Ethernet／IP協(xié)議簡(jiǎn)介模版

1、目錄現(xiàn)場(chǎng)總線把握技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介實(shí)現(xiàn)5EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)及進(jìn)展前景EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介1 現(xiàn)場(chǎng)總線把握技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng) 接入了現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線把握系統(tǒng)(FCS)是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而進(jìn)展起來的。它的初衷是用4-20mA 模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一)的進(jìn)展，在把握領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命。把握專家們紛紛預(yù)言：FCS 21 世紀(jì)把握系統(tǒng)的主流。然而在把握界FCS 進(jìn)展概念炒作的時(shí)候，卻留意到它的進(jìn)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要 最終IEC8種現(xiàn)場(chǎng)總線成為IEC61158 Net，F(xiàn)FEtherN

2、et HSE8 種現(xiàn)場(chǎng)總線互不兼容，這也使得各 (FF)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)H1 的傳 Can 總線 FCS 在工業(yè)把握中的推廣應(yīng)用受到了確定的限制。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(shì)，由于它承受總線式拓樸構(gòu)造和多路存取載波偵聽碰撞檢測(cè)(CSMACD)230ms 之間，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)用備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。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。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層，第一次成為真正的FieldBus；其次，通過環(huán)網(wǎng)的冗余提高以太交換而分布智能的裝置儀表，解

3、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)使絕大局部工業(yè)把握數(shù)據(jù)在可承受的時(shí)間內(nèi)交100ms 的時(shí)滯都是可以承受的。而假設(shè)所要通過數(shù)據(jù)交換的方式苛刻地要求工業(yè)以太網(wǎng)確實(shí)定時(shí)延。工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題性和實(shí)時(shí)性做一些介紹。通訊確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù)傳統(tǒng)以太網(wǎng)承受總線式的拓?fù)錁?gòu)造和多路存取載波偵聽碰撞(CSMAC 不能夠應(yīng)用的，這也影響了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)底層把握網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)把握的要求。1示意了兩種不段(Segment)，在每個(gè)網(wǎng)段上以一個(gè)多口集線器為中心，將假設(shè)干個(gè)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)連接起來，這樣掛接在同一網(wǎng)段上的全部設(shè)備形成一個(gè)沖突域(Collision)。每個(gè)沖突

4、域均承受CSMACD機(jī)制來治理網(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)錁?gòu)造的比較EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158經(jīng)過十幾年的爭(zhēng)辯和斗爭(zhēng)后，放棄了其制定單8種(第3版修訂后增加了兩種類型，而種類型)類型總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這說明各大總線各具特點(diǎn)、不行相互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)，EthernetlP工業(yè)以太網(wǎng)，F(xiàn)FHSE工業(yè)介紹。EtherNetIP(EtherNetIndustryProtoco1)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

5、 Vendors Association)ControlNet 于CIP(ControlandInformalon Protoco1)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面對(duì)對(duì)象的協(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式的實(shí)時(shí)I0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。EtherNetIP承受和DevieNet以及ControlNet一樣的應(yīng)用層協(xié)CIP(Control and InformationProtoco1)，因此，它們使用一樣的對(duì)象庫和全都的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有較EtherNetIP承受標(biāo)準(zhǔn)的EtherNet和TCPIP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E

6、therNet和TCPIP 協(xié)議，就構(gòu)成EtherNetIP協(xié)議的體系構(gòu)造。協(xié)議的各層構(gòu)造如圖2所示。圖2 應(yīng)用CIP的EtherNet/IPEthernetIP協(xié)議模型及協(xié)議內(nèi)容1. 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層EtherNetIP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層承受以太網(wǎng)。其主要由以太網(wǎng)把握器芯2會(huì)消滅相應(yīng)的芯片。但是上面的協(xié)議無須轉(zhuǎn)變。2網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層EtherNetIP在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層承受標(biāo)準(zhǔn)的TCPIP技術(shù)。對(duì)于面對(duì)把握的實(shí)時(shí)I0UDPIP(診斷等)則承受TCPIPTCPIP來傳送，其優(yōu)先級(jí)較低。而將來承受工業(yè)以太網(wǎng)EtherNetIP協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)高。3. 把握及信息協(xié)議(ClP)把握及信息協(xié)議(CIP)

7、是一種為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議，被DeviceNet、EtherNetIP等3種網(wǎng)絡(luò)所承受，因此這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)、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)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依據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)傳輸效勞質(zhì)量要求的不同，把報(bào)文分為兩種：顯 IO、IO報(bào)文又稱為IO報(bào)文或隱式IO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DeviceNet賜予不同類型的報(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)

8、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EthemetIP用TCP 來發(fā)送顯式報(bào)文，用UDP來發(fā)送隱式報(bào)文。面對(duì)連接惟一的連接標(biāo)識(shí)符(connectionID)。假設(shè)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，比方，DeviceNet的CID 定義是基于CAN標(biāo)識(shí)符的。通過獵取CD，連接報(bào)文就不必包含與連接有關(guān)的全部息，假設(shè)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)文治理器(unconnected Message

9、 ManageUCMM)CIP設(shè)備中特地用于處理未連接報(bào)文的一個(gè)部件。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A試圖與節(jié)點(diǎn)B建立顯式B覺察是發(fā)給自己的，其UCMMCID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簡(jiǎn)潔，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)文傳輸效勞。CIP把傳輸連接的根底上建立的。生產(chǎn)者消費(fèi)者模型的把握、組態(tài)和數(shù)據(jù)采集。CIP 協(xié)議功能及特征EtherNet/IP 其特色就是被稱作把握和信息協(xié)議的CIP 局部。CIP 一方面供給實(shí)時(shí)I/O 通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等傳輸。其把握局部通過隱形報(bào)文來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O CIP 協(xié)議的CIP 作為應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)施

10、與底層介質(zhì)無關(guān)。這就是人們可以在把握系統(tǒng)和I/O 設(shè)備上機(jī)敏實(shí)施這一開放協(xié)議的緣由。同透亮性和全都性。EtherNet/IP 的通信機(jī)制通信模式不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 承受生產(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)被安排一個(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, )，此時(shí)數(shù)據(jù)量不大但需要高的速度或需要較長(zhǎng)的源節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)連接時(shí)間，所以這局部承受的是速度較快的UDP 協(xié)議；顯式報(bào)文數(shù)據(jù)量較大但不需

11、要始終連接所以這局部承受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定義的最根本的通信方式。設(shè)備的無連接通信資源由無連接報(bào)文治理器UCMM 管; 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)展高效的數(shù)據(jù)傳輸。EthernetIP通信適配器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)EtherNetIP硬件設(shè)備開發(fā)主要有2小型化。下來介紹承受嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)EthernetIP通信適配器。硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)EthernetIP通信適配器作為工業(yè)把握中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)處理

12、力氣、數(shù)ARM9S3C2410為CPU，S3C2410為核心，外圍擴(kuò)展了64MbitsSRAM64Mbits NAND FLASHCS8900RS232 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電源設(shè)計(jì)圖3 系統(tǒng)總體硬件本通信適配器可以接現(xiàn)場(chǎng)IO模塊(現(xiàn)場(chǎng)IO模塊分為數(shù)字IO及模擬I O)IO計(jì)，可滿足8個(gè)擴(kuò)展IO模塊的驅(qū)動(dòng)力氣。通信適配器中，不同的芯片承受的所要求的供電電壓是不一樣的。S3C2410需要的供電電壓有：33V的數(shù)字電壓及18V的數(shù)字電壓及模擬電壓、18V的PLL源電壓；SRAM、NANDFLASH、IO承受33V電壓；JTAG、以太網(wǎng)把握其承受5V電壓供

13、電。工業(yè)以24VDC24VDC轉(zhuǎn)換成5V、33V及18V的力氣。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)電源中承受了特地的微處理器電源監(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4RESET連接到以太網(wǎng)把握器CS8900CS8900RESET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馬上輸出復(fù)位信號(hào)，其引腳RESET輸出高電平復(fù)位信號(hào)，引腳RESET輸出低電平復(fù)位信號(hào)；此時(shí)S3C2410及以太網(wǎng)把握器CS8900都將復(fù)位。ARM微處理器必需保證在穩(wěn)定的復(fù)

14、位狀態(tài)下啟動(dòng)，當(dāng)微處理器在未知狀態(tài)時(shí)，必需使它保持復(fù)位狀態(tài)。MAX708TESA保證低電壓的時(shí)候處理器處于復(fù)位時(shí)候，假設(shè)電源到達(dá)1V，RESET引腳輸出規(guī)律低電平，RESET引腳輸出規(guī)律高電平。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 和RESET引腳保持200ms電源過低的狀況下始終維持在復(fù)位狀態(tài)，降低系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)的可能性。以太網(wǎng)通訊接口設(shè)計(jì)以太網(wǎng)電路原理以太網(wǎng)把握器是EthernetIP通信適配器中一個(gè)格外重要的物理部件，它實(shí)噪聲、震驚等有確定的抵抗力氣；支持全雙工通訊；支持10Mbits或100MbitsS3C2410ACirrusLogic公司開發(fā)的CS8900

15、AIQ3作為EthernetIP通信適配器的以太網(wǎng)把握CS8900A-IQ3 主要特點(diǎn)是：lOMbits的傳輸速率、支持全雙工運(yùn)作模式、內(nèi)建緩沖區(qū)供給傳Packetl”推舉承受在30HZ時(shí)共模抑制比在59dB以上的隔離變壓器。以太網(wǎng)芯片CS8900A-IQ3功能描述圖5CS8900A-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)必需先芯片參數(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。在全部存放器設(shè)置完畢后便可進(jìn)展相關(guān)動(dòng)作.根本上CS8900ACQ3的主要運(yùn)作有兩個(gè)部份：封包傳送、封包

16、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：CS8900AC03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)可在CS8900A-CQ3緩存器內(nèi)設(shè)置成或是全部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(zhǎng)度也要告知，這樣CS8900A-CQ3需要多少的IO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。封包傳送其次個(gè)階段：CS8900ACQ3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)CS8900ACQ3

17、會(huì)在傳送緩沖空間累積到足夠的數(shù)據(jù)(從前在CS8900ACQ3緩 被傳送出去的數(shù)據(jù)依照IEEE8023以太網(wǎng)絡(luò)訊框的格式(如以以下圖所示)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1500Bytes，最小為46Bytes，假設(shè)上層封包數(shù)據(jù)量(包含CRC即CyclicRedundancy Check，也就是FCS即Frame CheckSequence)小于46Bytes，那么CS8900A-CQ3會(huì)依照緩存器的設(shè)定來打算是 否要填加位以補(bǔ)足訊框的最小量，最終再加上4Bytes FCS送出。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)

18、部芯片的內(nèi)存中，將前導(dǎo)的字節(jié)(preamble)以及StartofFrame啟始字節(jié)移除掉，然后利用地址過濾器CS8900ACQ3CS8900A-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大事。封包接收的其次個(gè)階段：動(dòng)作可以利用I0模式、Memory模式或DMA模式達(dá)成。串行通訊接口設(shè)計(jì)S3C2410A內(nèi)置3通道UARTDMA持5bits6bits7bits或者8bitsMAXIMG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EthernetIP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接口電路圖主從USB接口設(shè)計(jì)包括一個(gè)USB主機(jī)端口和一個(gè)USBPCS3C2410A芯片內(nèi)集成了USB電路上只需加效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)即可構(gòu)成完整的USBUSB大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。圖7 USB接口外部I0擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)EthernetIP通信適配器承受總線模式與多個(gè)數(shù)字IO模塊相連接，在通信 適配器內(nèi)部給每個(gè)