（机械工程专业论文）基于netx芯片实现实时以太网通讯的研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：妹杰磊 关于论文使用授权的说明 日期：2 2 丝：皇：垒箩 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墟盔磊导师签名：麈蕴耸 日期：型堡：2 、罗 摘要 摘要 随着微电子和电力电子技术的发展，运动控制系统己经从模拟控制发展到 全数字控制，其性能不断提高，在工业自动化设备中获得了广泛应用。基于实 时以太网的运动控制系统以其高可靠性、快速性和稳定性成为运动控制系统的 发展趋势，德国b e d d l o 行公司提出了e t l l e c a t 实时以太网技术。该技术提高了 运动控制系统的实时性，具有灵活的拓扑结构，优越的网络性能，较低的构建 成本等特点，适合应用于运动控制领域。目前，该实时以太网受到了运动控制 开发商的广泛关注。本文从理论研究和产品开发的角度出发，利用基于n e t ) ( 芯 片的开发模块c 0 i n x 和a n l l e g a l 2 8 单片机开发了e t l l e r c 触r 实时以太网从站模 块c o i n e i o 。 论文首先研究了常用的实时以太网通信协议，通过对其通信原理及特点进 行对比，选择了e m e 心a t 实时以太网，重点分析了e t h e 庀a t 的工作原理及其 技术特点。然后，结合c o m e i o 模块的功能和e t h e 心a t 实时以太网通讯的要求， 在深入研究n e t x 芯片、基于n e t x 芯片的开发模块c 0 l i 和a 仃n e g a l 2 8 单片机 的基础上，完成了a t n l e g a l 2 8 单片机和砧t e r a 公司的c p l d 组成的主控制电路、 c o m x 与单片机的接口电路、电源电路、输入输出电路以及其它外围接口电路 的设计。通过a 1 m e g a l 2 8 单片机编写应用程序，完成与c o i n x 的通信操作。单 片机给c o l l l x 发送热启动参数，使c 0 1 1 1 ) ( 上电后，加载e m e 疋a t 实时以太网固 件，完成过程数据的收发，从而实现e m e 疋a r 实时以太网从站模块c 0 m e i o 的 功能。最后，采用b e c 姓o f r 公司的t i ) l ，i n c a t 软件做软主站，c o m e i o 、n o 和c i 做从站，搭建e m e 疋a = r 实时以太网主从站控制系统测试平台，利用实 时以太网分析仪n e t a n a l y z e r ，抓取e t h e 疋a t 实时以太网报文，结合网络报 文分析工具w i r e s h a r k 对采集到的数据进行分析，从e t h e 疋a t 报文中可以分析 出e t h e 疋a t 实时以太网的网络延迟和时间抖动等数据，以及e m e 佗a t 实时以 太网设备的一些优越性能。从数据中分析出c o m e i o 与c i 的性能完全一致， 可以完成数据的通讯功能，从而证明c o m e i o 从站模块完全满足e m e 疋a t 实时 以太网的通讯要求。 关键词n e t ) ( 芯片；实时以太网；c o m e l 0 模块；a n n e g a l 2 8 a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也m ed e v e l o p m e n to fm em i c r o e l e c 删c 锄dp o w 盯e l e c o i l i ct e c h i l o l o g y ， i t i o nc o n 仃o ls y s t e mh 嬲d e v e l o p e d 觚a l o gc o n 仃o lt 0d i 百t a l 咖l ，i t s p 拍锄孤c ei si i n p r 0 v e dc 0 鲥删1 ) ，；i th 弱b e 饥a p p l i e d 谢d e l yi ni n d u 妯a l a u t o m 撕o ne q u i p 脒m t b 勰e d0 n 珊d t i o nc o n 仃0 ls y s t e mo f 硎勘e 砒嘲愀衙i t s l l i 曲r e l i a b i l i 劬r a p i d i t y 勰ds t a b i l i 劬r e a l - t i i n ee l l l e n l e tb c c o m e l ed e v d o p m e n t 慨do fm o t i o nc 0 蛐l 啊锄，g e n n 锄b e c k h 0 行p r o p o s e d 眦a t 冒既i - t i i l l e 砒锄e t t 出l o 醪t l l i s 蛐l o g yi m p r 0 v e dr e a l t i l i l ep 曲r h l a n c eo fm o t i o n c o n 臼0 l s y s t e m ；i th 勰c h a r a i 冀嘶s t i c sw i mn e x i b l et o p o l o 鳜s u p 耐0 rn e t 、) l ，o r k p e r f 0 1 m a l l l o w e rc 0 i l s 仃u c t i o nc o s t ni ss u i t 乏出l ei nt h e6 e l do f m o t i o nc o n 臼0 1 a t p r c s e n t ，t l l er e m t i i i l e 毹【l e m e tm o t i o nc 0 n t r o lh 勰a t 吮曲e dt l l ed e v e l o p e f sa t t e i l t i o n 啦sa n i d ei i lv i e wo ft h e 0 础c a ls 砌y 姐dp r o d u c td 删o p m c n t ，u t i l i z i n gc o m x b 鹤e do nn 似c h i p s 觚da 缸n e g a l2 81 1 1 i c r o c o n 臼的l l e rd e v e l o p e de m e 疋a tr e a l t i i i l e e t l l e n l e ts l a v e 删o nm o i l u l ec o m e i o t 恼sp 印e rf i r s t l ys t u d y e d0 nc o m m o n 删一t i n l ee n l e m e tc 0 i 姗眦i c a t i o n p r o t 0 c 0 l ，b yc o n 仃a s t廿1 e i rc o 删c a t i o np 血c i p l 骼a n dc h a r a c t 嘶s t i c s ， s e l e c t e 也e 疋a tr e a l 一m e e m 锄鸭锄a l y z c d e t h 们a tp r i 碱p l ea n dt e 咖1 i c a l c h 锄c t e r i s t i c s0 n 锄p h 弱i s s e c o n d l y ，c o m b i n a t i o n 丽l 劬c t i o no fe t l l e 妃a t c o m e i om o d l l l e 锄dr e q u i r e m e n to f 硎- t i m ee m 锄e tc o m m m l i c a t i o i l ，b a s e do n 缸恤e rs 叫yo fn e t x出p ，c 0 n l xb a s e do nn e 出pa i l da t i l l e g a l 2 8 m i c r o c o 蛐1 1 c o i n p l e t e d m a i l lc o n 臼o lc i r c u i t c o m p o s c d o f a t i l l e g a l2 8 m i c r 0 c o r 灯0 1 1 e ra n da l t e r a sc p l d ，c o r l l ) ( a n dm c u 硫e r f a c ec i r c u i t ，p o w e rc i 舰i t ， i n p u t 锄d0 u t p u tc 栅i t sa n d o n l e r p 甜p h e r a l 缺e m c ec i l 画t a p p l i c 撕0 n p r 0 舯m e db ya n i l e g a l 2 8m i c r o c o n 仃0 1 l e rc o m p l e t e dc 0 删c a t i o no p e r a t i o nw i m c 0 1 ) ( a n e rm a k i n gc o r r l ) ( p o w l o a d i n ge m e r c a tr e a l - t i m ee t l l e m e tf i r m w a r e ， m i c r o c o n t m l l e rs 锄【dn l ew 黜1s t a r tp 撇e t i e r st 0c o m x ，t l l 姐r e a l i z ec o m e i o e t h e 心a tr e a l t i m ee m e 玎喊s l a v e 删i o nm o ( “e 劬嘶o n f i n a l l mu s i l l gb e c l 【1 1 0 伊s 晌c a rs o 胁a r ea ss o f tm a s t e rs t a t i o n ，c 0 m e i o ，n oa i l dc i x 鹤s l a v es t a t i o n ， p u n i n g 印e t h e 疋a tr e a l t i m ee t l l e n l e tm a s t e ra i l ds l a v es t a t i o nc o n 仃o ls ) ，s t e mt e s t p l a t f 0 1 m ，u t i l i z i i l gr e a l - t i i i l ee l e n l e ta n a l y z e rn e 认n a l y z e r ，黟a s p i n ge t h e 疋a t r e a l t i m ee m e n l e tp a c k e t ，c o m b i i l e dw i mn e 附o r kp a c k e t 觚a l y s i st o o lw i r e s h a r kt 0 锄a 1 ) ，z ed a t aa c q u i s i t i o n ，c a i la i l a l y z er e a l - t i m ee t h 锄e t 触w o r kd e l a ya i l dj i t t e ra n d o m e rd a t a 舶mm ee t l l e 妃a tp a c k e t ，a i l d 趾a l y z es o m es u p e r i o rp 柏衄a 1 1 c eo f i i a b s t r a c t e t h 们a tr e a l - t i m ee c l l e n l e td 嘶c 懿a n a l y z em ep 幽m 趾c eo fc o m e i o 如l l y c o i l s i s t e n tw i t hm ec i f x 丘d md a t 如c 锄c o i n p l e t ec o m m 硼：l i c a t i o n 血n c 6 0 no fd a t a ， 锄dm 饥p r o v ec 0 m e i os l a v es t a t i o nm o d u l ei s 伽l ys a t i 8 f i e dt oc o n 瑚u i l i c a t i o n r e q u i r e m e n t so fe m 酣a t r e a l t i f e m e m e t k e y w o r d s 鹏t ) ( c h i p ；r e a l 一t i m ee m e n l e t ；p l c ；a n i l 9 9 a l2 8 i l i 目录 目录 摘；要i a b s l 】? ：a ，；t i i 第1 章绪论一1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 实时以太网的研究现状和前景分析2 1 3 课题研究的内容4 第2 章实时以太网通讯原理7 2 1 常用实时以太网通信原理7 2 1 1p r o f i n e t 实时以太网7 2 1 2m o d b u s i d a 实时以太网7 2 1 3e t l l e n l e tp o w 甜i 1 1 k 实时以太网8 2 1 4e p a 实时以太网9 2 1 5e t h e 圮a t 实时以太网9 2 2 实时以太网的选择1 0 2 1 1 优化的协议数据1 1 2 2 2 灵活的拓扑结构1 2 2 2 3 优越的网络性能1 2 2 2 4e t h e 妃a t 取代p c i l2 2 2 5 开放的e t h e 疋a t 13 2 3 本章小结1 3 第3 章c o m e i o 从站模块的硬件设计1 5 3 1c o m e i o 的器件选型及特性1 5 3 1 1n e c x 网络控制器15 3 1 2 基于n e t x 芯片的开发模块c 伽n x 1 7 3 1 3 触1 m e g a l 2 8 单片机。1 7 3 1 4a l t e r a 的m a x i ic p l d 18 3 2c o m e i o 的硬件电路2 0 3 2 1 单片机控制系统2 0 3 2 2a 1 t e r a 的c p l d 及其电路2 2 3 2 3 单片机与c o m x 的接口电路2 3 3 2 4 电源电路设计2 4 3 2 5 输入输出电路设计2 4 3 3c o m e i o 电路板设计2 5 3 3 1 电路原理图设计2 6 3 3 2 生成网络表2 6 3 3 3 印制电路板p c b 设计2 7 3 4 本章小结2 9 第4 章c o m e i o 从站模块的软件开发一3 l 4 1 软件设计原则一3 1 4 2c o m e i o 模块的软件开发环境3 l 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 4 2 1 越瓜单片机的嵌入式系统开发工具3 1 4 2 2c p l d 的q u a 咖s 软件概述3 2 4 - 3c o n 正i o 主程序框架及其介绍3 3 4 3 1c o m e i o 初始化程序设计3 4 4 3 2c 0 m x 模块内部数据结构3 4 4 3 3c p l d 芯片程序的编写3 6 4 3 4 单片机程序的编写。3 8 4 3 5c o m e i o 在t i ) l ，i l l c a t 中的配置文件3 9 4 4 单片机开发板的软硬件调试3 9 4 5 本章小结3 9 第5 章c o n ：l e i o 从站模块及通讯的性能分析4 1 5 1 测试实验设备及工作原理4 1 5 1 1n e 佾n a l y z e r 工作原理4 1 5 1 2t 而n c a t 软件系统4 2 5 2c o n ：l e i o 实验测试平台的搭建与实现。4 4 5 2 1 测试平台的搭建4 4 5 2 2 测试平台的实现。4 5 5 3e t l l e r c a t 网络性能的分析4 6 5 4c o m e i o 从站模块的性能分析4 7 5 5 本章小结4 9 结论与展望。5 1 参考文献5 3 附录le t h e 妃a t 系统配置文件5 5 附录2 单片机程序5 9 攻读学位期间发表的论文6 9 致谢7 1 i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 2 0 世纪8 0 年代产生的现场总线，将智能现场设备和自动化系统以全数字、 双向传输、多分支的通信控制网络连接，使工业控制系统向智能化、网络化和 分散化发展，使工业控制系统的体系结构和功能结构发生了重大变革。现场总 线国际标准i e c6 1 1 5 8 经过长时间的争论后，放弃了制定单一现场总线标准的 初衷，最终发布了包括8 种类型( 第三版修订后增加了两种类型，而成为1 0 种 类型) 现场总线的国际标准。 随着互联网技术的快速发展，广大工控专家、制造商和用户逐渐认识到， 现场总线之所以没有实现统一标准，除了它们的技术特色和背后支持的公司间 的利益冲突外，还因为现场总线发展过程中，过多地强调了自动化网络的特殊 性，忽视了互联网信息技术的发展成果，致使现场总线技术、产品和应用发展 缓慢。由于现场总线互通与互操作问题很难解决，于是现场总线开始转向以太 网。 以太网技术具有稳定可靠、价格低廉、通信速率高、应用广泛以及支持技 术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。而在工业控制领域，工业以 太网技术也越来越成为人们关注的焦点，多家制造商推出自己的工业以太网产 品【。事实证明，这些应用非常成功，重要的是，通过一些增强实时通信的措 施，以太网完全可以满足工业数据通信的实时性要求，并可以直接向下延伸， 应用于工业现场设备间的通信。实时( 硎t i n l e ) 的含义是指数据处理就像发生 在数据产生的时刻，其响应没有大的延时。 实时性表现在对内部和外部事件能及时响应，并做相应地处理，不丢失信 息，不延误操作。工业控制局域网处理的事件一般分为两类。一类是定时事件， 如数据的定时采集，运算控制等；另一类是随机事件，如报警、事故等。对于 定时事件，系统时钟，保证定时处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据 故障的轻重分配中断级别，一旦发生事故，保证优先处理紧急故障。对工业自 动化系统来说，目前根据不同的应用场合，将实进性要求划分为三个范围：信 息集成和要求较低的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是1 0 0 m s 或更长； 绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5 1 0 m s ；对于高性 能的同步运动控制应用，特别是在l o o 个节点下的伺服运动控制应用场合，实 时响应时间要求低于1 m s ，同步传送和抖动小于1 l l s 【2 1 。 在工业自动化控制中，需及时传输现场过程信息和操作指令，工业控制局 域网不但要完成非实时信息的通信，还要求支持实时信息的通信。这就要求工 北京t 业大学1 = 学硕 j 学位论文 业控制局域网传输速度快，响应快，即实时性能好。要满足上述工业通信的特 殊要求，客观上要求工业控制局域网能够处理上述特点带来的新问题，具备以 下几个功能：( 1 ) 网络通信在时间上的确定性，即在时间上，任务的行为可以 预测；( 2 ) 实时响应适应外部环境的变化，包括任务的变化、网络节点的增减 等；( 3 ) 减少通信处理延迟，使现场设备间的信息交互在极小的延迟时间内完 成。根据w g l l 的定义，实时以太网就是基于i s 伽e c8 8 0 2 3 协议并能实现实 时通信的网络。通俗地讲，所谓实时以太网，就是根据工业数据通信的要求和 特点，在i s 伽e c8 8 0 2 3 协议基础上，通过增加一些必要的实时通信措施，使 之具有实时通信能力【3 j 。 经过近几年的努力，实时以太网技术已经成为网络控制系统发展的主要方 向，被工业自动化系统广泛接受，有着非常广阔的前景，具有巨大的发展潜力， 其应用领域必将不断得到扩展。因此研究和开发基于实时以太网的从站模块具 有重要的现实意义和应用价值。 1 2 实时以太网的研究现状和前景分析 9 0 年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网 开始进入工业控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速，究其原因，是 由于工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，用户对统一 的通信协议的要求日益迫切；另一方面，酣m t e n l e t 等信息的飞速发展， 要求企业从现场控制层到管理层尽能实现全面的无缝信息集成和共享，提供一 个开放的基础构架，但现场总线不能满足这些要求。最主要的是没有一个统一 的国际标准，经过十多年的纷争，2 0 0 0 年初，8 种现场总线成为i e c 现场总线 国际标准子集。这一结果令人失望，也违背了制定单一现场总线标准的初衷【4 】。 这表明，在一段时期内，将出现多种现场总线并存，并致使控制网络的系统与 信息集成面临困难的局面，给用户带来极大的不便，因此给现场总线技术的推 广和应用带来不利的影响。与此形成鲜明对比的是，以太网技术却在快速的发 展，这就促使人们在关注现场总线技术发展新动向的同时，开始寻求新的出路， 并加大了对工业以太网的应用研究。以太网因成本低廉、结构简单、易于扩展 带宽及其兼容性好等诸多优点，受到人们的极大关注。尽管基于以太网的控制 系统具有诸多优点，但作为面向商业用途的局域网络，以太网的应用仍受到来 自自动控制领域的多方质疑，其理由主要集中在以太网的不确定性和实时性能 欠佳等问题上。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计 时，在实时性、产品的强度、材质的选用和适用性等方面能满足工业现场的需 要【5 】。国外公司对工业以太网的研究始于1 9 9 5 前后，而国内对其研究则起步较 晚。目前，国外很多自动化控制系统公司在控制系统中将以太网技术用于监控 第1 章绪论 层的数据交换，尽管这些系统在底层还不能实现互操作，但通过以太网，控制 系统监控层之间、各种控制系统之间、以及控制系统与企业经营决策管理信息 系统之间的数据交换与共享己经变得非常方便、快捷。因此，以太网在控制系 统监控层的应用，不仅消除了控制系统数据传输的瓶颈，而且消除了企业内部 各种自动化系统之间的“信息化孤岛，体现出了这些控制系统的开放性。虽然 存在费用高的问题，但以太网仍在进一步向设备层渗透。 为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会 ( h l d u 嘶a le t l l 锄e t a s s o c i 撕o n ) ，并与美国a r c a d v i s 0 巧g 】l l p a m r & c s e a r 出 研究中心和g a r h l e rg r 0 1 l p 等机构合作开展工业以太网关键技术的研刭6 】。1 9 9 9 年成立的工业自动化开放网络联盟( 认o n o ) 制定了一系列旨在推广以太网在 工厂自动化、过程自动化的现场层使用的标准和指南。为此，n o n o 与o d v a ( o p e i ld e v i c ev e n d o r a s s o c i 撕o n ) 、m o d b u s d a 、e m e 疋a tt e c l l i l 0 1 0 9 yc 胁u p 、 e t l l e 瑚【或p o w e d i i l ks p e d f i c a t i o ng r o u p 、i n t e r e s t sg f o u ps e r c o sh n e r f a c e 制定了 共同的策略，以开发基于以太网的工业自动化产品。美国电气工程师协会 ( i e e e ) 制定了现场装置与以太网通信的新标准：让网络直接看到对象。这些 工作为以太网进入工业自动化的现场级打下了基础【7 9 1 。 按照国际电工委员会的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合 i e e e8 0 2 3 标准，按照i e e e8 0 2 1 d “媒体访问控制( m a c ) 网桥”规范和e e 8 0 2 1 q “局域网虚拟网桥 规范，对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。 通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太网和全双工通信、 采用信息级和流量控制及虚拟局域网等技术，可以将工业以太网的实时响应时 间做到5 1 0 m s ，相当于现有的现场总线。工业以太网在技术上与商用以太网是 兼容的。 对于响应时间小于5 m s 的应用，工业以太网已不能胜任，为了满足高实时 性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的 技术解决方案，从而产生了实时以太网r t e ( r e a l t i m ee t l l e n l e t ) 【1 u j 。2 0 0 3 年5 月，为了规范r t e 的工作，i e c s c 6 5 c 专门成立了w g l l 实时以太网工作 组，负责制定i e c6 1 7 8 4 2 “基于i s o i e c8 8 0 2 3 的实时应用系统中工业通信网 络行规 国际标准，该标准包括1 1 种实时以太网行规集【】。同时，这些实时以 太网规范将进入i e c6 1 1 5 8 现场总线标准，从而构成i e c6 1 1 5 8 第四版。最新 版i e c6 1 1 5 8e d 4 标准与i e c6 1 7 8 4 2 标准已于2 0 0 7 年1 2 月出版，有效期至 2 0 1 2 年【1 2 】。 北京t 业大学t 学硕f j 学位论文 表1 1 基于正c6 1 7 8 4 - 2 国际标准的十一种工业实时以太网 m l b l e1 1b a s e d0 n 正c6 1 7 8 4 - 2i n t e m a t i o l l a ls t 锄d 砌1 1k i n d so f i i l d i 塔t r i a lr e a l - 缸ee m e m e t c p f 族技术名 砸c p a sn p 撑提出组织 c p f 2e t h e m e 们口c p a s6 2 4 1 3d 恻 c p f3p r o f i n e tc p a s6 2 4 l l p i c p f 4 p 1 、i e t i p c p a s6 2 41 2 c 丹麦委员会 c p f6n t e r b u st c p 佃玳t e r b u s 俱乐部 c p f1 0v n e t 】噼i e c p a s6 2 4 0 5正c 日本委员会 c p fl lt c n e tc p i a s6 2 4 0 6 i e c 日本委员会 c p f1 2 e m e 疋a tm c p a s6 2 4 0 7啪 c p f1 3e m 锄e tp o w e r l i i l km c p a s6 2 4 0 8e p s g c p f1 4e p a正c p a s6 2 4 0 9 c 中国委员会 c p f1 5m o d b u s 1 u 甲s正c p a s6 2 0 3 0 m o d b u s ) a c p f1 6s e r c o s i i ii e c p ：a s6 2 41 0s i 在实时以太网技术基础上，r r 领域中的主流技术必将对工业控制技术的发 展起到巨大的推动作用，实时以太网技术将r r 领域的最新技术与工业控制相结 合，提供了一种比较有前途的工业数据通信系统解决方案。 在世界各国研发机构的共同推动下，实时以太网技术获得了极其快速的发 展，关键技术正在逐个攻破，工业现场环境的安装应用已经解决。随着初期研 发的投资被消化，实时以太网相对于现场总线的性价比优势也日渐凸现。从现 在开始，就将会出现实时以太网技术及其产品迅速推广应用的局面。 1 3 课题研究的内容 本论文在研究和分析符合国际标准的i e c8 0 2 3 和c6 1 7 8 4 的e m e 疋a t 实时以太网协议的基础上，以触r m e l 公司的a n i l e g a l 2 8 单片机组成主控制系 统，采用德国赫优讯公司的基于n e t ) ( 芯片的开发模块c 0 i n ) 【，开发支持e 血e 疋a = i i 实时以太网的双处理器c o m e i o 从站模块，利用实时以太网分析仪 n e t a n a l y z e r ，抓取e t h e 疋a t 实时以太网报文，结合网络报文分析工具 w i r e s h a r k 对采集到的数据进行分析，从e m e 疋a r 报文中可以分析出e t l l e 妃a t 实时以太网的网络延迟和时间抖动等数据，可以分析出e 也e 疋a t 实时以太网设 备的一些优越性能，并证明开发的c o m e i o 从站模块完全符合通讯要求。 本文主要做了如下工作： ( 1 ) 研究了常用的实时以太网通信协议，通过对其通信原理及特点进行对 比，选择了e m e r c a t 实时以太网，重点深入研究了e t h e 疋a t 的工作原理及其 技术特点。( 第二章) ( 2 ) c 0 m e i o 从站模块硬件电路的设计。硬件电路主要包括a t m e g a l 2 8 单 片机主控制系统电路、n 似通过d p m 与单片机的接口电路、c p l d 的接口电 路、电源电路、输入输出电路以及其它外围接口电路等。( 第三章) 第l 币绪论 ( 3 ) c o n 也i o 从站模块控制程序的开发。通过对a l m e g a l 2 8 单片机编写应 用程序，对其地址线和数据线以及控制线的相关控制，配置相应的读写时序， 完成对c o m x 模块的操作。对c 0 m x 下载相应的e t l l e 疋a = r 实时以太网固件，单 片机通过d p m 与n e 交换数据，完成过程数据的收发，实现e t l l e 疋筒r 实时 以太网从站模块c o m e i o 的功能。然后，编写c o m e i o 在n l ，i i l c a l 下的配置文 件，将文件放在指定的路径下，主站就可以识别从站模块c o m e i o 。最后，介 绍了c 0 i n e i o 从站模块的软硬件调试方面的相关操作。( 第四章) ( 4 ) 通过搭建e t l l e 心a t 实时以太网测试平台对e 廿l e 庀a = i 实时以太网的网 络延迟、时间抖动和c o m e i o 从站模块的性能进行分析和研究。采用b e c l 【1 1 0 行 公司的t w i l l c a t 做软主站，c i 开发板、c o m e l 0 从站模块和n o 做从站， 组成了e m e 心a t 实时以太网主从站控制系统。利用实时以太网分析仪 n e “a i y z e r ，抓取e m e 疋a t 实时以太网报文，结合网络报文分析工具 w n s h a r k ，对e m e 疋a t 实时以太网的网络延迟、时间抖动及c 0 正i o 从站模块 的性能进行分析和研究，证明开发的c o i i 也i o 完全可以实现从站的通讯功能以 及e m e 妃a = r 实时以太网设备实时性能的优越性。( 第五章) 第2 章实时以太嘲通讯原理 第2 章实时以太网通讯原理 为了满足高实时性能应用的需求，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升 工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案在e e8 0 2 3 标准上，通过对相 关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实 时以太网( 硎t i m ee 埘嘣，简称r t e ) 。最新版m c 6 1 1 5 8e d 4 标准与 i e c 6 1 7 8 4 - 2 标准已于2 0 0 7 年1 2 月出版，有效期至2 0 1 2 年。进入国际标准的 实时以太网共有1 1 种类型。 2 1 几种常用实时以太网的通信原理 2 1 1p r o f i n e t 实时以太网 p r o f i n e t 实时以太网是由p r o 舶u si n t e n l 撕o n a l ( p i ) 组织提出的基于以 太网的自动化标准。p r o f n 咂t 使用了t c p m 和r r 标准，并符合基于工业以 太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求，能够实现与现场总线 的无缝集成旧。 在通信方式上p r o f i n e t 用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化 解决方案。为完成这一面向各种控制对象的需求，p i 的f i n e t 在通信方式上根 据通信目的不同，采用了3 种不同性能等级的通信方式。 ( 1 ) 非苛求时间的数据通过t c p 加d p 口在标准通道上发送，这满足自动 化层与其他网络的连接需求。p r o f i n e t 使用以太网和t c p 肘d p 协议作为 通信基础，使以太网设备能够通过网络的透明通道进行数据交换。 ( 2 ) 对于苛求时间的过程数据的传输，它采用实时通道( 1 玎：硎t 砥) ， 作为基于可用控制器的软件来实现的。p r o f i n e t 中的实时通信通道就为了能 满足自动化中的实时要求。此方案显著地减少了通信栈所占用的运行时间，提 高了过程数据刷新速率方面的性能。 ( 3 ) 对于同步应用，p r o f i n e t 采用等时同步实时通信( i r t ：i s o c h r o n o l l s r e a l t i m e ) ，它允许在时钟速率为1 m s 时，抖动精度为l l l s 。这是一种独特的等 时同步数据传输方式，是运动控制应用中的解决方案。 上述这3 种性能等级的p r o f i n e t 通信覆盖了自动化应用的全部范围【1 4 1 。 2 1 2e t h e m 训i p 实时以太网 e t h e r n 引i p 标准是由o d v a ( 0 l p e nd e v i c e n e t d o r sa s s o c i a t i o n ) 和 c o n 仃o l n e th l t c n l a t i o n a l 所推出的一种与t c p i p 以太网相结合的实时以太网网 络标准。e t h e r n e t 口工业以太网除了采用0 s i 七层模型中的物理层、数据链路 层和应用层之外，还包括了网络层和传输层，并且采用了t c p i p 协议，而 北京t 业大学1 = 学硕十学位论文 d 嘶c e _ n e t 现场总线、c o r l 仃o l n e t 现场总线只定义了物理层、数据链路层和应用 层。另外，e m 盯n e t 口还在应用层上增加用户层，将工业控制中的功能块 伊u i 删0 nb l o c k ) 进行标准化，通过规定它们各自的输入、输出、算法、事件、 参数，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程，便于实现不同制 造商设备的混合组态与调用。 e t l l e r n 州p 其特色就是被称作控制和信息协议的c 口部分。c p 一方面提 供实时的通信，一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实 现实时i o 通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息交换。 c o r l 仃o l n e t 、d e v i c e n e t 和e t l l 锄e 伽p 都使用该协议通信，3 种网络分享相同的 对象库，对象和装置行规使得多个供应商的装置能在上述3 种网络中实现即插 即用。e t h e n l e t i p 能够用于处理多达每个包1 5 0 0 个字节的大批量数据，它以可 预报方式管理大批量数据。 c 口协议的一个重要的特性，是其介质无关性。即c 口作为应用层协议的 实施与底层介质无关，这就是可以在控制系统和加设备上灵活实施这一开放 协议的原因。同样，当未来新型的通讯手段出现时，同样可以方便地将其移植 到更高性能的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或 者以太网技术的透明性和一致性旧。 2 1 3e t h e m e tp o w e r l i n k 实时以太网 e t h e m e tp o w 硎i i l l 【( 简称e p l ) 实时以太网标准是由奥地利贝加莱公司 ( b r ) 于2 0 0 1 年1 1 月开发的，得到了e p s g ( e p l 标准化) 协会的支持。 p o w 甜i n k 协议对第3 和第4 层的t c p m d p 佃栈进行了实时扩展，增加的 基于t c p 口的a s ) ，n c 中间件用于异步数据传输，i c h 啪等中间件用于快速的 周期数据传输。p o w 甜i i l l 【通信协议模型如图2 1 所示。 二互丑匝固 图2 1p o w 甜i i l l ( 通信协议模型 f i g u f e2 - lp 0 w 刚i i l l ( c 鲫瑚u n i c a t i o np f o t o c o lm o d e l p o w 甜i 1 1 1 ( 栈控制着网络上的数据流量。e t l l 锄c tp o w 甜i 1 1 1 【避免网络上数据 冲突的方法是采用s c n m ( s l o t c o 咖u m c a t i o n n e 帆o r k m a n a g e m e n t ) 时间片网 第2 荦实时以太网通讯原理 络通信管理机制。s c n m 给同步数据和异步数据分配时槽，保证在同时间只有 一个设备可以占用网络媒介，从而彻底杜绝了网络冲突的发生。 e t h 锄e tp o w 甜i n k 是以快速以太网为基础开发出来的实时工业以太网协 议。贝加莱公司的目标是在快速以太网的基础上，创建一个高速的、实时的、 确定性的网络环境。利用高速循环数据交换，使抖动降到很小( 小于1 u s ) ，同 时在不影响循环通信的情况下处理非循环的数据。而且，i ，o 与驱动数据能够在 相互之间以及与p c c 系统间完成同步传输。因为是完全建立在标准快速以太网 之上，所以e l 蹦l e tp o w 甜i l l l 【完全符合标准的拓扑结构和物理特性，且能够与 n i 技术无缝连接，传输速率为1 0 0 m b p s ，最小循环周期为2 0 0 l l s 。使用带i u 4 5 插头的标准双绞线电缆。网络拓扑支持星型、树型和菊花链型结构，单个网段 最多可以连接2 4 0 个实时站点。由于有实时性的要求，因此不允许使用交换机， 只能使用集线器作为连接设备【1 6 1 。 2 1 4s e r c o s i 实时以太网 s e r c o s ( s e r i