技術專題

以太網工業控制應用綜述發布時間:2017-12-8    被閱覽數:

以太網是什么


  以太網(Ethernet)指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范,是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測)技術,并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802.3系列標準相類似。包括標準的以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網。它們都符合IEEE802.3。


  常見的802.3應用為:

  10M:10base-T(銅線UTP模式)

  100M:100base-TX(銅線UTP模式):使用5類數據級無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網技術,使用兩對雙絞線,一對用于發送,一對用于接收數據。在傳輸中使用4B/5B編碼方式,信號頻率為125MHz。符合EIA586的5類布線標準和IBM的SPT1類布線標準,使用同10BASE-T相同的RJ-45連接器,最大網段長度為100米,支持全雙工數據傳輸。

  100base-FX(光纖線):使用光纜的快速以太網技術,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,信號頻率為125MHz,使用MIC/FDDI連接器、ST連接器或SC連接器,最大網段長度為150m、412m、2000m或更長至10公里,支持全雙工數據傳輸。

  1000M:1000base-T(銅線UTP模式)


  目前,工控領域應用最廣泛的主要是10M/100M自適應以太網或千兆以太網。


以太網的工作原理


  以太網采用載波多路訪問和沖突檢測(CSMA/CD )機制,所有節點都可以看到在網絡中發送的所有信息,其工作流程如下:

  1、幀聽信道上是否有信號傳輸。有則繼續幀聽,直到信道空閑為止;沒有則傳輸數據。

  2、傳輸時保持幀聽,若發現沖突則執行退避算法,隨機等待一段時間后,重新幀聽;若未發現沖突則持續傳輸至成功。


  以太網幀格式

  目前最常見的以太網IEEE802.3幀格式如下表:


PreambleSFDdst MAC

src MAC

LengthType

Data and Pad

FCS
71662246~15004


  Preamble:前導碼,7個字節,用于數據傳輸過程中雙方發送、接收的速率同步

  SFD:幀開始符,1個字節,表明下一個字節開始是真實數據(目的MAC地址)

  dst MAC:目的MAC地址,6個字節,指明幀的接收者

  src MAC:源MAC地址,6個字節,指明幀的發送者

  Length:長度,2個字節,指明該幀數據字段的長度,但不代表數據字段長度能夠達到(2^16)字節

  Type:類型,2個字節,指明幀中數據的協議類型,比如常見的IPv4中ip協議采用0x0800

  Data and Pad:數據與填充,46~1500個字節,包含了上層協議傳遞下來的數據,如果加入數據字段后幀長度不夠64字節,會在數據字段加入“填充”至64字節

  FCS:幀校驗序列,4個字節,對接收網卡(主要是檢測Data and Pad字段)提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法,如果發現錯誤,丟棄此幀


  互聯網TCP/IP協議棧

  TCP/IP協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是國際互聯網絡的基礎,互聯網最基本的協議,由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入互聯網,以及數據如何在它們之間傳輸的標準。TCP/IP協議采用了層級結構,每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求。


TCP/IPOSI功能協議
應用層應用層文件傳輸,電子郵件,文件服務,虛擬終端TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet等
表示層數據格式化,代碼轉換,數據加密
會話層解除或建立與別的接點的聯系
傳輸層傳輸層提供端對端的接口TCP,UDP
網絡層
網絡層為數據包選擇路由IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP
鏈路層數據鏈路層
傳輸有地址的幀以及錯誤檢測功能SLIP,CSLIP,PPP,MTU
物理層以二進制數據形式在物理媒體上傳輸數據ISO2110,IEEE802,IEEE802.2


以太網拓撲結構


  互聯網設備種類繁多,數量龐大,其入網連接方式決定了網絡環境和工作效率。目前工業領域常用的網絡拓撲結構有:星形、環形、總線形、樹形、網狀等。


  星形拓撲結構

  星形拓撲結構的整個網絡由中心節點進行管理,各節點間的通信都通過中心節點進行管理和數據轉發。中央節點的主要功能有三項:

 ?。?)節點發出通信請求后,檢查是否有空閑通路以及被叫節點是否空閑,從而決定是否能建立雙方的物理連接

 ?。?)在兩個節點的通信過程中維持通路

 ?。?)當通信完成或者不成功要求拆線時,拆除通路


以太網星形拓撲結構.gif

以太網星形拓撲結構


  星形拓撲結構的優點:

 ?。?)控制簡單,連接方便,擴展性好。任一節點只與中央節點相連,易于網絡監控

 ?。?)網絡延遲時間較小,傳輸誤差低

 ?。?)故障診斷和隔離容易。中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位,單個節點的故障只會影響單個設備,不會影響全網

 ?。?)管理方便。中央節點可以對各個節點提供服務和重新配置網絡


  星形拓撲結構的缺點:

 ?。?)需要耗費大量的電纜,安裝、維護的工作量大、成本高,通信線路利用率低

 ?。?)功能過于依賴中央節點,中央節點一旦出現故障,則該拓撲結構功能完全癱瘓

 ?。?)各站點的分布處理能力和資源共享能力較低。


  環形拓撲結構

  在環形拓撲中,各節點通過環路接口連在一條首尾相連的閉合環形通信線路中。任何節點均可以請求發送信息。請求一旦被批準,便可以向環路發送信息。信息沿著環按一定方向從一個節點傳送到另一個節點,每經過一個節點都要判斷是否是發給該節點,是則接收,否則將數據繼續往后傳。


以太網環形拓撲結構.gif

以太網環形拓撲結構


  環形拓撲結構的優點:

 ?。?)電纜長度短,只需要將各節點逐次相連,組網成本比其他拓撲結構要較低

 ?。?)每個節點只與相鄰兩個節點有物理鏈路,因此增減節點都很方便

 ?。?)可以使用光纖連接


  環形拓撲結構的缺點:

 ?。?)任意一個節點故障都會導致全網癱瘓

 ?。?)故障檢測效率很低,需要各個節點一一排查

 ?。?)介質訪問控制協議采用令牌傳遞的方式,在負載很輕時信道利用率相對較低


  總線形拓撲結構

  總線形拓撲結構中,所有節點均直接連接到共享的總線上,每個節點均具有收、發功能,總線上信息的目的地址與某節點的接口地址相符合時,該節點便接收信息。


以太網總線形拓撲結構.gif

以太網總線形拓撲結構


  總線形拓撲結構的優點:

 ?。?)電纜數量少,長度短,布線成本低

 ?。?)結構簡單,增減節點都很方便,擴展性好

 ?。?)多個節點共用一條傳輸信道,信道利用率高,傳輸速率高

 ?。?)可靠性高,單個節點的故障不會影響整個網絡


  總線形拓撲結構的缺點:

 ?。?)總線的傳輸距離有限,通信范圍受到限制

 ?。?)故障診斷和隔離較困難,一旦傳輸介質出現故障,就需要將整個總線切斷

 ?。?)分布式協議不能保證信息的及時傳送,不具有實時功能


  樹形拓撲結構

  樹形拓撲結構實際上是星形拓撲結構的發展和補充,可以認為是多級星形結構組成,具有根節點和各分支節點,適用于分支管理和控制系統。樹形拓撲結構自上而下呈三角形分布,就像一顆樹一樣,采用分級的集中控制方式,其傳輸介質可有多條分支,但不形成閉合回路,每條通信線路都必須支持雙向傳輸。


以太網樹形拓撲結構.gif

以太網樹形拓撲結構


  樹形拓撲結構的優點:

 ?。?)擴展性好,樹形結構可以延伸出很多分支和子分支,十分便于擴展節點

 ?。?)故障隔離容易,如果某一分支的節點或傳輸介質發生故障,只需隔離該分支即可


  樹形拓撲結構的缺點:

  各節點對根節點依賴性太大,如果根節點發生故障,則會引起全網癱瘓


  網狀拓撲結構

  網狀拓撲結構中各節點通過傳輸線互連在一起,每一個節點至少與其他兩個節點相連。根據組網硬件不同,網狀拓撲結構主要有三種:網狀網,主干網和星狀相連網。


以太網網狀拓撲結構.gif

以太網網狀拓撲結構


  網狀拓撲結構的優點:

 ?。?)任意兩個節點之間至少存在著兩條的通信線路,即便其中之一發生故障,也不影響通信

 ?。?)局部節點故障不會影響整個網絡的運行

 ?。?)節點之間資源共享容易,傳輸延遲小


  網狀拓撲結構的缺點:

 ?。?)網絡結構復雜,線纜多,成本高

 ?。?)增減節點很麻煩

 ?。?)如果設置不當,會造成廣播風暴,嚴重時可以使網絡完全癱瘓

 ?。?)故障排查不容易


  上述常用的拓撲結構還可以組合起來,組成更為復雜,功能也更為豐富的混合式拓撲結構網絡。


以太網連接方式


  以太網設備相互之間可以使用多種接口進行連接,其中最常見的是RJ-45接口。RJ-45接口俗稱水晶頭,采用雙絞線方式進行連接,是目前最普遍采用的網絡接口,廣泛應用在工控主板、工控機、工業終端等控制設備和交換機、路由器、集線器等網絡設備中。


  在RJ-45的信號定義中有2對差分信號線:TX(TX+,TX-)和RX(RX+,RX-),分別為以太網的發送和接收數據端。為了保證良好的信號傳輸特性,減少信號衰減和畸變,這兩對信號在PCB板設計中需要進行專門的等長差分處理,如下圖所示。


 網絡接口布線設計簡要說明.gif 網絡接口布線設計簡要說明.gif 
英創ESMARC底板網絡信號等長差分處理方式


  由于網絡應用的特殊性,網絡端口很容易受外界信號的干擾,所以系統的網絡信號必須通過1:1的網絡變壓器以后,才能再接入到RJ45插座上,以阻止通訊線上的共模干擾信號,同時防止直流干擾信號對系統網絡驅動器的損壞。同時,為了進一步提高網絡端口的ESD特性,可以配合設計專用的ESD保護器件,且在PCB設計時,ESD保護器件要盡可能靠近RJ45網絡端口的引腳焊盤。如下圖所示。


以太網工業控制應用綜述.gif

英創ESMARC底板上ESD保護器件盡量靠近RJ-45接口


  對于有金屬外殼的RJ45網絡插座,建議將金屬外殼連接到設備安裝現場的可靠安全接地點上。如果無法保證現場的安全接地的可靠性,建議將RJ45的金屬外殼通過一顆高壓電容(如:102M/1KV)與板子的地平面相連接。


以太網在英創主板平臺上的應用


  以太網在工控領域應用極為廣泛,是工業應用上主流的數據傳輸方式之一。英創工控主板均配備了以太網,此外還可以通過擴展方式支持更多的以太網,以便用戶組建自己的網絡應用產品平臺。


  英創主板自帶的以太網

  英創主流工控主板均自帶2路獨立的10M/100M以太網,而高端主板ESM6802G支持1路千兆網,用戶可以根據需求進行選擇。

  查看英創工控主板


 ESM6802支持一路千兆網.gif esm6800支持兩路百兆網.gif 
 ESM6802G工控主板自帶1路千兆網 ESM6800工控主板自帶2路百兆網 


  通過擴展模塊獲取更多的以太網

  英創工控主板通過ISA擴展總線,可以擴展多種功能接口供客戶使用,例如ETA728和ETA528均能擴展2路獨立以太網。

  查看英創以太網擴展模塊


 eta728正面.gif eta528.gif 
 ETA728以太網擴展模塊 ETA528以太網串口擴展模塊 



  下圖為英創ESM3354開發評估套件擴展16路串口+2路網口的硬件平臺,其中以太網擴展模塊即為ETA728。

  查看下圖的應用方案

英創工控主板多網絡多串口擴展方案


  通過英創工控機/應用底板獲取更多的以太網

  英創在售的幾款工控機/應用底板產品,均能提供多路以太網,具體如下:


應用底板型號可提供的以太網
ETA8106路10M/100M自適應以太網
ETA8201路千兆網,1路10M/100M自適應以太網
ETA8301路千兆網,1路10M/100M自適應以太網


  查看英創工控機/應用底板

 eta810+eta806.gif eta810+eta806帶外殼側面.gif 
 ETA810+ETA806+ESMARC主板組成多網絡工控方案 ETA810多網絡工控方案+機殼組成工控機 


  歷年來,大量用戶使用英創主板進行以太網通信相關應用,英創也累積了豐富的工程經驗。下面整理出了英創網站發表的相關技術文檔供用戶參考。雖然有一些方案文檔中提到的英創主板是較老的型號,用戶在新產品開發的時候未必會使用這些老主板產品,但是文中的軟硬件使用技巧、編程技巧和方法等技術細節,是值得用戶參考或者直接使用的。


  應用方案


基于ESM3354的16路串口+2路網口擴展方案6路獨立網口+14路串口的通訊管理機實現方案


  使用方法與技巧


WinCE工控主板的網絡安全管理ARM9工控主板WinCE應用程序的遠程FTP自動更新

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基于WinCE的無線網卡配置方法網絡雙絞線之直通線和交叉線制作的線序排列

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WinCE遠程桌面英創Linux工控主板支持3G網卡

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