（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的嵌入式工业以太网控制技术的研究.pdf

基于d s p 的嵌入式工业以太网控制技术的研究 摘要 随着数字技术、计算机技术和网络技术的发展，它们的影响已深入到社会 的许多方面，也使得工业控制系统的结构发生了很大的变化。从最初的c c s ， 经d c s 至, j f c s ，再到今天的工业以太网，工业自动化水平逐步提升。 本文首先简要介绍了控制网络系统的发展历史概况和现状，说明了研究以 太网应用到工业控制网络中的意义。随后详细比较了现场总线和工业以太网的 区别，对以太网应用于工业现场的优缺点作了分析，对其应用于工业现场的障 碍给出了解决办法。工业以太网技术的发展需要有性能稳定、技术成熟的工业 级嵌入式以太网络接口来支持，它是嵌入式系统和i n t e m e t 辛目连的关键部件。本 文采用网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 实现了嵌入式的网络接口，详细研究了在d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器控制下的网络接口软硬件的实现，并重点对软件作了研究， 简化并实现了嵌入式t c p i p 协议栈，接着用s o c k e t 套接字应用程序对网络接口和 p c 机之阃的通讯作了测试，最后对嵌入式以太网应用作了总结和前景展望。本 文的研究对嵌入式系统在工控领域的应用和工业以太网技术的推广具有一定的 意义。 关键词：控制系统，工业以太网，d s p ，t c p i p ，s o c k e t r e s e a r c ho ft h ee m b e d d e di n d u s t r i a le t h e r n e tc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l ，c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h e i r i n f l u e n c e sh a v ei n v o l v e di nt h es t r u c t u r eo ft h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma sw e l la s m a n ya s p e c t so ft h es o c i e t y o r i g i n a l l y , c c si sa d o p t e d ，l a t e rd c s a n df c s ，u pt i l l u o w i n d u s t r ye t h e m e tn e t w o r k ，a u t o m a t i o nl e v e la d v a n c e ss t e pb ys t e p a tt h eb e g i n n i n g ，t h i sp a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c eo ft h ed e v e l o p m e n th i s t o r y a n da c t u a l i t yo ft h ec o n t r o ln e t w o r ks y s t e m ，a n di l l u m i n a t e st h es i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ho ne t h e m e ta p p l y i n gt oi n d u s t r i a ls p o t c o m p a r e dw i 血f i e l d b u s e t h e m e t h a sm a n yv i r t u e s t h em e t h o d sw e r eg i v e nt or e s o l v ed r a w b a c k so ft h ee t h e r n e t w h e ni ti su s e di ni n d u s t r i a ls p o t t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ye t h e r n e tn e t w o r k n e e d sas t a b l ec a p a b i l i t ya n ds o p h i s t i c a t e dt e c h n i q u ei n d u s t r i ne m b e d d e de t h e r n e t i n t e r f a c ew h i c hi sk e yp a r to ft h ee m b e d d e ds y s t e mc o n n e c t i n gt oi n t e r n e t t h i s p a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h ei m p l e m e n to f n e t w o r ki n t e r f a c ea n dt h er e s e a r c ho nb o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r eu n d e rt h ec o n t r o l l i n go fc h i pd s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h em a i n p o i n ti ss o f t w a r e ，a n dad o w n s i z e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ki su s e d t h e nat e s tw a s g i v e no nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn e t w o r ki n t e r f a c ea n dap e r s o n a lc o m p u t e r w i t hs o c k e ta p p l i c a t i o n f i n a l l y ，as u m m a r i z eo ft h ew o r k sa n dt h ep r o s p e c to f e m b e d d e di n d u s t r i a le t h e m e tw a sg i v e n t h er e s e a r c hh a sd e f i n i t es i g n i f i c a n c eo n t h e a p p l i c a t i o n o fe m b e d d e d s y s t e m i ni n d u s t r i a lc o n t r o ld o m a i na n dt h e p o p u l a r i z a t i o no fi n d u s t r i a le t h e r n e t k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，d s p , t c p i es o c k e t 插图清单 图1 一l 集成以太控制网络系统组成 图2 1 以太网帧格式 图3 1 系统模块结构示意图 图3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和r t l 8 0 1 9 a s 连接电路图 图3 3 电源模块电路图 图3 4 隔离单元电路图 图3 5 复位电路 图4 1o s i 参考模型与t c p i p 模型对比 图4 2t c p i p 协议族中不同层次的协议 图4 3 网络互联示意图 图4 4t c p i p 协议的通信模型 图4 5t c p i p 协议数据封装与解包过程 图4 6 网络协议栈处理主流程图 图4 7r t l 8 0 1 9 a s 寄存器c r 位定义 图4 8r t l 8 0 1 9 a s 数据包收发程序流程图 图4 9 用于以太网的a r p 请求和应答格式 图4 一l oi p 报文格式， 图4 1 1i p 模块中接收帧的分用 图4 一1 2u d p 首部格式 图4 一1 3t c p 报头格式 图4 1 4t c p 连接的建立与关闭握手过程 图4 一1 5t c p 的状态变迁图。 图4 1 6 数据帧接收与发送处理流程图 图4 1 7t c p 解包函数p r o c e s s t c p f r a m e 0 流程图 图4 1 8t c p 重传机制 图5 1 面向连接的客户服务器程序工作模型 图5 2 无连接的客户服务器程序工作模型 图5 3d s p 接收到的a r p 请求数据和抓包软件抓取的数掘 图5 4 网络抓包软件抓取的t c p 数据， 七一坫均均加n毖路船孔胛鹪约n弛鸥弘踮盯鹋如钉蛎盯钉 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导帅指导r 进行的研究【：作及取得的研究成果。 据我所知，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戏撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥：! 型e _ 厶堂或其他教育机构的学位或证15 而使 州过的材料。与我一同：i ：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 并表示谢意。 学位论文作者签名 都、杰， f 签字日期：j 耐年，月) - 。f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥盟王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅平借阅。本人授权金 魍工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可咀采川影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适_ = | j 本授权m 学位论文作者签名：关母童、 签字日期：? 年f 月2 。日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 - - p , 虱雄青 签- ? - - 日期：加d 6 年r 月z o 日 电话： 邮编： 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我 的导师陶维青副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是收集资料、 论文成稿，都倾注了陶老师的心血，由衷感谢陶老师在学业指导及各方面所给 予我的关心，陶老师广博的学识、严谨的治学作风、高度负责的敬业精神必将 使我终身受益。 同时，真诚感谢电气学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢本实验室王骏、张晓飞、周 强、王成进、黄丽琼等同学，在我课程学习和论文撰写期间，给予我帮助和鼓 励。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助。 作者：郑杰 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 当今是网络与信息化的时代，随着计算机和网络技术的发展，工业自动化 水平也得到了快速的发展。控制系统的结构也从简单到复杂，从低级到高级， 水平逐步提升。i n t e r n e t 把全世界的计算机系统、通信系统集成起来，形成公 用数据网络，给人类生活方式及人类社会都带来了根本性的变革。虽然工业数 据通信的内容已有很长历史，但控制网络却是近年来才发展形成的。在此基础 上，传统的工业控制领域也在经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发 展，形成了新的控制网络，即工业以太网【l 】。在最近几年里，以太网技术有了 很大的进步，特别是确定性、速度和信息优先级等方面。交换技术的快速发展 大大消除了以太网应用于控制领域的障碍。当前的一个发展趋势是以太网向底 层延伸，将以太网与现场总线实现无缝连接【2 】。 1 1 课题背景 在第一代控制系统的c c s ( 计算机集中控制系统) 中，计算机取代了传统 的模拟仪表，在控制算法和协调控制方面有了很大的提高。由于控制简单，直 接面向控制对象，并宋形成控制网络体系。由于只有一个c p u 工作，可靠性和 实时性等方面都不理想。 2 0 世纪7 0 年代出现了第二代计算机控制系统d c s ( 集散控制系统) 。它曾经 网络控制系统中占主导地位，其核一i s , 思想是分散控制、集中操作、分级管理。 典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。其基本控制功能在过 程控制级中，操作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得某个局部的故障 对整个系统的影响较小，加之各种软硬技术不断走向成熟，整个系统的可靠性 得以大大提高，因而迅速成为自动控制系统的主流。然而d c s 也有其明显的缺 点：首先其结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，主机 负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整令系统都会“瘫痪”；其次它是一种 数字与模拟的混合系统。现场仪表仍然使用传统的4 2 0 m a 0 9 流模拟信号，传 输可靠性差，成本高；第三是各厂家d c s 自成标准，通讯协议封闭。极大的制 约了系统的集成与应用。 现场总线技术克服了d c s 的缺点，形成了新的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制系统( f c s ) 是顺应智能现场仪表而 发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4 2 0 m a 模拟传输技术。f c s 的典型结 构分为3 层：设备层、控制层和信息层口】。它是应用在生产现场，在微机化测量 控制设各间实现双向串行多节点的数字通讯系统，又称为开放式、数字化、多 点通讯的低层控制网络，被誉为自动化领域的计算机局域网 4 】a 它把各个分散 的测量控制设备转换为网络节点，以现场总线为纽带，连接成为可以互相通信、 沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统【“。但是由于现场总线的开放 是有条件的、不彻底的，也有许多问题制约了其发展，主要的有通讯标准不统 一，多种现场总线同时存在，实现复杂等问题口j ，其传输速率也不尽人意。 在f c s 的发展受到制约的同时，工业以太网却得到了迅速的发展。以太网是 当今最流行、应用最广泛的网络，具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性 好等方面的优势，支持几乎所有流行的网络协议，因此现阶段工业以太网技术 受到关注并且发展迅速。 1 2 国内外工业以太网研究现状 传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层则采用不 同的现场总线或其他专用网络。随着互联网技术的发展与普及推广，以太网技 术也得到了迅速的发展，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发展，给 解决以太网通信的非确定性问题带来了希望，目前以太网已经渗透到了控制层 和设备层，开始成为现场控制网络的一员 6 】。 现在以太网已经与控制网络构成了集成系统，一般包含信息网络和控制网 络两部分。控制网络主要位于中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简 单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。信息网络一般处于中上层，处理 大量的、变化多样的信息，具有高速、综合的特征。因此，企业网络是控制网 络与信息网络的集成，实现集成统一的企业网络成为企业综合自动化与信息化 的努力目标。按照这个目标，可以在以太网基础上将控制网络与信息网络统一 构建，设计一种混合控制的网络结构，典型系统如图l 一1 n 示。 图1 1 集成以太控制网络系统组成 该系统由现场总线、p l c 、嵌入式控制器、工业计算机、工作站、数据库服 务器、文件服务器、网关设备、交换式以太网组成。根据耦合程度和控制功能 的强弱，其具体的物理结构和实现存在很大的差别。系统以交换式集线器或网 络交换机为中心，包括数据库服务器和文件服务器，采用星型拓扑结构。 国内外学者近年来在工业以太网的研究工作中表明口】，新技术的介入和具 有实时功能的以太网协议的产生，使工业以太网将逐步成为工业控制网络的主 流技术。碰撞冲突产生的带宽问题和排队时延的不确定性问题，在理论上都得到 了不同程度的解决。工业以太网现阶段的研究在以下的方向上取得了初步的成 果，同时有待更进一步的深入研究。 1 以太网集线器 集线器( h u b ) 置于网络中心并通过以太网i o 接口挂接现场设备，以太网 i o 接口高速( 约l o o k h z ) 扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上 层控制器。高级控制算法在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和 以太网i o 接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入 口地址，并用完全分离的线路传输数据，所以保证了实时数据不会产生传输延 滞和线路阻塞。 集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的 数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能 化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网i o 口，并为之提供 数据缓冲区，这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集 线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。 2 交换式以太网 交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到 点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。交换机主 要用来把网络分成不同的冲突域，同时对网络进行扩展。通过网段的微化增加 了每个网段的吞吐量和带宽，为每个用户提供了独占的点到点链路。交换式以 太网克服了传统以太网的缺点，大大提高了网络性能，使原来的“共享式”带宽 变成了“独占式”带宽，不需要竞争底层传输信道，网络的带宽问题得到了妥 善解决。 3 冗余网络保证可靠性 以太网的环冗余是由h i r s c h m a n n 首先提出的，在一定程度上解决了以太网 的容错问题，提高了以太网的可靠性。通过冗余结构，用户能够获得非常高的网 络利用率。冗余模式构造了一个环，这个环保证了在失败情况下的数据的安全 传输。在交换式以太网中，冗余的管理能够实现很高的网络可用性。许多快速的 冗余算法为适应环冗余不断出现，即使在需要重新配置网络的时候，这些算法和 以太网环布局也能保证继续进行生产操作。这种方法还使得在网络还在运作时 也能保持和扩大网络。 工业以太网技术在其他一些方面也有进展，如在以太网的协议中加入实时 功能( 其实仅仅是在设备中加入特殊的协议芯片) ，通过采用减轻以太网负荷、 提高网络速度、采用全双工通信、采用信息级和流量控制，采用虚拟局域网及 0 p c 等技术。 国外对以太网作为控制总线的研究已从理论阶段过渡到开发阶段。惠普公 司应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产嵌入式以太网控制器，具有1 0 b a s e t 以太网接口， 运行t c p i p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。n e ts i l i c o n 公司应用n e t + a r m 体系，生产嵌入式集成t t c p i p 的芯片。目前几个主要的现场总线组织 也在开发基于以太网的现场总线协议，如f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t ，更有一些 公司已在开发具有以太网接口的仪表。很多研究机构也在进行节点网络控制器 的硬件构架和软件体系研究，为工业现场最底层的设备架设了单一高效的网络 结构，形成了与现有i n t e m e t 无缝连接的数据传输通道。如带有工业以太网接口 的智能仪表、嵌入式智能控制器终端等。g e 公司将以太网接口做在保护装置中， a b b 推出了带有以太网接口的间隔控制器，台湾的m o x a 公司在工业以太网通 信技术领域有世界领先水平，为工业设备联网提供完整解决方案，生产有各种 高速工业以太网交换机。实行“e ”网到底是工业控制网络必然的发展趋势，而 可实现最低层设备直接融入网络的嵌入式技术必将获得长足的发展1 6 j 。 1 3 本课题研究意义 随着控制理论和计算机技术的不断发展【7 】，以及在工业领域相关技术要求 的不断提高，对控制系统的体积、可靠性、快速性、廉价性要求也越来越严格。 这些要求有：控制算法越来越复杂，控制过程的运算量越来越大，同时控制时 间要求越来越短；控制系统的关键芯片的相关外设集成度高、系统体积小、可 靠性高；芯片的价格低廉，实现工业和日常生活的普遍应用。 数字技术的发展使得越来越多的产品和系统中嵌入了微处理器芯片，嵌入 式软件已经成为软件与其他系统融和渗透的载体，成为这些系统的关键技术， 也是未来企业和产品竞争力的体现。将嵌入式技术融入工业网络控制中，研制 出高性能低成本的网络终端控制器，在此基础上实现工业设备的全面联网，必 将使控制系统的功能跃上一个新台阶，使得远程数据采集、远程控制、上传下 载数据文件等过程成为实时、高效的操作流程，从而显著提升企业的生产自动 化水平。同时，信息技术的发展，使得楼宇、工厂乃至家庭都开始大量安装以 太网以共享信息。这些通用以太网灵活方便，费用低廉，与i n t o r n e t 自然结合。 如果能直接用这些网络连接现场设备以实现控制方面的信息共享，则可以轻松 实现远程监控并大大降低成本。最简便的方法就是采用独立的以太网控制器， 连接具有t c p i p 界面的控制主机及具有串口的现场装置。独立的以太网络控制 器扮演通用计算机网络和现场各类设备之间的一个整合桥梁，执行资料的处理 和交换工作。 作为一种特殊的单片机，d s p 也是将中央处理器、控制单元以及外围设备集 成到一块j 笛片上。不同于普通单片机的是，d s p 采用多组总线技术实现并行运行 机制，从而极大地提高了运行速度。早期d s p 多用于处理语音信号、图像信号， 这类信号处理的算法复杂，要求d s p 具有强大的运算速度。随着d s p 技术的不断 改进，开发软件和工具的不断完善，以及价格的大幅下降，d s p 在通信、自动控 制领域的应用越来越广。d s p 芯片本质上是一个数字信号处理器，适合于实时数 字信号的处理，实现快速实时的控制算法。目前d s p 在许多领域都有广泛应用， 工业上主要应用在电力系统、安全检测、过程控制、故障诊断等方面。 嵌入式i n t e m e t 是最近网络应用的热点，就是通过i n t e r n e t 使所有连接网络 的设备彼此互通互联，从计算机、p d a 、通讯设备到仪器仪表、工作设备等。t c p i p 协议是应用于i n t e r n e t 中的标准协议。连接局域网的设备直接使用支持t c p i i p 的网络控制器( 包括硬件和相应的软件) ，已成为当前工业企业构建信息化技术 平台的发展趋势，在自动化领域前景看好。 综合上述几方面的考虑，我们开展了基于d s p 的嵌入式工业以太网的应用 研究。 1 4 本文主要工作 嵌入式以太网控制器要求体积小，功耗低，速度快，接八方便，适应性强 等。本文对工业以太网的嵌入式应用进行了研究，主要工作有以下几方面： 1 、比较了工业以太网与现场总线的区别，分析了以太网应用于工业时的 优缺点，并对以太网应用于工业的障碍及其解决方法做了分析。 2 、采用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和网络接口芯片r t l s 0 1 9 a s 设计网络接 口控制器 3 、对t c p i p 协议族进行了分析简化，并在d s p 中实现了简化的协议栈 4 、运用s o c k e t 套接字进行上层应用程序的开发，并与p c 之间作了网络通 信测试。 第二章工业以太网技术 2 1 工业以太网的发展及应用 以太网作为一种局域网基本介质接入技术，由于其高度的灵活性和实现的 简单性，近年来得到迅猛的发展。早期以太网是在2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公司发 明的 8 ，最初用于实验室互联网络。接着采用了载波侦听多路访问冲突检测 ( c s m a c d ) 传输规范，n 1 9 8 0 年产生了i e e e 8 0 2 3 规范标准，并且由数字设备 公司、英特尔公司年d x e r o x 公司联合开发了与i e e e 8 0 2 3 标准兼容的以太网2 o 方 案。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网( 1 0 m b p s ) 、快速以太 网( 1 0 0 m b p s ) 、千兆以太网( 1 0 0 0 m b p s ) 和1 0 g 以太网。 所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 ) 兼容，但在产 品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性及实时性等方面能满足工业现 场的需要。简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技 术【6 1 。 以太网在工业控制领域已有不少成功的应用，主要由以下几方面：( 1 ) 车间 级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、p c 机及以太网 络设备组成：主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。( 2 ) 管理 层信息网络：即支撑工厂管理层m i s 系统的计算机网络。主要完成妻i e r p 的信息系 统。( 3 ) s c a d a 系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信 技术的s c a d a 系统，如城市供水或污水管网的s c a d a 系统、水利水文信息监测 s c a d a 系统等。( 4 ) 个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布 式控制系统也有采用以太网+ t c p i p 技术，并获得很好的效果：如水电厂的计算 机监控系统p j 。 2 2 以太网技术概述 2 2 1 以太网分类及标准 以太网的分类方法有多种 8 】，可以按网络的传输介质、拓扑结构、工作速率 和执行的标准规范等进行分类。 按传输介质进行分类可以分为有线以太网和无线以太网。有线以太网又可 细分为电缆( 同轴电缆和双绞线对) 以太网与光缆( 多模光缆和单模光缆) 以 太网；无线以太网也可分为不同传输频段以太网。本文主要讨论有线以太网。 按网络的拓扑结构分，对有线以太网可以分为星型拓扑以太网和环形拓扑 以太网。星型以太网普遍采用i s o i e c8 8 0 2 3 和i e e e8 0 2 3 标准。环形以太网 采用i s o i e c8 8 0 2 - 5 标准。 按网络的工作速率分类，对于有线以太网的工作速率可分为：i m b i t s 、 l o m b i t s 、l o o m b i t s 、l0 0 0 m b i t s 、i 00 0 0 m b i t s 五种。 2 2 2 以太网传输介质 以太网主要有两种传输介质，双绞线和同轴电缆。早期的以太网主要是以 同轴电缆相连，包括粗缆1 0 b a s e 5 和细缆1 0 b a s e 2 。计算机与粗缆以太网同轴电 缆之间的连接需要一个收发器。收发器连接到芯线和电缆的编织屏蔽层上感知 和发送信号。主机接口卡或主机适配卡插入到计算机的总线并连到收发器。细 缆以太网之间的连接需要利用b n c 连接器。如今通常使用1 0 b a s e t 双绞线以太 网。典型的使用5 类双绞线，与计算机之间的连接使用即插即用的r j 4 5 接头。 所有的标准以太网都遵循i e e e8 0 2 3 标准【8 ，下面是一些以太网络标准，有 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ，1 0 b a s e f 等。1 0 b a s e 5 使用粗同轴电缆，最大 网段长度为5 0 0 m ，基带传输方法。 2 2 3 以太网帧格式 以太网的帧格式与i p 是一致的，特别适合于传输i p 数据m 】。目前，有两种 不同格式的以太网帧在使用，分别是：e t h e r n e ti i 和e t h e m e t8 0 2 3 。这里给出最 常用的e t h e r n e ti i 类型以太网帧格式 目标地址源地址类型数据 c r c 例2 一l 以太网帧格式 开始的两个六字节分别为目的地址和源地址，即硬件m a c 地址；接下来的两 个字节定义了后续数据的类型；类型字段后就是数据，以太网要求最少4 6 字节， 最多1 5 0 0 字节的数据；最后的4 字节的c r c 字段用于帧内后续字节差错的循环冗 余码校验。 2 2 4c s m a c d 以太网的基本特征是采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ，载波监听多路访问冲突检测) 的共享访问方案。c s m a c d 是种非 确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监 听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网 络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞， 同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。1 6 次碰撞后， 控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。它采用总线控制技术及二 进制指数退避算法 。 2 3 现场总线技术的发展及其状况 现场总线( f i e l d b u s ) 是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的一种工业数 据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设 备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 现场总线是一种底层控制网络。它具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的 优点。目前，较为流行的现场总线有f f 、c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t ( 过渡协议) 等“刮。 ( 1 ) 基金会现场总线f f t ”1 基金会现场总线f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景 的一种技术。其前身i s p 协议和w o r l df i p 协议。基金会现场总线分为h 1 和高速 h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 k m ，可支持总 线供电和本质安全防暴环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距 离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼 切斯特编码。基金会现场总线以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、 数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 ( 2 ) c a n 总线 c a n 总线最早是由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间 的数据通信协议。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛 应用于离散控制领域。它也是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理 层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、 一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通 信速率与总线长度有关。c a n 总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8 个； 当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。 ( 3 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o m l a 十和东芝公司共同倡 导的现场总线技术。它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o n w o r k s 技 术的核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实现完整的 l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。其上集成有三个8 位c p u 。个c p u 完成o s i 模型 第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运行操 作系统与用户代码。还有一个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行 网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之 间可以进行对等通信。l o n w o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网 方式灵活，其i s 一7 8 本安物理通道使得它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用 范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越 的性能。 ( 4 ) p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线，包 括p r o f i b u s - - d p 、p r o 舶u s f m s 、p r o f i b u s - - p a 三部分。它也只采用了o s i 模型 的物理层、数据链路层、应用层，支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方 式。主站对总线具有控制权，主i 站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取 得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。d p 型用于分散外设间的高速数据 传输，适合于加工自动化领域。f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制 器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 ( 5 ) h a r t 总线 h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。它是用于现场智 能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、数据链 路层和应用层。h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远 程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的 过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。 现场总线实际上是连接现场智能设备和自动化控制的双向串行、数字式、 多节点通信网络。与i n t e m e t 、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面 向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。针对这 些特点，现场总线协议模型省略了一些中间层，只包括i s o o s i 七层模型中的三 层：物理层、数据链路层和应用层。在此基础上形成了新的现场总线控制系统 f c s 。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能 仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字、 模拟混合信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、 多变量、多节点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。 但是f c s 也有许多问题制约了其发展。首先，现有的现场总线标准种类过多， 且各有自己的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，在一 个控制系统中往往有多种现场总线同时存在，用户希望将工业控制系统与数据 网络实现无缝集成，真正实现管控一体化，相同的现场仪表功能块组态会变得 相对复杂；另外在本质安全、系统可靠性等方面存在一些技术瓶颈。事实上， 造成以上问题的最根本原因在于现场总线的开放性是有条件的，不彻底的i2 1 。 2 4 以太网与现场总线的比较 2 4 1 从技术方面将以太网与现场总线技术进行比较 ( 1 ) 物理层 9 现场总线： a 传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆( r s 4 8 5 ) 、光纤、同轴电缆，以解 决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不 同场合需要。 b 插件：各种防护等级工业级的接插件。 c 线供电及本质安全：用于流程控制及要求防爆功能的场合。 d ，编码：异步n r z 、位同步曼彻斯特编码等。 e 传输速率：9 6 k 1 2 m 以太网： a 传输介质：u t p 3 类线、u t p 5 类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆 无线传输的解决方案。 b 插件：r j 4 5 、a u i 、b n c c 总线供电及本质安全：无。 d 编码：同步、曼彻斯特编码。 e 传输速率：1 0 m 、1 0 0 m 比较：现场总线在工业适用性上要优于以太网，但速度没有以太网快。 f 2 1 介质访问控制方式 现场总线： 现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时 性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的：实时性指 网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。 目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者 消费者。 令牌总线控制方式在工业控制领域应用得较多，其特点是，网络上各工作 站对总线的控制权是由令牌来控制的。收到令牌的节点在一段规定时间内拥有 网络传输介质的控制访问权，并向网络上发送一帧或多帧信息，当该站传输已 经完成或它占用网络的规定时间到时，它就将令牌传递到下一逻辑站。因此， 传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。由于令牌传递 时间、拥有令牌的节点占用网络控制权的时间是预先规定好的，在网络节点数 量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的，因 此，令牌网又称为“确定性”网络。 以太网： c s m a c d 是以太网采用的介质访问控制方式。根据c s m a c d 机理，它不 能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与c s m a c d 具有对等 的技术内涵，可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性网络。 比较：令牌总线的确定性比较适合通信确定性和响应实时性要求较高的工 业控制系统中应用。其中a r c n e t 网络就是比较著名的令牌总线之一，传输速率为 2 5 m b p s ，数据帧长度最大为5 0 8 字节，可使用电缆、双绞线和光纤等传输介质。 在负荷较轻时，e t h e r n e t 网络的响应速度明显大于a r c n e t 网络，但随着负荷的增 女h e t h e r n e t 网络的响应速度就急剧下降，而a r c n e t 网络却下降得非常缓慢。当网 络负荷低于2 5 时，e t h e r n e t 网的响应速度要t l a r c n e t 网要快。典型的工业控制 系统应用中，通信峰值负荷为1 0 me t h e m e t 的5 ，1 0 0 me t h e m e t 网络中的负荷 为0 5 。如果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制，使 网络负荷低于1 0 ，完全可以采用e t h e m e t n 来取代a r c n e t n 等令牌网l 。 ( 3 ) 传输效率：不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有 效传输数据之外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段 与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效数据传 输的代价。 传输效率= 有效数据长 全部附加字段长+ 有效数据长 以太网全部附加字段长= 2 6 字节，最大有效数据长= 1 5 0 0 字节，最小有效数 据长= 1 字节( 小于4 6 时填0 ) ，最大传输效率= 1 5 0 0 ( 1 5 0 0 + 2 6 ) = 9 8 3 ，最小传 输效率= 1 ( i + 2 6 + 4 5 ) = 1 3 9 ；现场总线p r o f i b u s 全部附加字段长= 1 1 字节， 最大有效数据长= 2 4 4 字节，最小有效数据长= 1 字节，最大传输效率= 2 4 4 ( 2 4 4 + 11 ) = 9 5 6 9 ，最小传输效率= 1 ( 1 + 11 ) = 8 3 3 。 2 4 2 从应用与发展方面的比较 现场总线将网络通信和管理的概念带入工业控制领域。从本质上讲，它是 一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双 向传输、多分支结构的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技 术三者的结合，代表了工业控制结构的种方向。现场总线出现以后，网络化、 集成化、智能化成为控制系统发展的一种必然趋势。 控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。尽 管现场总线获得了巨大的成功，但现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。 网络控制系统要求用于控制领域的总线是高网络性能的数字式互联网络，具有 互操作性和开放性。互操作性要求采用统一的标准和协议来实现，开放性是技 术公开且被广泛使用。多种现场总线并存是当前的客观事实，难以沿开放的方 向发展。为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化，需要对系统的结构做变 革( 酗。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，几乎 支持所有流行的网络协议，在商业系统中应用广泛。进入控制领域以来，以太 网的t c p i p 协议的开放性使得它在工控领域通讯中具有很大的优势： 低成本，易于组网，技术支持广泛。以太网在商业领域已有成熟应用， 具有大量的软硬件资源和开发设计经验。许多网络产品都带有以太网接 口，组网简单方便。 开放透明的协议标准。以太网使用t c p i p 作为上层通讯协议，该协议极 其开放灵活，基于该协议的以太网已成为最为流行的分组交换局域网技 术。t c p i p 协议应用于工业现场，使得工厂的管理可以深入到控制现场， 可以利用i n t e r n e t 延伸到现场设备，并通过i n t e r n e