基于嵌入式uClinux系统工业以太网设备的设计
日期：2006-4-16 15:41:32 来源：本文摘自《PLC&FA》
点击： 作者：未知
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在现实的工业控制领域系统中，各厂家产品兼容性差、价格昂贵、底层通信速度慢是现场总线技术一直没有得到大力推广的原因。工业以太网技术的出现和快速发展，不但很好的解决了这些问题，同时也为现场总线技术的发展开辟了一个更为广阔的空间。另外，嵌入式技术应用于智能测控系统中，具有以下特点:可以完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务;能确保一些任务的实时性;具有一定自诊断、自校正的功能;便于连接工业以太网，利用工业以太网实现远程监控和数据通信。这些都大大提高了测控系统的性能。
与其他现场总线或工业通信网络相比，工业以太网具有以下优点:
·应用广泛:以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发，如Java、Visual C＋＋及Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网技术，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。
·成本低廉:由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS，FF等现场总线产品的十分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。
· 通信速率高:以太网的通信速率已由10M转向100M的快速以太网，1000M以太网技术已经开始应用，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽的更高要求。
·软硬件资源丰富:由于以太网已应用多年，人们在以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
·可持续发展潜力大:由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
·易于与企业内部网(Intranet)和互联网(Internet)连接:能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。
以太网在运用于实时的工业控制系统也有其不足之处，这主要是因为:
· 以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重(大于40％)时，网络通信具有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求。
·传统以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，以太网抗干扰(EMI)性能较差。
·若用于可燃、易爆等危险场合，以太网不具备本安特性，同时以太网不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
工业以太网即应用于工业自动化领域的以太网技术。对应于国际标准化组织的开放系统互连参考模型(ISO/OSI)，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用IEEE802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网上的“事实上”标准的TCP/IP协议簇(包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP等)，它们构成工业以太网的低四层，在高层协议中，工业以太网协议通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层，也有的工业以太网协议还定义了用户层，其通信协议模型如图1所示。目前已经存在工业以太网协议有:Modbus/TCP(Schneider，1999)、Interbus (Phoenix，1999)、Ethernet/IP(ODVA，1999)、IDA(Vendor Alliance，2000)、HSE(Foundation，2000)、Profinet(Profibus，2001)。
1 引言
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在现实的工业控制领域系统中，各厂家产品兼容性差、价格昂贵、底层通信速度慢是现场总线技术一直没有得到大力推广的原因。工业以太网技术的出现和快速发展，不但很好的解决了这些问题，同时也为现场总线技术的发展开辟了一个更为广阔的空间。另外，嵌入式技术应用于智能测控系统中，具有以下特点:可以完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务;能确保一些任务的实时性;具有一定自诊断、自校正的功能;便于连接工业以太网，利用工业以太网实现远程监控和数据通信。这些都大大提高了测控系统的性能。
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2 工业以太网的特点
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与其他现场总线或工业通信网络相比，工业以太网具有以下优点:
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·应用广泛:以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发，如Java、Visual C＋＋及Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网技术，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。
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·成本低廉:由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS，FF等现场总线产品的十分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。
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· 通信速率高:以太网的通信速率已由10M转向100M的快速以太网，1000M以太网技术已经开始应用，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽的更高要求。
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·软硬件资源丰富:由于以太网已应用多年，人们在以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
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·可持续发展潜力大:由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
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·易于与企业内部网(Intranet)和互联网(Internet)连接:能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。
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以太网在运用于实时的工业控制系统也有其不足之处，这主要是因为:
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· 以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重(大于40％)时，网络通信具有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求。
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·传统以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，以太网抗干扰(EMI)性能较差。
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·若用于可燃、易爆等危险场合，以太网不具备本安特性，同时以太网不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
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3 工业以太网通信协议
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工业以太网即应用于工业自动化领域的以太网技术。对应于国际标准化组织的开放系统互连参考模型(ISO/OSI)，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用IEEE802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网上的“事实上”标准的TCP/IP协议簇(包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP等)，它们构成工业以太网的低四层，在高层协议中，工业以太网协议通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层，也有的工业以太网协议还定义了用户层，其通信协议模型如图1所示。目前已经存在工业以太网协议有:Modbus/TCP(Schneider，1999)、Interbus (Phoenix，1999)、Ethernet/IP(ODVA，1999)、IDA(Vendor Alliance，2000)、HSE(Foundation，2000)、Profinet(Profibus，2001)。
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