（控制理论与控制工程专业论文）基于epa工业以太网的通讯卡研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e d t 0t i a 响u n i v e r s i 够。ftechn。h始iiiiiiii宇iih。iihl6ihi15hi18ii t h em a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o nc a r db a s e d o ne p a b y l ix u n s u p e r v i s o r p r o f w e ik e x i n d e c e m b e r , 2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨墨太堂 或 其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李勃 签字日期：，口年岁月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太堂 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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： p 年；月g 日 签字日期：r a 年3 月e 日 摘要 近年来现场总线在自动化控制网络中的应用越来越多，但是由于现阶段多种现场总 线标准并存，无法形成统一的国际标准，现场总线技术的发展受到了阻碍。在这种情况 下，工业以太网技术逐渐发展起来。工业以太网技术采用以太网+ t c p i p 的形式，并且 拥有成本低廉、通信速率高、可利用资源丰富、安全性较好等优点，成为现场总线技术 新的发展方向。 e p a 标准由浙江大学联合国内几大高校共同开发，主要应用于工业测量与控制系统 网络之中，并得到了国家“8 6 3 计划的支持，是我国第一个拥有自主知识产权的现场 总线标准，在2 0 0 7 年成为国际电工技术委员会公布的i e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准的类 型之一。 e p a 智能仪表的开发，对于e p a 控制系统的推广具有重要的作用。为了能将普通 的工业仪表应用到e p a 网络中，本文提出了一种基于e p a 工业以太网的通信卡设计方 法，并对通信卡的软硬件结构进行了分析和叙述。 通信卡的硬件部分使用了高性能处理器a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 作为系统的主控制器，同 时还拥有u a r t 串行通讯模块、以太网接口模块，复位电路模块等。 软件方面，采用了模块化的设计方法。首先在a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 处理器上进行了嵌 入式实时操作系统p c o s i i 的移植，然后在操作系统中移植了t c p i p 协议栈l w i p 。 以这两者为基础进行了e p a 通信协议的设计，实现了e p a 标准中的通信调度管理实体、 时钟同步等部分。并在文章的最后，提出了e p a 用户层功能块的设计方法，并以雷达 物位模块为例进行了叙述。 测试结果表明，使用e p a 通讯卡的工业仪表能够被上位机用户组态软件所识别， 通信卡具有良好的实时性和通信功能。 关键词：现场总线e p ap c o s i il w i p 协议栈 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no ff i e l d b u si na u t o m a t i o nc o n t r o ln e t w o r kh a sb e e nm o r e a n dm o r e m a n yk i n d so fs t a n d a r do ff i e l d b u sa r ec o e x i t si nt h i ss t a g ea n dt h e r ei s n ta u n i f i e di n t e r n a t i o n a lo n e ，t h u st h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e e nh i n d e r e d u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，i n d u s t r i a le t h e m e tt e c h n o l o g yg r o w su pg r a d u a l l y t h ei n d u s t r i a l e t h e m e tt a k e st h ef o r mo fe t h e r n e t + t c p i pa n dh a sl o to fa d v a n t a g es u c ha sl o wc o s t ，h i g h c o m m u n i c a t i o ns p e e d ，a b u n d a n ti nu s i n gr e s o u r c e s ，g o o ds e c u r i t ya n ds oo n ，i th a sb e c a m ea n e wd i r e c t i o no ff i e l d b u st e c h n o l o g y e p as t a n d a r dw h i c hd e v e l o p e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n ds e v e r a lo t h e ru n i v e r s i t i e si s m a i n l yu s e di ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k e p as t a n d a r di st h ef i r s tn a t i o n a l f i e l d b u ss t a n d a r dw i t hs e l f - o w n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n dh a sb e e ns u p p o r t e db y8 6 3 p r o g r a mo fc h i n a i n2 0 0 7i tb e c a m eo n eo fi n t e r n a t i o n a lf i e l d b u ss t a n d a r di ni e c 6 115 8 p u b l i s h e db u yi e c t h ed e v e l o p m e n to fe p a i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee p ac o n t r o l s y s t e mp o p u l a r i z a t i o n i no r d e rt oa p p e a lc o m n l o ni n d u s t r i a li n s t r u m e n t st oe p an e t w o r k , t h e p a p e rp r e s e n t s ad e s i g ns c h e m eo fe p ac o m m u n i c a t i o nc a r da n dd e s c r i b e st h e s y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r e i nt h ee p ac o m m u n i c a t i o nc a r d sh a r d w a r e ，w eu s et h eh i g hp e r f o r m a n c ep r o c e s s o r a t 9ls a m 7 ) ( 2 5 6a sm a i nc o n t r o l l e ri nt h es y s t e m ，a l s ow i t hu a r ts e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，e t h e r n e ti n t e r f a c em o d u l e ，r e s e tc i r c u i tm o d u l ea n ds oo n t h es o f t w a r ei sd e s i g n e di nm o d u l a r i z a t i o n t h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m p c o s i ii st r a n s p l a n t e di n t oa t 9 ls a m 7 x 2 5 6p r o c e s s o rf i r s t ，a n dt h e ni st h et c p i ps t a c k l w i p t h ed e s i g no fe p ac o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tb a s e do na b o v em e t h o di sa b l et o p e r f o r mt h ee p a c s m e 、c l o c ks y n c h r o n i z a t i o ne t c o fe p a s t a n d a r d a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ed e s i g no fe p au s e rl a y e rf u n c t i o nb l o c ki sp r o p o s e da n dd e s c r i b e di nt h ee x a m p l eo fr a d a r l e v e lm o d u l e t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n d u s t r i a li n s t r u m e n tw i t he p ac o m m u n i c a t i o nc a r dc o u l d b er e c o g n i z e db yh o s tc o m p u t e ru s e rc o n f i g u r a t i o na n dw o r kw e l li nr e a l t i m ea n d c o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，e p a ，1 t c o s - i i ，l w i p , p r o t o c o ls t a c k 目录 第一章绪论l 1 1 现场总线技术概要l 1 1 1 现场总线技术的出现1 1 1 2 现场总线技术的发展现状和问题。l 1 2 工业以太网技术的发展3 1 2 1 工业以太网技术的特点3 1 2 2 工业以太网技术需要解决的问题4 1 3 本文的主要内容和创新点5 第二章e p a 工业以太网通信协议6 2 1e p a 控制系统结构。6 2 1 1e p a 的通信模型6 2 1 2e p a 网络拓扑结构7 2 2e p a 控制系统的技术特点8 第三章e p a 通讯卡的硬件设计1 0 3 1 硬件整体设计1 0 3 2 主控制器电路设计1 0 3 3 以太网接口电路设计1 l 3 4 电源模块设计1 3 3 5u a r t 异步串行接口模块设计1 4 3 6 复位电路设计1 5 第四章e p a 通讯卡操作系统和协议栈1 6 4 1 通讯卡的操作系统1 6 4 1 1l a c o s i i 操作系统的特点一1 6 4 1 2 t c o s i i 嵌入式操作系统中的任务和中断1 7 4 2g c o s i i 操作系统在a t 9 1s a m 7 x 2 5 6 上的移植1 9 4 3t c p i p 协议栈l w i p 2l 4 3 1l w i p 的结构2 2 4 3 2l w i p 的进程模型2 2 4 4l w i p 的移植2 3 4 4 1 编写操作系统模拟层2 3 4 4 2l w i p 的网络接口2 4 4 5r t l 8 0 1 9 a s 网络接口2 5 4 5 1 以太网口存储及初始化2 5 4 5 2r t l 8 0 1 9 a s 数据传输过程2 6 4 6 l w i p 移植测试2 7 第五章e p a 通讯卡软件设计2 9 5 1e p a 通讯卡软件模块2 9 5 2 通讯调度管理实体2 9 5 2 1 通讯调度管理规程3 0 5 2 2 通讯调度管理实体的状态转换3l 5 2 3 通信调度管理实体程序设计3 3 5 3i e e e l5 8 8 时钟同步协议3 4 5 3 1i e e e l 5 8 8 的工作过程一3 5 5 3 2i e e e l 5 8 8 的实现3 6 5 4e p a 现场设备组态3 7 5 5 通讯测试3 8 第六章e p a 雷达物位功能块设计4 0 6 1e p a 功能块模型4 0 6 2 功能块的分类及组织4 0 6 2 1 功能块的分类一4 0 6 2 2e p a 功能块的组织。4 1 6 3e p a 雷达物位功能块的设计4 2 6 3 1 雷达物位模块的数据类型。4 2 总结与展望4 4 参考文献4 5 发表论文和科研情况说明4 8 致谢4 9 第一章绪论 1 1 现场总线技术概要 1 1 1 现场总线技术的出现 第一章绪论 现场总线技术是在上个世纪8 0 年代开始出现在自动化控制技术中的。在此之前， 工业控制系统中的信号，一般采用4 - - - 2 0 m a 的模拟信号进行传输n 1 。随着工业控制技术 的发展和生产要求的提高，控制系统对控制品质的要求变得越来越高了，传统的传输方 式逐渐暴露出其精度不足和易受干扰等缺点，传统的控制技术的效果和稳定性等开始达 不到要求。 集成电路的发展和可编程逻辑控制器p l c 的应用，促进了现场总线的产生瞄1 。现场 总线是位于控制器或者工业计算机与传感器，执行器之间的支持串行、数字式的数据通 信总线。随着技术的发展，现场总线的安装越来越简单，并且支持的设备节点不断增多， 越来越多的被采用在控制系统中。经过1 0 多年的时间，在1 9 9 9 年底国际电工委员会公 布了i e c 6 11 5 8 标准第一版，这个标准中把8 种类型的现场总线标准规定为国际标准。 这8 种标准分别是：( 1 ) i e c 技术报告( 2 ) c o n t r o l n e t ( 3 ) p r o f i b u s ( 4 ) p - n e t ( 5 ) f f h s e ( 6 ) s w i f t - n e t ( 7 ) w o r l d f i p ( 8 ) i n t e r b u s 3 叫3 。 现场总线技术将双向数字通信引入到各种现场仪表、可编程逻辑控制器中，改进了 智能仪表过程控制技术，而且现场总线数字通信技术可靠，易于实现，更适用于工业现 场环境的通信方式。现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式，通过现场总线 技术，可以使现场设备中的控制器直接同控制系统进行通信，不需要进行转换；同时可 以把现场设备作为一个节点，挂接在总线上，不用为每个设备进行单独的布线，节省资 源；并且将双向数字通信引入到各种现场设备中，提高了控制精度，并且可以在控制 系统和现场设备之间进行双向通信；最后使得专门根据现场总线开发的现场仪表成为可 能，最终将取代模拟仪表。 1 。1 2 现场总线技术的发展现状和问题 现场总线技术的发展是十分快速的，但是与此相对应的也出现了很多问题。工程师 们所期待的一种统一的现场总线标准并没有出现，各大公司都在推行自己的现场总线标 准，面对如此多的现场总线标准，用户会难以进行选择。目自订主流的现场总线技术主要 有以下几种。 ( 1 ) f f 现场总线协议 基金会( f f ) 现场总线技术主要有r o s e m o u n t 和a b b 公司支持，用于连接工业现 场各种智能仪表设备及自动化系统忙1 ，以i s o o s l 7 层模型作为系统通信模型，包括物理 第章绪论 层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个层即总线 访问子层和总线报文规范子层。其主要的技术特点是功能强大并且实时性较好，使用总 线供电的形式。但是其协议较复杂，在实际使用中并不多见，主要应用在流程控制的场 合，并且价格也较昂贵。 ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线协议 p r o f i b u s 总线协议是由德国西门子公司支持的现场总线标准，也是德国、欧洲和 国际标准阁。根据不同的控制场所，它分为了3 个系列：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。d p 主要应用于传感器和执行器级的告诉数据传输，速率可达到 1 2 m b p s ，一般采用单主站系统，主站、从站问采用循环数据传送方式工作。与分散的 设备进行数据交换多数是周期性的。p a 用于安全性要求较高的场合，它具有本质安全 特性，实现了i e c 6 11 5 8 2 规定的通信规程。p a 将自动化系统和过程控制系统与现场设 备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代理了4 - 2 0 m a 模拟信号传输技术，节约 了成本，且大大提高了系统功能和安全可靠性。p r o f i b u s f m s 主要解决车间一级通 信性任务，完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务，完成控制器与智能现场 设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。给用户提供了广泛的应用范围和更大的灵 活性，可用于大范围和复杂的通信系统。 ( 3 ) c a n 现场总线通信协议 c a n 控制局域网络技术最早由德国b o s c h 公司推出，为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，主要的支持公司有 p h i l i p s 和s i e m e n s 1 。应用范围遍及从高速网到低成本的多线路网络。在汽车发动 机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，c a n 总线的通信速率可达i m b p s 。c a n 也 是以o s i 模型为基础的，分为物理层和数据链路层。 c a n 网络的拓扑结构采用两级总线式结构，两级总线之间采用转发器进行连接。 数据由网络节点进行现场的采集和检验并经二级总线发送至转发器节点，再由转发器节 点经一级总线发送至主机节点。这种方式具有抗干扰能力强的优点，并且价格较便宜， 但是传输速度较慢。 ( 4 ) h a r t 现场总线协议 h a r t 现场通信协议是工业界广泛认可的标准，在4 - 、- 2 0 m a 智能设备的基础上增加 了数字通信能力。h a r t 采用o s i 模型中的物理层、数据链路层和应用层。h a r t 基于 主从( m a s t e r s l a v e ) 协议原理，这意味着只要在主站呼叫时，现场设备( 从站) 才传 送信息哺1 。在一个h a r t 网络中，两个主站( 主和副) 可以与个从设备进行通信。副 主站，如手持终端，可以连接在网络任何地方，在不影响主站通信的情况下与任何一个 现场设备通信。 ( 5 ) m o d b u s 现场总线 m o d b u s 最初由m o d i c o n 公司于1 9 7 9 年开发，后来并入施耐德自动化。标准的 m o d b u s 接口使用了r s 2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、 传输波特率、奇偶校验b 3 。控制器能直接或经由m o d e m 组网。控制器通信使用主一从技 术，即仅一个设备( 主设备) 能仞始化传输( 查询) ，其他设备( 从设备) 根据主设备 第一章绪论 查询提供的数据做出相应反应。主设备能单独与从设备进行通信，也可以用广播方式和 所有从设备通信。m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备地址、功能代码、所有 要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动 的域、任何要返回的数据和错误检测域。表卜1 是常见的工业总线类型及特点和支持的 厂商。 表1 - 1 常见工业总线类型及提点 类型技术特点主流场合价格支持公司 f f功能强大，实时性好，总线供流程控制较贵 r o s e m o u n t a b b 电，但是协议复杂 w b d d f i p 有较强的抗干扰能力，实时性工业过程控一般 a l s t o n e 好，稳定性好 制 p r o f i b u s p a 总线供电、实际应用较多，但过程自动化较贵 s i e m e n s 是支持的传输介质较少、传输 方式单一 p r o f i b u s d p 速度较快，组态配置灵活车间级通主站较 s i e m e n s 信、楼宇自贵从站 动化一般 i n t e r b u s 开放性好，与p l c 兼容性好，过程控制较便宜独立的网络供 协议芯片内核由国外厂商垄断应商支持 p n e t 系统简单，扩展性好，响应较农业，养殖业 适中 p r o c e s d a i a 慢，支持厂商较少和食品加工 刖s s w i r n e t 安全性好，速度快航空较贵b o e i n g c a n 采用短帧，抗干扰能力强，速汽车检测，较便宜 p h i l i p s 度较慢控制 s i e m e n s l o n 肋r k s 支持o s i 七层协议，实际应用楼宇自动较贵 e c h e l o n 多，开发平台完善，芯片由国 化，工业。 外厂商垄断 除了标准过多的问题以外，现场总线技术在现阶段还有一些其他的问题。比如不同 的总线之间不能互相兼容，不能实现真正的信息互访，无法实现信息的无缝集成，而且 由于现场总线是专用的实时通信网络，成本比较高；同时现场总线的速度较低，支持的 应用有限，不便于和i n t e r n e t 信息集成。 1 2 工业以太网技术的发展 1 2 1 工业以太网技术的特点 现场总线技术发展到现在已经有了很长的一段时间，由于技术自身的特点以及在工 业自动化网络中的大量使用，全球知名的控制系统制造商都在努力开发自己的产品，投 入了大量的人力和物力，并且力争把自己的产品推广到全世界，由于金钱利益的关系， 第一章绪论 这些大公司的标准都不能做到互相兼容。在这种情况下，现场总线产品的市场竞争越来 越激烈，虽然仪表厂商和用户都在呼吁把现场总线的标准统一，但是“群雄争霸的局 面并没有改变多少。 和现场总线技术的情况相反，以太网所代表的信息网络通信技术由于协议简单，并 且所有系统资料都完全开放、稳定性和可靠性都比较好等特点，获得了所有厂商的支持。 现阶段，把以太网技术应用到工业控制系统的管理层和控制层用来为控制信息提供传输 手段，是近年来现场总线技术研究发展的热门。工业以太网成为现场总线技术新的发展 方向。 1 2 2 工业以太网技术需要解决的问题 工业控制网络是一种特殊形态的以太网，它的各种应用都处于生产过程当中。在网 络中传输的是控制系统的测量信号、控制信号等等重要内容。因此它通常应满足强实时 性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等额特殊要求和特点。一般来讲， 工业以太网在技术上与商用以太网兼容，但在产品设计上，在材质的选用，产品的强度 和适应性方面应能满足工业现场的需要。 由于以太网技术诞生的最初并没有工业控制应用的要求，所以它的一些特性还不足 以达到现在自动化网络的要求，为了能把以太网技术应用到工业控制网络上，几个重要 的问题必须得到解决： ( 1 ) 适用于工业控制产品的规范。现在很多工控设备的开发商和制造商都在开发 工业以太网的设备，但是他们设计的产品往往都是采用自己的设计标准，工业以太网控 制产品的生产规范没有统一，比如线缆、接插件等不能通用。如此一来，企业的工业以 太网产品就受到了限制，不能选择多家厂商的设备统一组网。 ( 2 ) 适合工业控制的应用层协议。国际电工技术委员会公布的标准中，只是规定 了物理层和数据链路层。但是工业网络用户使用的组态程序、控制程序等都是要通过应 用层来进入到网络中的，各家总线厂商都有自己的应用层接口定义，为了使得工业以太 网能够推广的更好，应该有个统一的应用层标准。 ( 3 ) 工业以太网的实时性表现。由于工业以太网直接工作在工生产现场，所以对 于解决方案的实时性质量有较高的要求，现在各种工业以太网标准，都有各自对于系统 实时性的解决方案，这些方案的实时性质量参差不齐，而且设计方法也不尽相同，应该 根据工业现场的特点和工业网络通信要求，提出一种系统的设计，使工业网络的各种控 制品质能够达到工业自动化的要求。 ( 4 ) 网络安全性。工业以太网所使用的模型中，一般在网络层和传输层都使用的 是t c p i p 协议，虽然这样会为工业网络的推广起到一定的作用，但是不可忽视的，也 带来了网络安全隐患，病毒以及黑客等不安全因素时刻影响着工业网络的用户，所以工 业自动化网络的安全问题的解决方案也应是研究的重点。 工业自动化技术发展到现在，对于现场总线和工业以太网技术哪一种更具有优势的 争论越来越多。从其发展过程来看，现场总线技术源自于商用以太网技术，而工业以太 网则是融合了总线概念的以太网技术，这两种技术在未来很长一段时间内，肯定会互相 第一章绪论 支持，共同发展。 1 3 本文的主要内容和创新点 主要内容： 本文以基于e p a 工业以太网的通信卡的研究为主要内容。普通的工业仪表大多使 用4 - - 2 0 m a 的电信号进行通信，为了能够使普通的工业仪表能够应用到e p a 控制系统 中，需要开发出一款能够在普通的工业仪表中使用，且支持e p a 协议的通讯卡。 ( 1 ) 叙述了工业以太网技术的发展过程以及目前国内外对于工业以太网技术的研 究现状，其次对工业以太网技术的优点以及在现阶段需要解决的一些问题进行了介绍。 ( 2 ) 着重介绍e p a 系统的结构以及e p a 协议的主要情况。 ( 3 ) 叙述e p a 通讯卡的硬件设计部分，包括主控制器电路、以太网接口电路、u a r t 串行通讯电路等硬件模块。 ( 4 ) 叙述e p a 通讯卡的操作系统g c o s i i 在a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 主控制器上的移植 过程以及l w i p 协议栈在r t c o s i i 系统上的移植方法。 ( 5 ) 提出了e p a 通讯卡所使用的e p a 协议中通信调度管理实体和i e e e l 5 8 8 时钟 同步模块的软件设计方案。 ( 6 ) 介绍了e p a 雷达物位计模块的设计方法。 创新点： ( 1 ) 根据低功耗的可靠性的设计方法，对通讯卡的硬件电路进行设计，使用工业 级的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片作为系统的主控制器。 ( 2 ) 以l w i p 协议栈为基础进行e p a 通信协议的设计。 ( 3 ) 根据雷达物位计的特点，进行了e p a 应用层雷达物位功能块的设计。 第二章e p a i ：以太网通信协议 第二章e p a 工业以太网通信协议 e p a 工业以太网是工业以太网技术的一种，全称是e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n 嘲。 使用e p a 技术可以组建各种分布式现场网络控制系统，这些控制系统根据工业现场环 境，利用i e c 6 1 4 9 9 和i e c 6 1 8 0 4 等协议，使用e p a 技术组建工业通信网络，在这个通信 网络中，若干工业现场设备、现场小系统以及用于控制、监视生产过程的设备都作为网 络节点而存在，统一由上层网络中的工程师操作站进行控制，实现工业网络控制。 2 1e p a 控制系统结构 2 1 1e p a 的通信模型 e p a 系统结构给用户提供了一个框架性质的系统模型，在这个模型中体现了e p a 现场设备是如何同上一级网络连接的以及这些设备如何在彼此之间进行通讯、数据在网 络中的传输方式，和设备在上位机控制软件中是如何完成组态的。 e p a 系统的通信模型如图2 2 所示，是以i e c 6 11 5 8 现场总线模型为基础，参照 i s o o s i 开放互联模型( i s 0 7 4 9 8 ) 的7 层结构而建立的。e p a 系统采用了i s 0 7 4 9 8 模 型中的除了表示层和会话层的其他5 层n 引。图2 1 是e p a 系统和i s o 模型的映射关系图。 l s o 各层e p a 各层 ( ( 用户层) 用户应用进程) e p a 应用层 应用层 h t t p 、f t p 、d h c p 、s n t p 、s n m p 等 表示层 未使用 会话层 传输层 t c p ，u d p 网络层 i p 数据链路层 e p a 通信调度管理实体 i s o i e c8 8 0 2 3 ie e e8 0 2 11 物理层 l e e e8 0 2 1 5 图2 1e p a 系统对i s o 模型映射图 从图2 1 中可以看到，e p a 系统使用了i s 0 7 层模型中一些常见的以太网协议，比 如h t t p 超文本传输协议、f t p 文件传输协议、d h c p 动态主机组态协议、s n t p 简单 网络时间协议、s n m p 为简单网络管理协议、t c p 传输控制协议、u d p 用户数据报文 第二二章e p a ：r 以太网通信协议 协议和i p 互联网协议等。在使用了i s o 模型中的物理层、数据链路层、网络层、传输层 的基础上，e p a 协议加入自己所特有的一些功能实体，这些实体为e p a 系统提供常规 以太网功能以外的服务。下表2 1 是这些实体的名称和各自的功能。 表2 1e p a 系统实体功能 e r a 实体功能描述 e r a 通信调度实体用于进行确定性通信调度，保证通信的准确性和实时性，一 般使用u d p 协议传送系统的报文。 e p a 应用访问实体为组成一个功能块应用进程的所有功能块实例i b 】的通信提 供通信服务，包括域上下载、变量访问、事件管理等。 e p a 系统管理实体管理e p a 设备的通信活动，将e p a 网络上的多个设备集成为 一个协同工作的通信系统。支持设备声明、设备识别、设备 定位、地址分配、时间同步、e p a 链接对象管理、即插即用 等功能。 e p a 套接字映射实体提供e p a 应用访问实体以及e p a 系统管理实体与u d p i p 软 件实体之间的映射接口，同时具有报文优先级发送管理、报 文封装、响应信息返回、链路状况监控等功能。 e p a 管理信息库s m i b存放了系统管理实体、e p a 通信调度管理实体和应用访问实 体操作等所需的信息，在s m i b 中。这些信息被组织为对象。 e p a 管 理 信 息 库 s n m p 简单 网络 管理 阱议 s n t p 系统 时钟 同步 坍议 d h c p 地址 分配 协议 引勰 e p a 套接字 映射实体 u d p i p ( a r p 、r a r p 、i g m p 、i c m p ) e p a 通信调度管理实体 2 1 2e p a 网络拓扑结构 图2 - 2e p a 系统通信协议模型 网络层传输层 数据链路层 物理层 e p a 网络拓扑结构如图2 4 所示。在此网络拓扑结构中，e p a 控制系统将整个控制 网络分为2 个层次，分别是监控级网段l 2 和现场设备级网段l 1 。现场设备级网段l l 主要负责工业现场设备( 如变送器、执行机构、分析仪器等) 之间的通信以及这些设备 第二章e p aj 1 ：以太网通信协议 同l 2 网段的连接；监控级网段l 2 主要用于控制室内的仪表、装置以及人机接口之间的 连接3 l 。此2 个网段仅是就它们在控制系统中所处的网络层次关系的不同而划分的，这 两个网段都要遵循同样的e p a 通信协议。 现场设备级网段l 1 通常就是e p a 控制网络中的现场控制区也就是现场设备区，在 e p a 系统里这个现场控制区又可以划分为若干个相互独立的小区域，称为微网段。同一 个微网段内的现场设备可以通过e p a 工业以太网交换机相互连接，使用e p a 协议进行 通信，完成本网段的测量和控制任务，e p a 控制系统中不同的微网段被e p a 网桥设备 所隔离。由于e p a 协议在兼容i e e e 8 0 2 3 以太网协议的同时还兼容其他诸如i e e e 8 0 2 1l 和蓝牙等无线通信协议，所以e p a 控制系统的现场设备不仅可以使用以太网的形式进 行通信，同时还能够使用无线局域网或者是蓝牙的方式，只要有相应的接入设备，这些 传输方式可以共存于同一个微网段内。 操作站ii 工程师站lle p a 代理 远程工作站 监控级l 2 e p a 现 场设备 e p a 现 场设备 e p a 网桥ile p a 9 c ) 9 桥 e p a 有线 微网 段 e p a 现 场设备 e p a 现i 场设备i e p a 有线 微蚓 段 图2 3e p a 系统网络拓扑结构 2 2e p a 控制系统的技术特点 现场设备级l i 无线e p a 接入设备 无线e p a 现场设备 因为e p a 技术将以太网技术为作为基础，所以在e p a 控制系统中，现场设备之间 拥有一个相对比较开放的通信平台。同时在这个基础之上，e p a 系统还拥有自己的一些 功能实体，这些实体保证了e p a 控制系统中通信的实时性和确定性。和其他的现场总 线技术相比，e p a 技术具有以下的几个特点u 引。 ( 1 ) 优良的兼容性 在e p a 控制系统中，能够完全兼容i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 p & q 、i e e e 8 0 2 1 d 、 i e e e 8 0 2 。l l 、i e e e 8 0 2 1 5 以及u d p ( t c p ) i p 等协议，使得多种工业现场设备能够共存于 第二章e p aj t ：以太网通信协议 e p a 控制系统中，保证了系统的可靠性。 ( 2 ) 确定性通信 e p a 协议栈在网络模型的数据链路层和网络层之间，定义了一个通信调度管理实 体。这个实体会把e p a 现场设备的报文按照一定的顺序排成队列，然后按照报文数据 的类型分为周期数据和非周期数据两种，分别根据分配好的时间片顺序和报文优先级这 两种条件，把报文发送到网络中。这样做可以把工业网络中现场设备的通讯差分开来， 避免了报文冲突，保证了系统通信的确定性。 ( 3 ) 兼容性 e p a 工业以太网是以普通商用以太网模型为基础的，所以在e p a 网络中不仅能够 很好的传输e p a 报文，还支持通用网络报文的交换。甚至在不影响实时性的前提下， 这两者可以并行传输。 ( 4 ) 良好的安全机制 基于e p a 的分布式工业网络控制系统从层次结构上可以划分为3 级，分别是最上 层的企业管理网络，过程监控层l 2 和现场设备层l l 。对于这3 个层次，e p a 系统分别 采取了防火墙、网络隔离和硬件加锁的安全策略，提供了良好的安全性。 ( 5 ) p o e 网络供电 现在自动化工业网络中，在现场设备节点不断增加的同时，设备的复杂程度也在不 断提高。在e p a 标准中同时兼容i e e e 8 0 2 3 a f 标准，规定了基于以太网的网络供电方式。 第二章e p a 通讯暑的硬件设计 3 1 硬件整体设计 第三章e p a 通讯卡的硬件设计 目前，非总线型的工业仪表一般都采用4 2 0 m a 的标准电信号、r s 4 8 5 或者h a r t 等方式进行通讯，并不能够支持以太网通信的方式，所以这些仪表不能直接连接进e p a 控制网络中，不具备使用e p a 控制网络进行通讯的能力。本文中的e p a 通讯卡主要负 责承担普通的工业仪表在e p a 控制网络中的通信任务，在附加了e p a 通讯卡之后，普 通的仪表能够顺利的接入到e p a 控制网络当中，可以将仪表采集或者测量到的数据传 递给监控级网络中的工作站，或者是同级网络中的其他e p a 现场设备。 e p a 通信卡的硬件结构如图3 1 所示，e p a 通信卡主要同仪表中的控制单片机相连， 采用a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 作为系统的主控制器，并拥有u a r t 串行通信模块、以太网控制 模块、电源模块和复位电路模块。主要使用的端口有j t a g 口、r s 2 3 2 通信端口、r j 4 5 网络通信接口等。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 愕犁h 燃囊i 叫复辫 ii 毒熟睁 a t 9 l 叫曩粪 s a m 7 x 2 5 6 微控制器 u ；lj 接t a 口g 睁叫誉 l 一一i 图3 1e p a 通讯卡硬件结构 3 2 主控制器电路设计 电 目前市场上可以用于小型嵌入式系统开发的处理种类非常繁多，这些芯片主要集中 在a r m 公司设计开发的a r m 7 和a r m 9 系列处理器中。一般在做工业系统的硬件设 计时，为了满足工程需要，主要从以下几个方面进行了硬件选择。 ( 1 ) c p u 的运行速度也就是运算能力。在工业网络中数据发送比较频繁，主控制 器要进行大量的运算，所以c p u 的主频要能满足运算的要求，保证系统的可靠性。 第三章e p a 通讯膏的硬件设计 ( 2 ) 支持的外围接口种类。由于本设计中的通讯卡需要较多的外部接口，同时连 接工业交换机和现场仪表的单片机，所以选择一个支持外设较多的处理器是必须的。 参照上面的2 点要求，以及对系统功耗的估算和运算能力的考量，e p a 通信卡的设 计选择了a t m e l 公司生产的a r