嵌入式工业以太网控制方案的研究

1、嵌入式工业以太网控制方案的研究        摘要：分析了嵌入式工业以太网控制技术相对现场总线的优越性，提出了完整的网络控制方案，具体分析了现场底层控制模块的组成和开发细节，其中TCP/IP协议的开发是重点。方案结构简洁，控制灵活，可实现企业信息的实时传输和真正共享。      关键词：现场总线；工业以太网；嵌入式；节点控制模块 1引言对工业自动化领域而言，大量的智能设备可通过各种途径连到Internet上，通过网络相互传递信息和数据，实现智能化现场设备的功能自治性

2、、系统结构的高度分散性以及监管控一体化。现场总线(FieldBus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始。这一技术的发展，对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用。与传统的集散控制系统(Distributed ControlSystem，DCS)相比，他具有全开放、全分散、互操作等优点，但还是有很大的局限性，主要表现在以下几方面：(1)目前的现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，复杂的控制功能仍集中在一台控制计算机上，不能实现全分散控制，存在风险集中的现象。(2)现场总线仅作为系统的一个组成部分，位于系统的底层，不足以实现系统的全

3、开放性结构。系统架构呈垂直组合状，数据通信存在瓶颈。(3)IEC61158标准包括8种类型的现场总线，相互之间差异较大，不能实现互操作，彼此连接存在一定困难。(4)系统中所有控制器独立运行，各执行独立的数据处理，难以做到所有信息共享，导致系统实时性不尽如人意。    上面的阐述说明传统经典的PLC和现场总线技术已不适合这种要求。即使是像工业PC，OPC等技术，只要他们被镶嵌在传统的系统结构中，也只能是对系统的功能作些边缘性的提高。因此，为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化，需要对系统的结构进行变革。随着信息技术的不断飞跃发展，工业控制领域中必然会产生一种能够弥补

4、现场总线缺陷，实现全系统统一、高效、实时的控制策略。工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技术。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，他能满足如下所有要求：(1)充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率，目前达到100 Mb/s。    (2)高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性。    (3)集线器的应用可不需考虑网络的扩展。    (4)建立了一种标准：一个新的工控总线标准。    (5)与IT连接，“世界标准”的TCP/IP技术的应用。 

5、   (6)在整个网络中的随机网络存取技术。以太网(Ethernet)，既是一种计算机接入局域网络的术。由于以太网传送速率的大幅度提高，物理层标准的工业化以及以太网集线器技术的形成，千兆以太网技术和无碰撞全双工光纤技术的出现，使得这一先进的网络技术被推进到早先认为不适宜的工业控制网络中，形成了工业以太网技术。与目前的基于现场总线的控制网络相比，基于工业以太网技术的控制网络是一种低成本(许多商用以太网的芯片组与技术可以借用)、高性能的控制网络解决方案。2方案分析21嵌入式工业以太网控制系统方案设计22嵌入式接口控制模块的实现工业以太网体系结构中，以太网作为连接智能控制模块的系

6、统总线，内部和外部的数据通讯在此没有区别。集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离出来。其中集线器技术和底层协议的集成，确保了以太网的确定性、兼容性和整体性。目前在传输层和网络层的协议基本上已经统一，TCP/IP已成为标准网络协议，这是以太网正常运作的“中枢”。工业以太网技术中关键一环是：在现场级的节点控制模块(如远程I/O模块)中实现TCP/IP网络通信协议，即建立协议栈。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或硬件方式将TCP/IP协议嵌入到节点模块已经成为可能。软件方式将TCP/IP嵌入到微处理器的ROM中，硬件方式是设计嵌入式处理器和ASIC器件芯

7、片而直接用作网络接口。方案采用基于RISC结构的单片机，带有片上Flash程序存储器，具有在系统编程、调试功能。由于采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令，在100 MHz晶振驱动下指令执行速度可达100 MI/s，所有I/O管脚可以通过编程灵活配置。基于以上特点，可实现虚拟外设(Virtual Peripheral)功能：CPU通过执行虚拟软件模块直接驱动普通I/O口实现硬件外设功能(如UART，I2RJ45为此系统与局域网的接口。数据的流向为：请求信息从局域网中来，通过RJ45送到网卡控制芯片，处理后05的数据包送入单片机协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息。请求信息再经过

8、单片机的处理，产生回复信息。回复信息到局域网的过程与上面正好相反。    接口控制模块的特点：(1)不依赖PC机或高档单片机，真正实现8 b单片机系统直接接入Internet，整个系统完全自给自足。    (2)使用外围器件少，系统成本低。(3)支持IP，TCP，UDP，ICMP，HTTP，SMTP协议。(4)系统提供10/100 Base-T网络接口，直接支持EthernetIEEE8023协议。(5)通过系统内置的RS232串行接口、支持Web页面下载功能，可以实时、动态显示并控制监控点数据。23以太网通信协议开发以太网是按照局域

9、网的要求设计的。以太网标准(IEEE8023)定义了OSI参考模型的物理层和数据链路层。在物理层定义了电缆类型、连接器和信号电平；数据链路层定义了帧格式、差错控制方式、信道分配方法等。但以太网不能完成OSI模型第3层以上的功能，从这个意义上来说，他不属于完整的网络协议。如何在现有协议基础上实现OSI模型的网络层、传输层以及应用层，才是解决问题的关键所在。网络协议栈实现原理如图3所示。2PROM)中，他的容量决定了WebServer的资源文件的大小。HTTP使用统一资源定位器来指定返回给客户端的网络资源(如HTML、文本文档、图像、Java脚本、Java applet、PDF文档等)。网络中任何

10、类型Web服务器都可与之进行交互式通信，实现远程、实时控制。24系统应用平台的开发工业控制应用软件的开发，主要是基于B/S网络架构，控制底层通过建立智能节点模块实现现场数据信息的收集并建立Web资源服务器，客户端只需要通过浏览器即可实时读取到其中的数据，并可将控制命令传达。这种应用系统的重点在于底层服务器的开发。同时，系统的监控软件采用网络化设计，具有良好的扩展性和互联性，带有参数集中显示、数据实时查询等功能，还有所有设备联网所带来的特殊功能如：控制模块自动切换、网络故障检测、资源共享等。3结语参考文献1许华杰，明健基于SX单片机实现WebServer和网络协议栈J单片机与嵌入式系统应用，20

11、01，(11):62-65.2乐德广，郭东辉基于SX微处理器的嵌入式Internet技术及其应用系统的设计J嵌入式系统论文集，2000,(11):127-132.3UBICOM，IncApplication note37 Web serversend emailclient implementation with Ethernet as the physical layer S.January 2000,34-40.4刘三山，万曼影以太网和现场总线的混合网络设计J自动化与仪表,2001,(6):20-23.5吴誉，张卫东，许晓鸣以太网与现场总线的互联方法J测控技术,2000,(1):11-14.6Dick JohnsonEthernet edges toward proces