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以太网工业控制应用综述发布时间:2017-12-8 14:18:49    被阅览数:

以太网是什么


  以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网。它们都符合IEEE802.3。


  常见的802.3应用为:

  10M:10base-T(铜线UTP模式)

  100M:100base-TX(铜线UTP模式):使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术,使用两对双绞线,一对用于发送,一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT1类布线标准,使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器,最大网段长度为100米,支持全双工数据传输。

  100base-FX(光纤线):使用光缆的快速以太网技术,可使用单模和多模光纤(62.5和125um)。多模光纤连接的最大距离为550米,单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz,使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器,最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里,支持全双工数据传输。

  1000M:1000base-T(铜线UTP模式)


  目前,工控领域应用最广泛的主要是10M/100M自适应以太网或千兆以太网。


以太网的工作原理


  以太网采用载波多路访问和冲突检测(CSMA/CD )机制,所有节点都可以看到在网络中发送的所有信息,其工作流程如下:

  1、帧听信道上是否有信号传输。有则继续帧听,直到信道空闲为止;没有则传输数据。

  2、传输时保持帧听,若发现冲突则执行退避算法,随机等待一段时间后,重新帧听;若未发现冲突则持续传输至成功。


  以太网帧格式

  目前最常见的以太网IEEE802.3帧格式如下表:


PreambleSFDdst MAC

src MAC

LengthType

Data and Pad

FCS
71662246~15004


  Preamble:前导码,7个字节,用于数据传输过程中双方发送、接收的速率同步

  SFD:帧开始符,1个字节,表明下一个字节开始是真实数据(目的MAC地址)

  dst MAC:目的MAC地址,6个字节,指明帧的接收者

  src MAC:源MAC地址,6个字节,指明帧的发送者

  Length:长度,2个字节,指明该帧数据字段的长度,但不代表数据字段长度能够达到(2^16)字节

  Type:类型,2个字节,指明帧中数据的协议类型,比如常见的IPv4中ip协议采用0x0800

  Data and Pad:数据与填充,46~1500个字节,包含了上层协议传递下来的数据,如果加入数据字段后帧长度不够64字节,会在数据字段加入“填充”至64字节

  FCS:帧校验序列,4个字节,对接收网卡(主要是检测Data and Pad字段)提供判断是否传输错误的一种方法,如果发现错误,丢弃此帧


  互联网TCP/IP协议栈

  TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是国际互联网络的基础,互联网最基本的协议,由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入互联网,以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP协议采用了层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。


TCP/IPOSI功能协议
应用层应用层文件传输,电子邮件,文件服务,虚拟终端TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet等
表示层数据格式化,代码转换,数据加密
会话层解除或建立与别的接点的联系
传输层传输层提供端对端的接口TCP,UDP
网络层
网络层为数据包选择路由IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP
链路层数据链路层
传输有地址的帧以及错误检测功能SLIP,CSLIP,PPP,MTU
物理层以二进制数据形式在物理媒体上传输数据ISO2110,IEEE802,IEEE802.2


以太网拓扑结构


  互联网设备种类繁多,数量庞大,其入网连接方式决定了网络环境和工作效率。目前工业领域常用的网络拓扑结构有:星形、环形、总线形、树形、网状等。


  星形拓扑结构

  星形拓扑结构的整个网络由中心节点进行管理,各节点间的通信都通过中心节点进行管理和数据转发。中央节点的主要功能有三项:

  (1)节点发出通信请求后,检查是否有空闲通路以及被叫节点是否空闲,从而决定是否能建立双方的物理连接

  (2)在两个节点的通信过程中维持通路

  (3)当通信完成或者不成功要求拆线时,拆除通路


以太网星形拓扑结构.gif

以太网星形拓扑结构


  星形拓扑结构的优点:

  (1)控制简单,连接方便,扩展性好。任一节点只与中央节点相连,易于网络监控

  (2)网络延迟时间较小,传输误差低

  (3)故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位,单个节点的故障只会影响单个设备,不会影响全网

  (4)管理方便。中央节点可以对各个节点提供服务和重新配置网络


  星形拓扑结构的缺点:

  (1)需要耗费大量的电缆,安装、维护的工作量大、成本高,通信线路利用率低

  (2)功能过于依赖中央节点,中央节点一旦出现故障,则该拓扑结构功能完全瘫痪

  (3)各站点的分布处理能力和资源共享能力较低。


  环形拓扑结构

  在环形拓扑中,各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中。任何节点均可以请求发送信息。请求一旦被批准,便可以向环路发送信息。信息沿着环按一定方向从一个节点传送到另一个节点,每经过一个节点都要判断是否是发给该节点,是则接收,否则将数据继续往后传。


以太网环形拓扑结构.gif

以太网环形拓扑结构


  环形拓扑结构的优点:

  (1)电缆长度短,只需要将各节点逐次相连,组网成本比其他拓扑结构要较低

  (2)每个节点只与相邻两个节点有物理链路,因此增减节点都很方便

  (3)可以使用光纤连接


  环形拓扑结构的缺点:

  (1)任意一个节点故障都会导致全网瘫痪

  (2)故障检测效率很低,需要各个节点一一排查

  (3)介质访问控制协议采用令牌传递的方式,在负载很轻时信道利用率相对较低


  总线形拓扑结构

  总线形拓扑结构中,所有节点均直接连接到共享的总线上,每个节点均具有收、发功能,总线上信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时,该节点便接收信息。


以太网总线形拓扑结构.gif

以太网总线形拓扑结构


  总线形拓扑结构的优点:

  (1)电缆数量少,长度短,布线成本低

  (2)结构简单,增减节点都很方便,扩展性好

  (3)多个节点共用一条传输信道,信道利用率高,传输速率高

  (4)可靠性高,单个节点的故障不会影响整个网络


  总线形拓扑结构的缺点:

  (1)总线的传输距离有限,通信范围受到限制

  (2)故障诊断和隔离较困难,一旦传输介质出现故障,就需要将整个总线切断

  (3)分布式协议不能保证信息的及时传送,不具有实时功能


  树形拓扑结构

  树形拓扑结构实际上是星形拓扑结构的发展和补充,可以认为是多级星形结构组成,具有根节点和各分支节点,适用于分支管理和控制系统。树形拓扑结构自上而下呈三角形分布,就像一颗树一样,采用分级的集中控制方式,其传输介质可有多条分支,但不形成闭合回路,每条通信线路都必须支持双向传输。


以太网树形拓扑结构.gif

以太网树形拓扑结构


  树形拓扑结构的优点:

  (1)扩展性好,树形结构可以延伸出很多分支和子分支,十分便于扩展节点

  (2)故障隔离容易,如果某一分支的节点或传输介质发生故障,只需隔离该分支即可


  树形拓扑结构的缺点:

  各节点对根节点依赖性太大,如果根节点发生故障,则会引起全网瘫痪


  网状拓扑结构

  网状拓扑结构中各节点通过传输线互连在一起,每一个节点至少与其他两个节点相连。根据组网硬件不同,网状拓扑结构主要有三种:网状网,主干网和星状相连网。


以太网网状拓扑结构.gif

以太网网状拓扑结构


  网状拓扑结构的优点:

  (1)任意两个节点之间至少存在着两条的通信线路,即便其中之一发生故障,也不影响通信

  (2)局部节点故障不会影响整个网络的运行

  (3)节点之间资源共享容易,传输延迟小


  网状拓扑结构的缺点:

  (1)网络结构复杂,线缆多,成本高

  (2)增减节点很麻烦

  (3)如果设置不当,会造成广播风暴,严重时可以使网络完全瘫痪

  (4)故障排查不容易


  上述常用的拓扑结构还可以组合起来,组成更为复杂,功能也更为丰富的混合式拓扑结构网络。


以太网连接方式


  以太网设备相互之间可以使用多种接口进行连接,其中最常见的是RJ-45接口。RJ-45接口俗称水晶头,采用双绞线方式进行连接,是目前最普遍采用的网络接口,广泛应用在工控主板、工控机、工业终端等控制设备和交换机、路由器、集线器等网络设备中。


  在RJ-45的信号定义中有2对差分信号线:TX(TX+,TX-)和RX(RX+,RX-),分别为以太网的发送和接收数据端。为了保证良好的信号传输特性,减少信号衰减和畸变,这两对信号在PCB板设计中需要进行专门的等长差分处理,如下图所示。


 网络接口布线设计简要说明.gif 网络接口布线设计简要说明.gif 
英创ESMARC底板网络信号等长差分处理方式


  由于网络应用的特殊性,网络端口很容易受外界信号的干扰,所以系统的网络信号必须通过1:1的网络变压器以后,才能再接入到RJ45插座上,以阻止通讯线上的共模干扰信号,同时防止直流干扰信号对系统网络驱动器的损坏。同时,为了进一步提高网络端口的ESD特性,可以配合设计专用的ESD保护器件,且在PCB设计时,ESD保护器件要尽可能靠近RJ45网络端口的引脚焊盘。如下图所示。


以太网工业控制应用综述.gif

英创ESMARC底板上ESD保护器件尽量靠近RJ-45接口


  对于有金属外壳的RJ45网络插座,建议将金属外壳连接到设备安装现场的可靠安全接地点上。如果无法保证现场的安全接地的可靠性,建议将RJ45的金属外壳通过一颗高压电容(如:102M/1KV)与板子的地平面相连接。


以太网在英创主板平台上的应用


  以太网在工控领域应用极为广泛,是工业应用上主流的数据传输方式之一。英创工控主板均配备了以太网,此外还可以通过扩展方式支持更多的以太网,以便用户组建自己的网络应用产品平台。


  英创主板自带的以太网

  英创主流工控主板均自带2路独立的10M/100M以太网,而高端主板ESM6802G支持1路千兆网,用户可以根据需求进行选择。

  查看英创工控主板


 ESM6802支持一路千兆网.gif esm6800支持两路百兆网.gif 
 ESM6802G工控主板自带1路千兆网 ESM6800工控主板自带2路百兆网 


  通过扩展模块获取更多的以太网

  英创工控主板通过ISA扩展总线,可以扩展多种功能接口供客户使用,例如ETA728和ETA528均能扩展2路独立以太网。

  查看英创以太网扩展模块


 eta728正面.gif eta528.gif 
 ETA728以太网扩展模块 ETA528以太网串口扩展模块 



  下图为英创ESM3354开发评估套件扩展16路串口+2路网口的硬件平台,其中以太网扩展模块即为ETA728。

  查看下图的应用方案

英创工控主板多网络多串口扩展方案


  通过英创工控机/应用底板获取更多的以太网

  英创在售的几款工控机/应用底板产品,均能提供多路以太网,具体如下:


应用底板型号可提供的以太网
ETA8106路10M/100M自适应以太网
ETA8201路千兆网,1路10M/100M自适应以太网
ETA8301路千兆网,1路10M/100M自适应以太网


  查看英创工控机/应用底板

 eta810+eta806.gif eta810+eta806带外壳侧面.gif 
 ETA810+ETA806+ESMARC主板组成多网络工控方案 ETA810多网络工控方案+机壳组成工控机 


  历年来,大量用户使用英创主板进行以太网通信相关应用,英创也累积了丰富的工程经验。下面整理出了英创网站发表的相关技术文档供用户参考。虽然有一些方案文档中提到的英创主板是较老的型号,用户在新产品开发的时候未必会使用这些老主板产品,但是文中的软硬件使用技巧、编程技巧和方法等技术细节,是值得用户参考或者直接使用的。


  应用方案


基于ESM3354的16路串口+2路网口扩展方案6路独立网口+14路串口的通讯管理机实现方案


  使用方法与技巧


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