船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、上海海事大學(xué)學(xué)位論文 船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究與應(yīng)用 摘 要 本課題主要研究船舶機(jī)艙自動化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計。 本文首先介紹了課題 的背景和研究意義， 并從船舶自動化技術(shù)的快速發(fā)展所帶來的機(jī)艙信息網(wǎng)絡(luò)化入手，介紹 CAN 總線和工業(yè)以太網(wǎng)在船舶機(jī)艙自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文在深入 研究了國內(nèi)外最新船舶機(jī)艙自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 確 定了基于 CAN 總線和工業(yè)以太網(wǎng)的雙冗余船舶機(jī)艙自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模 型，并對冗余雙 CAN 總線設(shè)計和冗余環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行了論述。本系統(tǒng) 采用的冗余 10Mbps 工業(yè)以太網(wǎng)和冗余雙 CAN 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，很大程度上解決

2、 了傳統(tǒng)機(jī)艙自動化網(wǎng)絡(luò)存在的不足， 靈活地實現(xiàn)了機(jī)艙儀器和設(shè)備的綜合監(jiān)控和 管理，保障了機(jī)艙的安全和集中指揮調(diào)度，節(jié)省了人力，提高了效率。同時通過 冗余技術(shù)保障了系統(tǒng)的持續(xù)運行，提高了系統(tǒng)的可靠性，符合機(jī)艙自動化系統(tǒng)信 息和控制集成一體化的發(fā)展方向。 本論文最后還論述了 CAN 總線和工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的模型方案、 設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，并用最后兩個章節(jié)詳細(xì)論述的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計。其 中第五章詳述了互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思想、關(guān)鍵技術(shù)和硬件實現(xiàn)，采用內(nèi)置 CAN 控 制器的 AT90CAN128 為主控制器，采用以太網(wǎng)芯片 RTL8019AS 實現(xiàn)嵌入式以 太網(wǎng)接口。第六章闡述了互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的軟件

3、設(shè)計，主要包括 CAN 總線接口通信程 序、工業(yè)以太網(wǎng)驅(qū)動程序和 CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序三部分。 CAN 總線和工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)關(guān)解決了船舶機(jī)艙中兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之 間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)共享的問題，實現(xiàn)了 CAN 總線與工業(yè)以太網(wǎng)之間實時數(shù)據(jù) 的快速交換，完成了機(jī)艙自動化系統(tǒng)信息和控制的集成，具有較好的實際應(yīng)用價 值。 關(guān)鍵字：機(jī)艙綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，CAN 現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)，雙冗余設(shè)計，嵌入 式互聯(lián)網(wǎng)關(guān) ABSTRACT This paper researches communication and network technologies of the ship integrated a

4、utomation system. Firstly, some background information and research significance related to this thesis are introduced. Then the thesis pays attention to CAN Bus and Industrial Ethernet applications in the ship integrated automation system. At the same time, the paper presents a feasible design of a

5、 ship integrated monitoring and control network system based on the combination of dual CAN- bus and dual 10Mbps Ethernet.This design overcomes the disadvantages of the traditional ship automation network and ensures the running safety of the marine engine and improves efficiency, according with the

6、 integration development trends of ship automation system in marine engine room. Also the redundancy design improves the systems reliability. Finally, the method to connect CAN-Bus with Ethernet is studied in detail, and the paper describes the hardware and software design of the embedded gateway wi

7、th the last two chapters. Chapter V details the design ideas, key technologies and hardware design of the embedded interconnection gateway, using AT90CAN128 with CAN controller as the main microcontroller and a RTL8019AS chip to complete an embedded Ethernet interface. Chapter VI described the softw

8、are design of the embedded gateway, including CAN-bus interface communication program, Ethernet interface device driver and CAN-Ethernet protocol conversion program. The embedded CAN/Ethernet gateway realizes the functions of network communication, data exchange, and information integration between

9、CAN-Bus and Ethernet in ship, which has a bright future and potential value. Keywords: Integrated automation ship communication system.CAN-bus. Ethernet. Dual redundancy design. Embedded gateway 目 錄摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 緒論 . 1 1.1 船舶機(jī)艙自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢. 1 1.2 本課題選擇的背景和意義. 2 1.3 論文完成的主要內(nèi)容和體系結(jié)構(gòu). 3 第二章

10、 現(xiàn)場總線在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 4 2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述. 4 2.2 船用現(xiàn)場總線的優(yōu)越性. 5 2.3 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)的研究 . 6 2.3.1 CAN 技術(shù)規(guī)范簡介及特點 . 6 2.3.2 CAN 總線通信協(xié)議模型及分層結(jié)構(gòu) . 8 2.4 CAN 總線在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 9 第三章 工業(yè)以太網(wǎng)在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 . 11 3.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究. 11 3.1.1 工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu). 12 3.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu). 14 3.2 工業(yè)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議與實時性分析. 15 3.3 CAN 總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的對比及

11、共存方案的研究 . 18 第四章 船舶機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)雙冗余通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 . 20 船舶機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)雙冗余通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)雙冗余通信網(wǎng)絡(luò) 4.1 雙冗余網(wǎng)絡(luò)型機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)模型. 20 4.2 CAN 總線冗余方案的研究與設(shè)計 . 22 4.3 工業(yè)以太網(wǎng)的冗余方案的研究與設(shè)計. 24 第五章 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)的研究及硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 26 5.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的必要性 . 26 5.2 系統(tǒng)集成互聯(lián)方案及協(xié)議轉(zhuǎn)換思想. 26 5.2.1 互聯(lián)網(wǎng)關(guān)模型. 28 5.2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換思想. 28 5.3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計. 29 5

12、.3.1 系統(tǒng)方案分析論證與硬件選型. 29 5.3.2 主要芯片功能簡介. 32 5.3.3 外部擴(kuò)展 RAM 模塊 . 34 5.3.4 CAN 接口模塊 . 35 5.3.5 工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊. 38 5.3.6 RS-232 串口模塊 . 41 5.3.7 硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計. 41 第六章 互聯(lián)網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)的設(shè)計 . 43 6.1 CAN 總線接口模塊 . 43 6.2 工業(yè)以太網(wǎng)模塊. 45 6.2.1 RTL8019AS 的初始化及 RAM 數(shù)據(jù)的讀取 . 45 6.2.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收. 47 6.2.3 嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn). 50 6.3 CA

13、N-工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 . 59 第七章 總結(jié)與展望 . 60 參考文獻(xiàn) . 64 致 謝 . 67 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文情況 . 68 附錄一 CAN 接口模塊程序. 69 附錄二 工業(yè)以太網(wǎng)模塊驅(qū)動程序 . 72 協(xié)議棧實現(xiàn)程序（部分） 附件三 嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)程序（部分） . 74 第一章 緒論 1.1 船舶機(jī)艙自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 船舶機(jī)艙自動化是船舶自動化的重要組成部分， 是衡量船舶現(xiàn)代化程度的重 要標(biāo)志之一，船舶機(jī)艙自動化技術(shù)已成為當(dāng)代船舶界共同關(guān)注的課題之一。船舶 機(jī)艙自動化系統(tǒng)是集機(jī)艙動力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)自動控制、監(jiān)測、報警等于一體的 綜合監(jiān)控系統(tǒng)，

14、是涉及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、通信 及信息處理技術(shù)、電力電子技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)綜合應(yīng)用的一體化產(chǎn)物。機(jī)艙 自動化系統(tǒng)包括主動力系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)的控制與監(jiān)測，例如主機(jī)遙 控系統(tǒng)、機(jī)艙綜合監(jiān)測報警系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)等。未來船舶機(jī)艙自動化技術(shù)模塊化以、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、集成化、智能化等方式，向著開放式和網(wǎng)絡(luò)化這個更 高層次階段方向發(fā)展1。歐美主要海事大國的船舶儀器廠商都已推出了具有現(xiàn)代 化先進(jìn)水平的大型船舶自動化裝備。 船舶機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)艙自動化系統(tǒng)最早采用的形式。 它可以代替輪機(jī)人員在較為惡劣的環(huán)境下對主機(jī)及輔助設(shè)備的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測， 并在運行設(shè)備 發(fā)生故障

15、后給出聲、光報警信號。當(dāng)輪機(jī)人員應(yīng)答后撤銷報警，并進(jìn)入故障記憶狀態(tài)，排除故障后即可撤銷故障記憶。同時，還可將報警信號延伸至公共場所、 輪機(jī)長及值班人員處所，從而實現(xiàn)真正意義上的無人職守2。由此可見，先進(jìn)的 機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)不僅能夠提高運營經(jīng)濟(jì)性、 安全可靠性而且極大地推動了船舶 自動化的進(jìn)程和“智能型”船舶的實現(xiàn)。 上世紀(jì) 90 年代，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的新型全分布式控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為實現(xiàn) 控制系統(tǒng)各節(jié)點之間可靠、實時的數(shù)據(jù)通信提供了有力的技術(shù)保障，對自動監(jiān)控 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計方案、安裝測試方法等方面產(chǎn)生了較深遠(yuǎn)的影響，并逐步 應(yīng)用于船舶機(jī)艙自動監(jiān)控領(lǐng)域。 船舶機(jī)艙分布式總線監(jiān)控系統(tǒng)最初是由加

16、拿大海 軍研發(fā)并廣泛應(yīng)用于驅(qū)逐艦、潛艇等。它以總線為核心，將所有控制臺中的微機(jī) 連接成網(wǎng)，共享數(shù)據(jù)3。進(jìn)入 21 世紀(jì)，各研究機(jī)構(gòu)紛紛加強(qiáng)了該系統(tǒng)的研制。 目前，挪威的 Kongsberg 公司、美國 Sperry 公司和丹麥 Lyngso 公司都已開發(fā)出 較為先進(jìn)的船舶機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)。并已實際應(yīng)用于各類船舶。 我國在船舶機(jī)艙自動化技術(shù)方面起步較晚， 與國外先進(jìn)技術(shù)相比還存在較大 差距。目前國內(nèi)研制機(jī)艙綜合監(jiān)控裝置，在測量、控制精度、穩(wěn)定性和可靠性方 面均不太理想。因此，加快研發(fā)高可靠性、功能齊全的網(wǎng)絡(luò)型多微機(jī)分布式機(jī)艙 自動化控制系統(tǒng)將是我國船舶機(jī)艙自動化技術(shù)的發(fā)展方向4。 1.2 本課題

17、選擇的背景和意義 隨著我國航運事業(yè)的蓬勃發(fā)展， 對船舶自動化、 信息化水平的要求越來越高。 雖然近年來我國船舶機(jī)艙自動化技術(shù)發(fā)展迅速， 但與國際先進(jìn)技術(shù)水平相比還存 在較大差距。 主要變現(xiàn)為： 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的船用條件適應(yīng)性不夠、 船舶信息的集成度、 通信的安全性和可靠性不高。因此，探索和跟蹤國外船舶自動化領(lǐng)域的最新發(fā)展 趨勢，通過自主研發(fā)與引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，加快我國船舶機(jī)艙自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的全面研究和產(chǎn)品開發(fā)，促進(jìn)機(jī)艙自動化產(chǎn)品的升級換代，全面提高我國船舶機(jī) 艙自動化技術(shù)水平具有重要的現(xiàn)實意義。本課題的研究出發(fā)點也正是如此。 為了將機(jī)艙各種相對獨立的子系統(tǒng)集成為一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)通信平臺， 以往

18、常采用子系統(tǒng)組合方式。各個獨立子系統(tǒng)只能單獨操作，不能實現(xiàn)信息的共享。 現(xiàn)場總線技術(shù)正是滿足了船舶信息集成化的發(fā)展需要， 將船舶的各個控制對象綜 合成統(tǒng)一的控制整體。并且隨著通信技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各子系統(tǒng)之 間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和集中統(tǒng)一操作成為可能5。為此需要在船用底層現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和上 層綜合監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)之間加入網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換的專門網(wǎng)關(guān)設(shè)備， 使二者實現(xiàn) 互連、互通，形成船舶機(jī)艙一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)平臺。這樣不僅擴(kuò)網(wǎng)方便，操作使 用簡單，而且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與資源的共享，便于實現(xiàn)船舶監(jiān)控、診斷和維 護(hù)功能，為船舶管理的優(yōu)化控制、調(diào)度決策提供依據(jù)，對今后船舶機(jī)艙綜合自動 化系統(tǒng)的發(fā)展具有普遍

19、意義。 隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代船舶營運對船舶自 動化系統(tǒng)信息集成化程度的要求越來越高， 對船員自動化技術(shù)水平的要求也越來 越高。因此，自動化機(jī)艙實驗室在船員培訓(xùn)教學(xué)中起到越來越重要的作用。鑒于 此，我國航海類高等院校相繼建立了自動化模擬機(jī)艙實驗室，為我國航海事業(yè)輸 送了大批優(yōu)秀人才。隨著航海技術(shù)與自動化技術(shù)的不斷提高，新型船舶自動化技 術(shù)大量出現(xiàn)并逐漸成為當(dāng)今造船技術(shù)的主流。正是在這個背景下，為使理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練與國際最新技術(shù)接軌，各船舶機(jī)艙實驗室需要不斷的改進(jìn)與升級。本 課題作為上海海事大學(xué)與南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院合作開發(fā)的新型自動化機(jī)艙項 目的一部分，著重對船舶

20、自動化機(jī)艙的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究與設(shè)計。 1.3 論文完成的主要內(nèi)容和體系結(jié)構(gòu) 本課題對船舶自動化機(jī)艙的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計， 主要解決船舶自 動化機(jī)艙的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、 機(jī)艙底層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與船舶綜合監(jiān)控局域網(wǎng)之間的 數(shù)據(jù)通信及二者互聯(lián)等技術(shù)問題。結(jié)合該項目的實際研制開發(fā)過程，本課題完成 如下工作： 1 探討 CAN 總線的基本工作原理，研究 CAN 現(xiàn)場總線的性能特點，CAN 通信協(xié)議模型及分層結(jié)構(gòu)，并對 CAN 總線各類冗余方案進(jìn)行研究。 2 對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及 TCP/IP 協(xié)議棧進(jìn)行深入研究，分析工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) 的實時性與安全性，最后對 CAN 總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對比并且設(shè)

21、計 了兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的共存方案。 3 論述在船舶自動化機(jī)艙中采用 CAN 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)越性，在 深入研究國內(nèi)外最新機(jī)艙自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 確定 基于 CAN 總線和工業(yè)以太網(wǎng)的雙冗余船舶機(jī)艙自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型， 并對冗余雙 CAN 總線設(shè)計和冗余環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行了論述。 4 深入研究 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)的互聯(lián)技術(shù)，確定網(wǎng)關(guān)模型和協(xié)議 轉(zhuǎn)換思路，著重進(jìn)行網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并分為兩個章節(jié)分別詳細(xì)描述了網(wǎng) 關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 本課題的研究成果已成功應(yīng)用于上海海事大學(xué)與南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院合 作開發(fā)的輪機(jī)自動化機(jī)艙中。第二章 現(xiàn)

22、場總線在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述 按照國際電工委員會和現(xiàn)場總線基金會的定義， 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè) 備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、全雙向、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。從通信規(guī)范意義上 講， 現(xiàn)場總線實質(zhì)上是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的工業(yè)控制系統(tǒng)的新型通 信標(biāo)準(zhǔn)，是自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)6。它不僅是當(dāng)今控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù) 和通信技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點，同時也是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到現(xiàn)場的必然結(jié) 果?，F(xiàn)場總線技術(shù)己成為工業(yè)自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重點課題，采用現(xiàn)場總線技 術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)場儀表的智能化，控制功能的分散化和控制系統(tǒng)的開放化，符合工 業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。 早期的集散控

23、制系統(tǒng)(DCS)采用專用的控制器和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，不同廠家 之間缺乏互操作性和互換性， 而處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)仍采用一對 一連線，用電壓、電流的模擬信號進(jìn)行測量和控制，難以實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間以 及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島” 。隨著微處理器 與計算機(jī)功能的增強(qiáng)和價格的降低，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，為實現(xiàn)信息 集成和綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠的、 造價低廉的通信系統(tǒng)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層設(shè)備 之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界之間的信息交換。 現(xiàn)場總線就是在這種實際需要的促使 下應(yīng)運而生。 現(xiàn)場總線系統(tǒng) FC

24、S 在技術(shù)上具有以下幾方面的優(yōu)點6： 1 系統(tǒng)的開放性。開放性是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的 共識和遵從?，F(xiàn)場總線作為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以通 過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與不同層次的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)互連，共享資源，統(tǒng)一調(diào)度。 用戶可按自己的需要和考慮，通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互聯(lián)系統(tǒng)。 2 全分布與現(xiàn)場設(shè)備的智能化?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)可以將傳感、計算、報警與控 制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備與儀表中完成，減少了變送器、調(diào)節(jié)器等大量的中間環(huán) 節(jié)及復(fù)雜接線，實現(xiàn)真正的分布式控制和現(xiàn)場設(shè)備的智能化。3 全數(shù)字化?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全數(shù)字化信號傳輸，提高了控制系統(tǒng)的可靠 性。 4 互

25、操作性?，F(xiàn)場儀表和設(shè)備品種繁多，在遵守相同通信協(xié)議的前提下，現(xiàn) 場總線允許不同制造商的產(chǎn)品集成在一起， 實現(xiàn)不同品牌的儀表和設(shè)備之間的互 相連接，并統(tǒng)一組態(tài)。 5 通信線路供電。對于功耗要求低的現(xiàn)場本質(zhì)安全儀表，直接從通信線路上 獲得電源。 6 較強(qiáng)的現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性?，F(xiàn)場總線可支持雙絞線、同軸電纜、光纖、紅 外線、射頻、電力線等，具有較強(qiáng)抗干擾能力，并可滿足本質(zhì)安全防爆等要求。 綜上所述，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)既是一個開放式的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)， 又是一個全分布式的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，將 總線上各個智能節(jié)點設(shè)備連接成網(wǎng)， 并通過組態(tài)實現(xiàn)基本控制、 顯示、 參數(shù)

26、修改、 報警、監(jiān)控、優(yōu)化以及測、控、管一體化的功能，在過程自動化、制造自動化、 樓字自動化、電力、交通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場總線技術(shù)適應(yīng)了工業(yè) 控制系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和分散化的發(fā)展趨勢。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制 系統(tǒng)是 21 世紀(jì)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。 2.2 船用現(xiàn)場總線的優(yōu)越性 20 世紀(jì) 90 年代中期，以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字式控制系統(tǒng)擴(kuò)展到了 船舶工業(yè)領(lǐng)域，使船舶自動控制技術(shù)得到了新的發(fā)展?，F(xiàn)場總線是船舶控制站到 機(jī)艙現(xiàn)場設(shè)備的延伸，是支撐網(wǎng)絡(luò)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)，也是現(xiàn)場級設(shè)備實時監(jiān) 控的手段。由于現(xiàn)場總線的優(yōu)點，特別是現(xiàn)場總線簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng) 從設(shè)計、

27、安裝、調(diào)試到正常生產(chǎn)運行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性7。 對于船舶而言，首先與其他的工業(yè)控制相比，船舶的空間較之樓宇和工廠相 對較小，因而引入現(xiàn)場總線，減少線纜連接所節(jié)約的成本并不顯著。其次控制對 象規(guī)模一般較小，基本不會出現(xiàn)多種系統(tǒng)集成的問題，因此對控制網(wǎng)絡(luò)的容量要 求不高。第三機(jī)艙空間狹小，設(shè)備布置緊湊，信號干擾嚴(yán)重。針對船舶現(xiàn)場環(huán)境 的特殊要求，船用現(xiàn)場總線更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性：提高了船舶測控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性 與可靠性； 節(jié)省硬件數(shù)量與投資； 用戶有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)； 節(jié)約安裝費用；節(jié)省維護(hù)開銷。 此外， 由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化， 功能模塊化， 因而還具有設(shè)計簡單、 易于重構(gòu)、抗干擾性和可靠性高

28、等優(yōu)點8。 綜合以上因素，船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該采用實時性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本 低廉、開發(fā)和使用難度較小的現(xiàn)場總線。比較各種現(xiàn)場總線技術(shù)特點可以看出， 較適合船舶上應(yīng)用的總線有 Lonworks 總線、CAN(Controller Area Network)總線 和 HART 總線，事實上這幾種總線在船舶工業(yè)均有實際的應(yīng)用，尤其以 CAN 總 線的應(yīng)用成果最多，幾乎全世界所有船舶自動化設(shè)備公司，如 SIEMENS、 NOROCOTROL、MTU 等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品都支持 CAN 標(biāo)準(zhǔn)。隨著 CAN 總線技 術(shù)的日漸成熟，它在船舶自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。CAN 總線被廣泛 應(yīng)用于船舶機(jī)艙監(jiān)

29、控報警、 巡回檢測、 電站監(jiān)控以及火災(zāi)報警系統(tǒng)中。 可見 CAN 現(xiàn)場總線在船舶自動化監(jiān)控領(lǐng)域中具有較高的實際應(yīng)用價值9。 2.3 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)的研究 CAN 現(xiàn)場總線是控制器局域網(wǎng)的簡稱，它以其優(yōu)良的性能、高可靠性和實 時性越來越受到工業(yè)界的青睞，已被廣泛應(yīng)用于交通運輸、工業(yè)控制、樓宇自動 化、航空工業(yè)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。CAN 報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，抗 干擾性強(qiáng)，可靠性高，這使得 CAN 可應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)中；采用非破壞總線 仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也 CAN 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下會自動關(guān)閉輸出功能， 不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。

30、 以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響10。 同時 CAN 總線具有較高的性能價格比， 并且結(jié)構(gòu)簡單， 能充分利用現(xiàn)有的微處理器開發(fā)工具， 開發(fā)技術(shù)容易掌握。 因此， CAN 總線技術(shù)在船舶機(jī)艙自動控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 2.3.1 CAN 技術(shù)規(guī)范簡介及特點 1986 年在汽車工程人員協(xié)會大上， Bosch 公司提出了基于串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議 的汽車串行控制局域網(wǎng) CAN 協(xié)議。(Automotive Serial Controller Area Network)。 此后 CAN 總線迅速在汽車制造領(lǐng)域得到了迅速推廣。1991 年 9 月 Philips 公司 制定并頒布了 CAN 技術(shù)規(guī)范

31、2.OA/B 版本，1993 年 11 月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 正式頒布了關(guān)于 CAN 總線的 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)，為 CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用鋪平了道路。 CAN 總線是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計規(guī)范要求具有較高的 位速率、較高的抗電磁干擾性和很強(qiáng)的檢錯糾錯能力。在 CAN 總線的通信協(xié)議 中，沒有節(jié)點地址的概念，它是一種基于數(shù)據(jù)的工作方式?？偩€空閑時，任何節(jié) 點均可以將報文數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。CAN 節(jié)點設(shè)有優(yōu)先級，當(dāng)發(fā)送存在沖突時 優(yōu)先級高的節(jié)點可獲得總線使用權(quán)。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與一 般的通訊總線相比，CAN 總線技術(shù)具有突出的可靠性、實時性和靈

32、活性。其特 點可概括如下10： a)CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其 他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。 b)CAN 采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖 突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點不受影響地繼續(xù) 傳輸數(shù)據(jù)， 從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。 尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下， 也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況（以太網(wǎng)可能） 。 c)在報文標(biāo)識符上，CAN 上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時 要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在 134us 內(nèi)得到傳輸。 d)CAN 節(jié)點只需要通過對報文的標(biāo)識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點 及

33、全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。 e)CAN 通信速率在 5kbps 的直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km。 f)CAN 上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá) 110 個。在標(biāo)準(zhǔn)幀報 文標(biāo)識符有 11 位，而在擴(kuò)展幀的報文標(biāo)識符（29 位）的個數(shù)幾乎不受限制。 g)報文采用短幀結(jié)構(gòu)， 傳輸時間短， 受干擾概率低， 保證了數(shù)據(jù)高度可靠性。 h)CAN 的每幀信息都由 CRC 校驗及其它檢錯措施，具有極好的檢錯效果。 i)CAN 的通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖等，選擇靈活。 j)CAN 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下會自動關(guān)閉輸出功能。 k)CAN 總線具有較高的性能價格比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購

34、置，每個節(jié) 點的價格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的微處理器開發(fā)工具。 CAN 總線上用“顯性” （Dominant）和“隱性” （Recessive）兩個互補(bǔ)的邏 。當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性和隱性位時，其結(jié)果是總 輯值表示“0”和“1” 線數(shù)值為顯性 “0” “1” （即 與 的結(jié)果為 “0”。 ） 如圖 2-1 所示， VCAN-H 和 VCAN-L 為 CAN 總線收發(fā)器與總線之間的兩接口引腳，信號是以兩線之間的“差分”電 壓形式出現(xiàn)。在隱性狀態(tài)，VCAN-H 和 VCAN-L 被固定在平均電壓電平附近， Vdiff 近似于 0。在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性位。顯性位以

35、大于最小閥 值的差分電壓表示。 圖2-1 總線位的數(shù)值表示 2.3.2 CAN 總線通信協(xié)議模型及分層結(jié)構(gòu) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型簡稱 OSI 參考模型，為不同廠商的計 算機(jī)設(shè)備互聯(lián)提供了一套共同的規(guī)范要求和標(biāo)準(zhǔn)框架。 它將開放系統(tǒng)的通信功能 劃分為 7 個層次分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示 層和應(yīng)用層。 通常底層的物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層完成通信信息的傳輸功能， 其余的上層完成通信處理功能。 CAN 協(xié)議制定的目的是實現(xiàn)任意兩個 CAN 節(jié)點間的兼容， 為了實現(xiàn)設(shè)計的 透明性和執(zhí)行的靈活性，CAN 協(xié)議也是建立在 OSI 參考模型上的。不過，CAN 規(guī)

36、范只定義了模型最下面的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了信號電平、位表 達(dá)方式、傳輸媒體，用于不同節(jié)點之間位信息的實際傳輸?shù)?。?shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行流 量控制和差錯控制的功能，又分為媒體訪問控制層(MAC)和邏輯鏈路控制層 (LLC)。 MAC 子層是 CAN 協(xié)議的核心。具有控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁錯誤檢測、 出錯標(biāo)定和故障界定的功能。它把接收到的報文提供給 LLC 子層，并接受來自 LLC 子層的報文。MAC 子層由稱為故障界定的一個管理實體監(jiān)控，具有識別永 久故障或者短暫擾動的自檢機(jī)制。LLC 子層主要涉及報文濾波、超載通知和復(fù)原管理等功能的定義。其主要功能是10：為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，

37、確認(rèn)由 LLC 子層接受的報文實際已經(jīng)被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信 息，在定義目標(biāo)處理時，存在許多靈活性。LLC 子層為應(yīng)用層提供接口。CAN 規(guī)范的分層機(jī)構(gòu)和功能如圖 2-2 所示。在實際應(yīng)用設(shè)計中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 的功能完全由 CAN 控制器硬件實現(xiàn)，極大的方便了現(xiàn)場總線節(jié)點固件的開發(fā)。 圖 2-2 CAN 的分層結(jié)構(gòu)和功能 CAN 技術(shù)規(guī)范僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層說明，并未對應(yīng)用層的功能和實 現(xiàn)進(jìn)行定義。CAN 需要一個高層協(xié)議來定義 CAN 報文中的 11 位標(biāo)識符和 8 字 節(jié)數(shù)據(jù)的使用。而且建立基于 CAN 總線的工業(yè)自動化系統(tǒng)，需要各個 CAN 廠 商能夠支持設(shè)備的互

38、用性和互換性，能夠?qū)崿F(xiàn)在 CAN 網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一 的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。CAN 應(yīng)用層協(xié) 議是一種在現(xiàn)有的底層協(xié)議(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)之上的協(xié)議，用戶既可以采用 CIA(CAN in Automation)協(xié)會或其它一些組織制定的開放式高層協(xié)議，也可以在 工程中靈活的實現(xiàn)自己的應(yīng)用層。 2.4 CAN 總線在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 船舶現(xiàn)有的機(jī)艙自動化系統(tǒng)廣泛使用模擬儀表式的傳感器、 變送器和執(zhí)行機(jī) 構(gòu)。一對傳輸電纜單向傳送一個模擬信號，使用的導(dǎo)線多，每個信號都要通過導(dǎo)線引入集中控制室，機(jī)艙布線繁瑣，現(xiàn)場安裝及調(diào)試的工作量大、投資高、傳輸 精度和

39、抗干擾能力較低，不便維護(hù)。集控室無法實現(xiàn)與現(xiàn)場儀表的通信，不能對 其進(jìn)行故障診斷和參數(shù)調(diào)整，更不能在線修改以使其達(dá)到最優(yōu)。所以處于底層的 模擬變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)11。CAN 總線技術(shù) 能很好地解決這個瓶頸問題， 其在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用為船舶機(jī)艙現(xiàn)場 設(shè)備的互聯(lián)通信提供了新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。CAN 總線系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的智能化、 分布式結(jié)構(gòu)的互操作性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性， 很好的滿足了船舶機(jī)艙自動化 系統(tǒng)的要求。船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)使用 CAN 總線技術(shù)有以下幾方面的優(yōu)點12： (1)實時性好。船舶機(jī)艙自動控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性有較高的要求， 即數(shù)據(jù)的傳輸延遲

40、越小越好。CAN 采用帶優(yōu)先級的非破壞性仲裁技術(shù)，可以根 據(jù)系統(tǒng)對監(jiān)測參數(shù)的不同響應(yīng)要求設(shè)計信號傳輸?shù)膬?yōu)先級， 從而保證了監(jiān)控的實 時性。CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時也只有毫秒級，相對于機(jī)艙現(xiàn)場參數(shù)（壓力、 液位、溫度等）的動態(tài)變化延時時間常數(shù)（一般幾百毫秒到幾秒之間） ，可以忽 略不計。 (2)可靠性高。針對船舶機(jī)艙特殊的工況，要求通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾 性和高可靠性。CAN 的總線故障管理機(jī)制、介質(zhì)訪問控制機(jī)制、錯誤處理機(jī)制 使得 CAN 有著很好的容錯性，在惡劣電磁環(huán)境及其它干擾下，也能保證通信網(wǎng) 絡(luò)的可靠性。 (3)可維護(hù)性好。CAN 現(xiàn)場總線作為全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò) 結(jié)

41、構(gòu)簡單，系統(tǒng)設(shè)計、安裝、運行到檢修維護(hù)方便?，F(xiàn)場設(shè)備以 CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 的形式掛接在總線網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)需要增加新的節(jié)點設(shè)備時，直接將設(shè)備掛接在原先 的電纜上即可。當(dāng)需要維護(hù)節(jié)點設(shè)備時，直接將該節(jié)點從總線上取下而不影響網(wǎng) 絡(luò)其它部分的正常通信，因此提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 (4)基于 CAN 總線的機(jī)艙自動化系統(tǒng)能夠進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、 診斷和維護(hù)。 通過相應(yīng)的協(xié)議網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。由于系統(tǒng)能夠靈活、高 效、方便地獲取數(shù)據(jù)，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)能從底層控制網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴蠈哟皺C(jī)艙信息 系統(tǒng)中，便于船員及時全面地掌握全船實時工作狀態(tài)13。 第三章 工業(yè)以太網(wǎng)在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著機(jī)艙

42、自動化系統(tǒng)朝大型化和設(shè)備復(fù)雜化的趨勢發(fā)展， 船舶數(shù)據(jù)采集和控制站點越來越多、通信控制網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷越來越大、通信速率的要求也越來越高， 因此只采用單一的現(xiàn)場總線型通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)其發(fā)展要求。 而工業(yè)以太網(wǎng) 通信速率高，幾乎沒有站點數(shù)量限制，便于直接和 Internet 互聯(lián)網(wǎng)連接并且能夠 方便實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸，在船舶自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注14。 3.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究 工業(yè)以太網(wǎng)是傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的擴(kuò)展。 其在技術(shù)上與商用以 太網(wǎng)兼容，并根據(jù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性、實時性和環(huán)境適應(yīng)性的特殊要求進(jìn)行了 某些特性和協(xié)議的改進(jìn)， 是一種典型的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。 與傳統(tǒng)的商業(yè)以

43、太網(wǎng)相比， 由于工業(yè)環(huán)境較為惡劣，所以工業(yè)以太網(wǎng)對設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度、抗干擾能力和電磁 兼容性等方面都有更為苛刻的要求。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多 的工控設(shè)備開始使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)并采用 TCP/IP 協(xié)議作為主要的通信標(biāo)準(zhǔn)。 因此，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。下面將要首先介紹 以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點。 以太網(wǎng)是 IEEE802.3 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)所支持的基帶局域網(wǎng)技術(shù)， 最早是由 Xerox 公 司在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)成功，后經(jīng)數(shù)字儀表公司、Inter 公司和 Xerox 公司聯(lián) 合擴(kuò)展，逐步成為以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)15。以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問和沖突檢 測 (CS

44、MA/CD)機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點進(jìn)行有序的介質(zhì)訪問。同時，以太 網(wǎng)采用廣播機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以查看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)，通過 檢查包含在數(shù)據(jù)幀中的目標(biāo)地址是否與本地地址相同來決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。 如果證明數(shù)據(jù)確實是發(fā)給自己的， 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將會接收數(shù)據(jù)并傳輸給高層協(xié)議進(jìn)行 處理。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其傳輸速度從最初的 10Mbps 逐步擴(kuò)展到 100Mbps、1000Mbps。如今以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為局域網(wǎng)中的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其高 速度、高靈活度、成本低廉、易于實現(xiàn)和組網(wǎng)等特點能方便實現(xiàn)上層信息管理網(wǎng) 絡(luò)和底層工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接， 并且隨著嵌入式平臺和實時嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展，

45、嵌入式控制器、智能現(xiàn)場測控儀表將方便地接入以太控制網(wǎng)絡(luò)，同時也 很容易與 Internet 連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成。因此以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今最重要、應(yīng)用 最廣泛的局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。 3.1.1 工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(ISO/OSI)把每個開放系統(tǒng)劃分為功 能上相對獨立的 7 個有序的子層。按照 ISO/OSI 模型，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了鏈路 層和物理層，但是一個完整的通信系統(tǒng)，需要高層協(xié)議的支持。TCP/IP 協(xié)議（傳 輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）是至今最成功、應(yīng)用最為廣泛的通信協(xié)議，用于保證網(wǎng) 絡(luò)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。當(dāng) APARNET 在制定了 TCP/IP 高層通信協(xié)議

46、，并把 以太網(wǎng)作為其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的協(xié)議之后，以太網(wǎng)便和 TCP/IP 緊密地捆綁 在一起。因此基于 TCP/IP 協(xié)議棧的以太網(wǎng)是一種開放式的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，不同廠商 的設(shè)備很容易實現(xiàn)互聯(lián)。工業(yè)以太網(wǎng)作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的延伸，在 本質(zhì)上仍然屬于以太網(wǎng)。 它的體系結(jié)構(gòu)基本采用了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖 3-1 示。 圖 3-1 工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)模型圖 對應(yīng)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 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)， 在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用 TCP/IP 協(xié)議棧 （包括 ARP、 ICMP、 IP、UDP、TCP 等協(xié)議） ，它們構(gòu)成了工業(yè)以太網(wǎng)

47、的低四層。在高層協(xié)議上，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議通常都省略了會話層、表示層，而定義了應(yīng)用層。IEEE802.3 網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn)是使用 CSMA/CD 協(xié)議的局域網(wǎng)綜合性標(biāo)準(zhǔn)。 它嚴(yán)格對應(yīng)于 ISO/OSI 模型的 最低兩層，從下至上劃分為物理層、MAC 子層 和 LLC 子層。它定義了物理層 的兼容接口并規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式。IEEE802.3 支持不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)如 表 3-1 所示15。 (1)物理層。物理層定義了設(shè)備間和物理連接的一組規(guī)則，主要完成信號的 編碼與譯碼，前同步碼的產(chǎn)生與消除，比特的傳輸與接收等功能。 (2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層劃分為介質(zhì)訪問控制 MAC(Medium Access

48、Control)子層和邏輯鏈路控制 LLC(Logical Link Control)子層。介質(zhì)訪問控制子層 的主要功能是控制對傳輸介質(zhì)的訪問，負(fù)責(zé)檢查信道在空閑時傳輸數(shù)據(jù)，檢測沖 突是否發(fā)生，并在發(fā)生沖突后執(zhí)行一系列預(yù)定義的操作，具體實現(xiàn) CSMA/CD 協(xié) 議。邏輯鏈路控制子層（LLC）提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)和面向連接的虛電路服 務(wù)，其主要功能是數(shù)據(jù)報的封裝和拆裝，為網(wǎng)絡(luò)層提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口，完成建 立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接。表 3-1 IEEE802.3 物理標(biāo)準(zhǔn) 名稱 10BASE-2 10BASE-5 10BASE-T 10BASE-F 介質(zhì) 細(xì)同軸電纜 粗同軸電纜 雙絞線 光纖

49、 最大站點數(shù) 30 100 1024 1024 最遠(yuǎn)距離 200 米 500 米 100 米 2000 米 特點 價格低廉 適合主干網(wǎng) 易于安裝和維護(hù) 遠(yuǎn)程工作站連接 在以上幾種傳輸介質(zhì)中，雙絞線是應(yīng)用最為廣泛的一種。以雙絞線為傳輸介 質(zhì)的以太網(wǎng)被定義為 10BASE-T 方式。IEEE802.3 在電纜上傳輸?shù)男盘柌捎寐鼜?斯特編碼。其編碼規(guī)則為，每個數(shù)據(jù)單元分割為等寬的兩部分：電平由低到高時 ，由高到低時表示“0” ，曼徹斯特編碼將時鐘與數(shù)據(jù)組合在一起，接收 表示“1” 方可以從接收到的數(shù)據(jù)中提取時鐘信號以取得與發(fā)送方時鐘的同步。另外，曼徹 斯特編碼保證每個數(shù)據(jù)單元至少有一個跳變， 可以用它來區(qū)分電纜的工作狀態(tài)和 空閑狀態(tài)，便于實現(xiàn)載波偵聽。同樣，曼徹斯特編碼也能適合沖突檢測17。 (3)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層也稱為互聯(lián)網(wǎng)層，負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)包傳輸功能，讓 每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機(jī)。在 TCP/IP 協(xié)議族中，網(wǎng)