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英創(chuàng)信息技術(shù)以太網(wǎng)工業(yè)控制綜合運(yùn)用的淺談

英創(chuàng)信息技術(shù) ? 來(lái)源:英創(chuàng)信息技術(shù) ? 作者:佚名 ? 2019-10-31 15:20 ? 次閱讀

以太網(wǎng)是什么

以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè))技術(shù),并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3。

常見的802.3應(yīng)用為:

10M:10base-T(銅線UTP模式)

100M:100base-TX(銅線UTP模式):使用5類數(shù)據(jù)級(jí)無(wú)屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù),使用兩對(duì)雙絞線,一對(duì)用于發(fā)送,一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。在傳輸中使用4B/5B編碼方式,信號(hào)頻率為125MHz。符合EIA586的5類布線標(biāo)準(zhǔn)和IBM的SPT1類布線標(biāo)準(zhǔn),使用同10BASE-T相同的RJ-45連接器,最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為100米,支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

100base-FX(光纖線):使用光纜的快速以太網(wǎng)技術(shù),可使用單模和多模光纖(62.5和125um)。多模光纖連接的最大距離為550米,單模光纖連接的最大距離為3000米。在傳輸中使用4B/5B編碼方式,信號(hào)頻率為125MHz,使用MIC/FDDI連接器、ST連接器或SC連接器,最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為150m、412m、2000m或更長(zhǎng)至10公里,支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

1000M:1000base-T(銅線UTP模式)

目前,工控領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的主要是10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)或千兆以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)的工作原理

以太網(wǎng)采用載波多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)(CSMA/CD )機(jī)制,所有節(jié)點(diǎn)都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息,其工作流程如下:

1、幀聽信道上是否有信號(hào)傳輸。有則繼續(xù)幀聽,直到信道空閑為止;沒(méi)有則傳輸數(shù)據(jù)。

2、傳輸時(shí)保持幀聽,若發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法,隨機(jī)等待一段時(shí)間后,重新幀聽;若未發(fā)現(xiàn)沖突則持續(xù)傳輸至成功。

以太網(wǎng)幀格式

目前最常見的以太網(wǎng)IEEE802.3幀格式如下表:

PreambleSFDdst MACsrc MACLengthTypeData and PadFCS

71662246~15004

Preamble:前導(dǎo)碼,7個(gè)字節(jié),用于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中雙方發(fā)送、接收的速率同步

SFD:幀開始符,1個(gè)字節(jié),表明下一個(gè)字節(jié)開始是真實(shí)數(shù)據(jù)(目的MAC地址)

dst MAC:目的MAC地址,6個(gè)字節(jié),指明幀的接收者

src MAC:源MAC地址,6個(gè)字節(jié),指明幀的發(fā)送者

Length:長(zhǎng)度,2個(gè)字節(jié),指明該幀數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度,但不代表數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度能夠達(dá)到(2^16)字節(jié)

Type:類型,2個(gè)字節(jié),指明幀中數(shù)據(jù)的協(xié)議類型,比如常見的IPv4中ip協(xié)議采用0x0800

Data and Pad:數(shù)據(jù)與填充,46~1500個(gè)字節(jié),包含了上層協(xié)議傳遞下來(lái)的數(shù)據(jù),如果加入數(shù)據(jù)字段后幀長(zhǎng)度不夠64字節(jié),會(huì)在數(shù)據(jù)字段加入“填充”至64字節(jié)

FCS:幀校驗(yàn)序列,4個(gè)字節(jié),對(duì)接收網(wǎng)卡(主要是檢測(cè)Data and Pad字段)提供判斷是否傳輸錯(cuò)誤的一種方法,如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,丟棄此幀

互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),互聯(lián)網(wǎng)最基本的協(xié)議,由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設(shè)備如何連入互聯(lián)網(wǎng),以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。TCP/IP協(xié)議采用了層級(jí)結(jié)構(gòu),每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來(lái)完成自己的需求。

TCP/IPOSI功能協(xié)議

應(yīng)用層應(yīng)用層文件傳輸,電子郵件,文件服務(wù),虛擬終端TFTP,HTTP,SNMP,F(xiàn)TP,SMTP,DNS,Telnet等

表示層數(shù)據(jù)格式化,代碼轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)加密

會(huì)話層解除或建立與別的接點(diǎn)的聯(lián)系

傳輸層傳輸層提供端對(duì)端的接口TCP,UDP

網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層為數(shù)據(jù)包選擇路由IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP

鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸有地址的幀以及錯(cuò)誤檢測(cè)功能SLIP,CSLIP,PPP,MTU

物理層以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式在物理媒體上傳輸數(shù)據(jù)ISO2110,IEEE802,IEEE802.2

以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類繁多,數(shù)量龐大,其入網(wǎng)連接方式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和工作效率。目前工業(yè)領(lǐng)域常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:星形、環(huán)形、總線形、樹形、網(wǎng)狀等。

星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理,各節(jié)點(diǎn)間的通信都通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。中央節(jié)點(diǎn)的主要功能有三項(xiàng):

(1)節(jié)點(diǎn)發(fā)出通信請(qǐng)求后,檢查是否有空閑通路以及被叫節(jié)點(diǎn)是否空閑,從而決定是否能建立雙方的物理連接

(2)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程中維持通路

(3)當(dāng)通信完成或者不成功要求拆線時(shí),拆除通路

以太網(wǎng)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):

(1)控制簡(jiǎn)單,連接方便,擴(kuò)展性好。任一節(jié)點(diǎn)只與中央節(jié)點(diǎn)相連,易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

(2)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小,傳輸誤差低

(3)故障診斷和隔離容易。中央節(jié)點(diǎn)對(duì)連接線路可以逐一隔離進(jìn)行故障檢測(cè)和定位,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障只會(huì)影響單個(gè)設(shè)備,不會(huì)影響全網(wǎng)

(4)管理方便。中央節(jié)點(diǎn)可以對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)和重新配置網(wǎng)絡(luò)

星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):

(1)需要耗費(fèi)大量的電纜,安裝、維護(hù)的工作量大、成本高,通信線路利用率低

(2)功能過(guò)于依賴中央節(jié)點(diǎn),中央節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障,則該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功能完全癱瘓

(3)各站點(diǎn)的分布處理能力和資源共享能力較低。

環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在環(huán)形拓?fù)渲校鞴?jié)點(diǎn)通過(guò)環(huán)路接口連在一條首尾相連的閉合環(huán)形通信線路中。任何節(jié)點(diǎn)均可以請(qǐng)求發(fā)送信息。請(qǐng)求一旦被批準(zhǔn),便可以向環(huán)路發(fā)送信息。信息沿著環(huán)按一定方向從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要判斷是否是發(fā)給該節(jié)點(diǎn),是則接收,否則將數(shù)據(jù)繼續(xù)往后傳。

以太網(wǎng)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):

(1)電纜長(zhǎng)度短,只需要將各節(jié)點(diǎn)逐次相連,組網(wǎng)成本比其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要較低

(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)有物理鏈路,因此增減節(jié)點(diǎn)都很方便

(3)可以使用光纖連接

環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):

(1)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障都會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓

(2)故障檢測(cè)效率很低,需要各個(gè)節(jié)點(diǎn)一一排查

(3)介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議采用令牌傳遞的方式,在負(fù)載很輕時(shí)信道利用率相對(duì)較低

總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,所有節(jié)點(diǎn)均直接連接到共享的總線上,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有收、發(fā)功能,總線上信息的目的地址與某節(jié)點(diǎn)的接口地址相符合時(shí),該節(jié)點(diǎn)便接收信息。

以太網(wǎng)總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):

(1)電纜數(shù)量少,長(zhǎng)度短,布線成本低

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,增減節(jié)點(diǎn)都很方便,擴(kuò)展性好

(3)多個(gè)節(jié)點(diǎn)共用一條傳輸信道,信道利用率高,傳輸速率高

(4)可靠性高,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):

(1)總線的傳輸距離有限,通信范圍受到限制

(2)故障診斷和隔離較困難,一旦傳輸介質(zhì)出現(xiàn)故障,就需要將整個(gè)總線切斷

(3)分布式協(xié)議不能保證信息的及時(shí)傳送,不具有實(shí)時(shí)功能

樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展和補(bǔ)充,可以認(rèn)為是多級(jí)星形結(jié)構(gòu)組成,具有根節(jié)點(diǎn)和各分支節(jié)點(diǎn),適用于分支管理和控制系統(tǒng)。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自上而下呈三角形分布,就像一顆樹一樣,采用分級(jí)的集中控制方式,其傳輸介質(zhì)可有多條分支,但不形成閉合回路,每條通信線路都必須支持雙向傳輸。

以太網(wǎng)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):

(1)擴(kuò)展性好,樹形結(jié)構(gòu)可以延伸出很多分支和子分支,十分便于擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)

(2)故障隔離容易,如果某一分支的節(jié)點(diǎn)或傳輸介質(zhì)發(fā)生故障,只需隔離該分支即可

樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):

各節(jié)點(diǎn)對(duì)根節(jié)點(diǎn)依賴性太大,如果根節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,則會(huì)引起全網(wǎng)癱瘓

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳輸線互連在一起,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少與其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連。根據(jù)組網(wǎng)硬件不同,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種:網(wǎng)狀網(wǎng),主干網(wǎng)和星狀相連網(wǎng)。

以太網(wǎng)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):

(1)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少存在著兩條的通信線路,即便其中之一發(fā)生故障,也不影響通信

(2)局部節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行

(3)節(jié)點(diǎn)之間資源共享容易,傳輸延遲小

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,線纜多,成本高

(2)增減節(jié)點(diǎn)很麻煩

(3)如果設(shè)置不當(dāng),會(huì)造成廣播風(fēng)暴,嚴(yán)重時(shí)可以使網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓

(4)故障排查不容易

上述常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組合起來(lái),組成更為復(fù)雜,功能也更為豐富的混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

以太網(wǎng)連接方式

以太網(wǎng)設(shè)備相互之間可以使用多種接口進(jìn)行連接,其中最常見的是RJ-45接口。RJ-45接口俗稱水晶頭,采用雙絞線方式進(jìn)行連接,是目前最普遍采用的網(wǎng)絡(luò)接口,廣泛應(yīng)用在工控主板、工控機(jī)、工業(yè)終端等控制設(shè)備和交換機(jī)、路由器、集線器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。

在RJ-45的信號(hào)定義中有2對(duì)差分信號(hào)線:TX(TX+,TX-)和RX(RX+,RX-),分別為以太網(wǎng)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)端。為了保證良好的信號(hào)傳輸特性,減少信號(hào)衰減和畸變,這兩對(duì)信號(hào)在PCB板設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行專門的等長(zhǎng)差分處理,如下圖所示。

英創(chuàng)ESMARC底板網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等長(zhǎng)差分處理方式

由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性,網(wǎng)絡(luò)端口很容易受外界信號(hào)的干擾,所以系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)必須通過(guò)1:1的網(wǎng)絡(luò)變壓器以后,才能再接入到RJ45插座上,以阻止通訊線上的共模干擾信號(hào),同時(shí)防止直流干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器的損壞。同時(shí),為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)端口的ESD特性,可以配合設(shè)計(jì)專用的ESD保護(hù)器件,且在PCB設(shè)計(jì)時(shí),ESD保護(hù)器件要盡可能靠近RJ45網(wǎng)絡(luò)端口的引腳焊盤。如下圖所示。

英創(chuàng)ESMARC底板上ESD保護(hù)器件盡量靠近RJ-45接口

對(duì)于有金屬外殼的RJ45網(wǎng)絡(luò)插座,建議將金屬外殼連接到設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)的可靠安全接地點(diǎn)上。如果無(wú)法保證現(xiàn)場(chǎng)的安全接地的可靠性,建議將RJ45的金屬外殼通過(guò)一顆高壓電容(如:102M/1KV)與板子的地平面相連接。

以太網(wǎng)在英創(chuàng)主板平臺(tái)上的應(yīng)用

以太網(wǎng)在工控領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛,是工業(yè)應(yīng)用上主流的數(shù)據(jù)傳輸方式之一。英創(chuàng)工控主板均配備了以太網(wǎng),此外還可以通過(guò)擴(kuò)展方式支持更多的以太網(wǎng),以便用戶組建自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用產(chǎn)品平臺(tái)。

英創(chuàng)主板自帶的以太網(wǎng)

英創(chuàng)主流工控主板均自帶2路獨(dú)立的10M/100M以太網(wǎng),而高端主板ESM6802G支持1路千兆網(wǎng),用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

查看英創(chuàng)工控主板

ESM6802G工控主板自帶1路千兆網(wǎng)

ESM6800工控主板自帶2路百兆網(wǎng)

通過(guò)擴(kuò)展模塊獲取更多的以太網(wǎng)

英創(chuàng)工控主板通過(guò)ISA擴(kuò)展總線,可以擴(kuò)展多種功能接口供客戶使用,例如ETA728和ETA528均能擴(kuò)展2路獨(dú)立以太網(wǎng)。

查看英創(chuàng)以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊

ETA728以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊

ETA528以太網(wǎng)串口擴(kuò)展模塊

下圖為英創(chuàng)ESM3354開發(fā)評(píng)估套件擴(kuò)展16路串口+2路網(wǎng)口的硬件平臺(tái),其中以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊即為ETA728。

查看下圖的應(yīng)用方案

通過(guò)英創(chuàng)工控機(jī)/應(yīng)用底板獲取更多的以太網(wǎng)

英創(chuàng)在售的幾款工控機(jī)/應(yīng)用底板產(chǎn)品,均能提供多路以太網(wǎng),具體如下:

應(yīng)用底板型號(hào)可提供的以太網(wǎng)

ETA8106路10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)

ETA8201路千兆網(wǎng),1路10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)

ETA8301路千兆網(wǎng),1路10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)

查看英創(chuàng)工控機(jī)/應(yīng)用底板

ETA810+ETA806+ESMARC主板組成多網(wǎng)絡(luò)工控方案

ETA810多網(wǎng)絡(luò)工控方案+機(jī)殼組成工控機(jī)

歷年來(lái),大量用戶使用英創(chuàng)主板進(jìn)行以太網(wǎng)通信相關(guān)應(yīng)用,英創(chuàng)也累積了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。下面整理出了英創(chuàng)網(wǎng)站發(fā)表的相關(guān)技術(shù)文檔供用戶參考。雖然有一些方案文檔中提到的英創(chuàng)主板是較老的型號(hào),用戶在新產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)候未必會(huì)使用這些老主板產(chǎn)品,但是文中的軟硬件使用技巧、編程技巧和方法等技術(shù)細(xì)節(jié),是值得用戶參考或者直接使用的。

應(yīng)用方案

基于ESM3354的16路串口+2路網(wǎng)口擴(kuò)展方案6路獨(dú)立網(wǎng)口+14路串口的通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

使用方法與技巧

WinCE工控主板的網(wǎng)絡(luò)安全管理ARM9工控主板WinCE應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程FTP自動(dòng)更新

基于WinCE的WIFI無(wú)線網(wǎng)卡應(yīng)用方案ARM9工控板在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用之一——利用COM組件遠(yuǎn)程更改設(shè)備配置文件

工控遠(yuǎn)程智能終端的雙網(wǎng)絡(luò)選路方案ARM9工控板在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用之二——利用COM組件遠(yuǎn)程設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

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基于WinCE的無(wú)線網(wǎng)卡配置方法網(wǎng)絡(luò)雙絞線之直通線和交叉線制作的線序排列

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