Ethernet／IP協(xié)議簡介16完美版

1、目 錄現(xiàn)場總線控制技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題Ethernet/ IP協(xié)議簡介Ethernet/1 P通信適配器硬件設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā) 展前景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?，F(xiàn)場總線才$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

2、，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一 場前所未有的革命?？刂茖＜覀兗娂婎A(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(duì)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，最后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, FF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 FC

3、S中兼容。止匕外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標(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）和極具特色的用戶層，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)，其最高的傳輸速率為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，

4、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(huì)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 230ms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(duì)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(duì)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

5、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)作為后起之秀，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：第一，輕松解決了在化工、礦業(yè)等極端條件的本 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，第一次成為真正的 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)第一

6、次可以應(yīng)用對(duì)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(duì)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。可喜的是，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

7、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(duì)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)才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)

8、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(duì)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

9、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) 0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。底層找胡才點(diǎn)底及弟!MBA底網(wǎng)修M節(jié)點(diǎn)底用短,節(jié)a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)場總線國際標(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，最終發(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)類型總線的國際標(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Modb

10、us-IDA工業(yè)以太網(wǎng)，Ethernet IP工業(yè)以太網(wǎng)，F(xiàn)F HSE工業(yè) 以太網(wǎng)，Pro租Net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)l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 Internationa所推出的最新的成員。 和DeviceNet以及ControlNet一樣，它們都是基 于CIP(Control and Informal/on Protoco1脅議的網(wǎng)絡(luò)。

11、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(duì)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。用

12、戶設(shè)備行規(guī)士至miEEmiiJ;聒寶二四；JjgFTT EHm瞥z或基應(yīng)用層表達(dá)層CTP應(yīng)用層應(yīng)用對(duì)象E 數(shù)據(jù)管理 里不里文 VO報(bào)文CIP（會(huì)話展）Iop箍M理,連接管理CMtrolNet傳輸層傳輸模dBVICEnET麗層 CANEtherNet CSMA/CDEtherNct圖 2 應(yīng)用 CIP的 EtherNet/IP其它可透舞的3.1 Ethernet/ IP協(xié)議模型及協(xié)議內(nèi)容.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(huì)出現(xiàn)更合適的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議， 會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的芯片。但是上面的協(xié)議無須改變

13、。.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(duì)于面向控制的 實(shí)時(shí)I/彼據(jù)，采用UDP/IP協(xié)議來傳送，而對(duì)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(jí)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(jí)較 Mi。.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

14、這3種網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地統(tǒng)稱為CIP網(wǎng) 絡(luò).CIP的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)報(bào)文CIP協(xié)議最重要的特點(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(duì)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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)時(shí)間有苛求的

15、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(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量的不同要求。DeviceNe隹合予不同類型的報(bào)文不同的優(yōu)先級(jí)， 隱式報(bào)文使用優(yōu)先級(jí)高的報(bào)頭，顯式報(bào)文使用優(yōu)先級(jí)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。面向連接CIP還有一個(gè)重要特點(diǎn)是面向連接，即在通

16、信開始之前必須建立起連接，獲 取惟一的連接標(biāo)識(shí)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白CID定義是基于CAN標(biāo)識(shí)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(duì)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 Messa

17、ge 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)

18、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。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(huì)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、目的地址聯(lián)系起來，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)到了最優(yōu)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

19、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。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(duì)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

20、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.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)唯一的標(biāo)識(shí)， 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。. 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(duì)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

21、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定義的最基本的通信方式。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)行高效 的數(shù)據(jù)傳輸。4 Ethernet:/1 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

22、，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(duì)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, 具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S3c241M核心， 外圍擴(kuò)展了 64

23、MbitsSRAM、64Mbits NAND FLASH、以太網(wǎng)控制其 CS8900 RS232 用口、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以太網(wǎng)控制仇） 并 RS232串口JTAG接口 RJ45以太同接口次場設(shè)箸RS232接門設(shè)一| JTAG色也愿以本網(wǎng)或占位機(jī)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)采用高效的開關(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

24、芯片采用的所 要求的供電電壓是不一樣的。S3c2410R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(duì)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

25、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。1”出圖4 電源監(jiān)控及復(fù)位電路在圖4中，信號(hào)RESET連接至IJ以太網(wǎng)控制器CS8900勺復(fù)位弓I腳，因?yàn)镃S8900 的復(fù)位信號(hào)為高有效；信號(hào)RESET連接到S3c2410勺復(fù)位引腳/ RESET以及芯片 內(nèi)部JTAG接口電路的復(fù)位腳TRSTo當(dāng)復(fù)位按鍵Sl按下時(shí)，MAX708T立即輸出 復(fù)位信號(hào)，具引腳RESET俞出高電平復(fù)位信號(hào)，引腳RESET俞出低電平復(fù)位信 號(hào)；止匕時(shí)S3c241吸以太網(wǎng)控制器CS890洲將復(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)

26、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弓|腳輸出邏率?低電平，RESET弓|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引腳彳持200msi勺復(fù)位信號(hào)，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。

27、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(duì)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專輸速率等。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：10Mbit/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(duì)錯(cuò)誤的封包自動(dòng)排除等；止匕外，其特有的 PacketPagel結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)調(diào)適網(wǎng)絡(luò)交通的模式以

28、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20 fid T阻 由圖5 CS8900A-CQ3功能圖1OMSC-T RXrilvsftg皿J TX t Itgi! K 7J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(chǔ)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

29、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hostS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：封包傳送第一個(gè)階段：主機(jī)將封包數(shù)據(jù)搬移至CS8900A- C03的緩沖存儲(chǔ)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-

30、CQ3緩存器內(nèi)設(shè)置成5, 381, 1021或是所有byte僦傳送出去），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(chǔ)器。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(huì)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bytest傳送出去等情形），

31、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)訊框的最大數(shù)據(jù)酬載量（Payload）為1500 Bytes,最小為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）、于46Bytes,那么CS8900A-CQ3會(huì)依照緩存器的設(shè)定來決定是 否要填加位以補(bǔ)足訊框的最小量，最后再加上 4 Bytes FCSX出。封包接收：封包接收的第一個(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)（

32、preamble）以及Start of Frame0始字節(jié)移除掉，然后利用地址過濾器 比對(duì)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(chǔ)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。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、7b

33、its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,輸出電平完全兼容RS232T業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，最大收發(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)。S3c2410As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

34、路，無需加任何USB芯片，這大 大簡化了電路設(shè)計(jì)。圖7 USB接口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，S3c2410Al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(hào)，/ RW輸出型I/O的寫信號(hào)，/OE為輸入型I/O 的讀信號(hào),T為I / O模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)。對(duì)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)。IO獷KSAD. iO s