接連接。外部擴(kuò)展I／O接口原理如圖4．12所示。圖8中／CER為外部I／O模塊的片選信號，／RW輸出型I／O的寫信號，／OE為輸入型I／O的讀信號， T為I／O模塊產(chǎn)生的中斷信號。對于比較重要的I／O可以采用中斷的方式進(jìn)行讀寫，正常情況下，以查詢方式讀寫I／O數(shù)據(jù)。

5  EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景

EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)具有許多優(yōu)點(diǎn),比如由其組成的系統(tǒng)兼容性和互操作性好,資源共享能力強(qiáng),可以很容易的實(shí)現(xiàn)將控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享; 數(shù)據(jù)的傳輸距離長、傳輸速率高;易與Internet 連接,低成本、易組網(wǎng),與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器的接口十分方便,受到了廣泛的?；谏虡I(yè)以太網(wǎng)開發(fā)的各種以太網(wǎng)報(bào)文偵聽和流量優(yōu)化控制軟件，甚至可以不加改變的應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中。

但是，工業(yè)以太網(wǎng)也有瓶頸，主要是缺乏實(shí)時(shí)性和確定性、報(bào)文利用率低、回路供電、實(shí)時(shí)性環(huán)境適應(yīng)等問題。以太網(wǎng)采用的CSMA/CD 協(xié)議，不支持優(yōu)先級。報(bào)文頭部比較大，載荷數(shù)據(jù)相對較少，相對現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的一些現(xiàn)場總線協(xié)議而言，報(bào)文利用率較低?？偩€上無電源。這不但增加了重新購買電源和布置電源線的費(fèi)用，而且現(xiàn)有以太網(wǎng)線比現(xiàn)場總線更容易受到電磁干擾。缺乏工業(yè)級的接插件。由于工業(yè)現(xiàn)場存在的腐蝕性氣體，震動(dòng)、維修和檢測時(shí)的經(jīng)常拔插等問題。因此需要一種通用工業(yè)級接插件。但是工業(yè)級接插件的引入勢必增加設(shè)備的投資。所以，目前EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用主要是在自動(dòng)化領(lǐng)域的信息層和控制層。在設(shè)備層則使用ODVA 支持的ControlNet DeviceNet現(xiàn)場總線，利用總線在設(shè)備層的抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)作為以太網(wǎng)的補(bǔ)充。

5.上?？朴姎饪萍加邢薰灸転镋therNet/IP提供哪些服務(wù)

1、可靠的嵌入式插座服務(wù)，3000多種產(chǎn)品可根據(jù)實(shí)際需要任客戶選擇。特殊工藝需求可配合客戶定制研發(fā)/生產(chǎn)等

2、可靠的連接線束服務(wù)。

（1）寬泛的產(chǎn)品線：M8到M23的圓形連接器超過3000種電纜的選擇。

（2）針對各行業(yè)的專業(yè)連接器：汽車、航空、食品飲料、包裝、電梯、半導(dǎo)體等行業(yè)

（3）定制化服務(wù)：可做到Co-fly產(chǎn)品連接其他品牌產(chǎn)品、分線盒分線器產(chǎn)品定制、特種電纜定制，特別指出的是分線盒內(nèi)部線路可以根據(jù)客戶實(shí)際需要接受定制，更好的滿足客戶現(xiàn)場布線要求。

（4）產(chǎn)能：每周20,000只、包括復(fù)雜的高技術(shù)含量產(chǎn)品以及不斷涌現(xiàn)的新產(chǎn)品、沒有zui小起訂量要求

（5）服務(wù)：科迎法（co-fly）技術(shù)人員直接與客戶溝通、快速反饋、客戶拜訪提供工業(yè)現(xiàn)場解決方案。

（6）很少對客戶說不

3、圓形連接器。

（1）預(yù)鑄式連接器選型需確認(rèn)的技術(shù)參數(shù)：針數(shù)、尺寸、電纜類型、是否屏蔽、針座還是孔座、接頭材質(zhì)。電纜長度以0.1m為增量，標(biāo)準(zhǔn)長度為2m。

（2）法蘭連接器選型需確認(rèn)的技術(shù)參數(shù)：前端鎖緊還是后端鎖緊、尺寸大小、鎖緊螺紋尺寸、外殼材質(zhì)。

（3）現(xiàn)場可接線連接器：可以與科迎法（co-fly）預(yù)鑄式連接器、法蘭連接器兼容、多種配置、可螺接、可焊接、屏蔽。

4、電纜選型需要考慮的問題：

溫度、環(huán)境（室內(nèi)/戶外）、耐化學(xué)腐蝕、固定還是活動(dòng)、屏蔽。

（1）PVC電纜：成本低、柔性高、耐氧化、防水性好、耐惡劣天氣，控制系統(tǒng)、儀器儀表及數(shù)據(jù)傳輸為應(yīng)用目標(biāo)。

（2）PUR電纜：結(jié)實(shí)耐用、柔性高、有量的耐磨和耐油性，控制系統(tǒng)、儀器儀表及數(shù)據(jù)傳輸為應(yīng)用目標(biāo)。

（3）高柔性電纜：次折彎壽命高、Teflon包裹、減少down線時(shí)間，機(jī)器人、C型導(dǎo)軌及任何活動(dòng)裝置為應(yīng)用目標(biāo)。

（4）焊接現(xiàn)場電纜：抗焊接火花、瞬時(shí)溫度可高達(dá)+250℃、高抗拉強(qiáng)度，焊接機(jī)器人為應(yīng)用目標(biāo)。

隨著網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)的發(fā)展，EtherNET/IP 工業(yè)以太網(wǎng)有一網(wǎng)到底的美景，它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的可靠解決方案。