工業(yè)以太網(wǎng)接口及其實現(xiàn)研究

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)克服了現(xiàn)場總線存在的成本高、通信速度低、支持應(yīng)用有限以及不同總線產(chǎn)品不能相互連通、共用等缺陷，取代了現(xiàn)場總線，應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域中?，F(xiàn)簡要介紹了目前比較流行的幾種工業(yè)以太網(wǎng)，針對這些工業(yè)以太網(wǎng)提出了3種實現(xiàn)方案，并對這3種方案的適用領(lǐng)域進(jìn)行了簡單比較：帶Ethernet控制器的嵌入式處理器芯片適用于一般的中小型工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng);專用芯片適用于開發(fā)周期短、時間要求高的工業(yè)以太網(wǎng);FPGA靈活性非常好，在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域適用范圍廣泛。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);接口實現(xiàn);協(xié)議

0 引言

隨著設(shè)備自動化的發(fā)展，現(xiàn)場總線已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中。然而，現(xiàn)場總線種類繁多、通信速度較低且成本較高，每類現(xiàn)場總線支持的應(yīng)用有限，不同總線產(chǎn)品不能相互連通、不能互用。因此，這在一定程度上限制了現(xiàn)場總線在自動化系統(tǒng)及工控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。近年來，以太網(wǎng)技術(shù)不僅在商用領(lǐng)域，還在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。尤其是高速以太網(wǎng)，可以直接進(jìn)入工控領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)相較于各種現(xiàn)場總線，成本較低，并且能解決各類現(xiàn)場總線無法互通互用的問題，使得人們越來越多地用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

1 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

1.1? ? 以太網(wǎng)簡介

以太網(wǎng)是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標(biāo)準(zhǔn)。它采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），速率為10 Mbps，傳輸介質(zhì)為同軸電纜。

以太網(wǎng)是于20世紀(jì)70年代為解決網(wǎng)絡(luò)中零散的、偶然的堵塞沖突而開發(fā)的?，F(xiàn)在以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。

1.2? ? IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)是以最初的以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)成功的，以太網(wǎng)提供的服務(wù)對應(yīng)于OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而IEEE 802.3提供的服務(wù)對應(yīng)于OSI參考模型的物理層PHY和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC部分（MAC與LLC共同構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層）。

以太網(wǎng)的PHY層主要分為以下類別：早期的10 Mbit/s和1 Mbit/s的以太網(wǎng)、100 Mbit/s的快速以太網(wǎng)以及Gigabit等更高速的以太網(wǎng)。

對于早期的以太網(wǎng)應(yīng)用，MAC層與PHY層之間通過AUI接口相連，而且使用同軸電纜作為傳輸媒介;對于快速以太網(wǎng)，傳輸媒介采用雙絞線，MAC層與PHY層之間通過MII接口連接。由于MII信號線太多，因此衍生出許多簡化的標(biāo)準(zhǔn)，如RMII、SMII等。

1.3? ? 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義，以太網(wǎng)可采用半雙工及全雙工模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對于半雙工模式需要CSMA/CD技術(shù)的支持，全雙工模式則不需要。對于以太網(wǎng)來說，具有Repeater、Hub、Switch、Bridge等連接設(shè)備。

Hub是Repeater（中繼器）的一種，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間物理信號的雙向轉(zhuǎn)發(fā)，完成信號的復(fù)制，調(diào)整和放大信號，兩者的主要區(qū)別是Hub實現(xiàn)多端口信號轉(zhuǎn)發(fā)，而Repeater只能實現(xiàn)兩端口信號轉(zhuǎn)發(fā)。

Switch是Bridge（網(wǎng)橋）的一種，工作在數(shù)據(jù)鏈路層，能起到過濾幀的作用，兩者的主要區(qū)別是Switch實現(xiàn)多端口數(shù)據(jù)交換，Bridge只能實現(xiàn)兩端口數(shù)據(jù)交換。

Switch與Hub相比較，Hub工作在物理層，而Switch工作在數(shù)據(jù)鏈路層，能夠?qū)崿F(xiàn)幀的存儲過濾，可避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，但網(wǎng)絡(luò)延時比Hub大。

以太網(wǎng)常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。星型結(jié)構(gòu)以中心節(jié)點為控制中心，網(wǎng)絡(luò)可靠性低;總線結(jié)構(gòu)將所有的節(jié)點用總線相連，共享能力較強(qiáng)，但是實施性較差;環(huán)形結(jié)構(gòu)一般在局域網(wǎng)中使用，信息單向流動，實施性較強(qiáng);樹形結(jié)構(gòu)也就是分級的集中式網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，但同星型結(jié)構(gòu)一樣可靠性低;網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一種無規(guī)定的連接方式，一般用于廣域網(wǎng)的組網(wǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性高。

2 工業(yè)以太網(wǎng)簡介

工業(yè)以太網(wǎng)區(qū)別于商用以太網(wǎng)（IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)），主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但在技術(shù)上兩者兼容，其與商用以太網(wǎng)的主要區(qū)別在于，它必須滿足工業(yè)控制對實時性、可靠性和抗干擾性的要求，滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性要求等。

以太網(wǎng)用于商用領(lǐng)域時，應(yīng)用層主要包括HTTP、FTP、SNMP等常用協(xié)議;以太網(wǎng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域時，應(yīng)用層主要考慮通信的實時性、準(zhǔn)確性。目前為止，現(xiàn)場總線還沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要有以下幾種：Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

2.1? ? Ethernet/IP簡介

Ethernet/IP實時以太網(wǎng)是由ControlNet國際組織CI、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA和開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會ODVA等共同開發(fā)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。Ethernet/IP實時擴(kuò)展成功之處在于其在TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），并在應(yīng)用層進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換和運行的實時應(yīng)用。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議進(jìn)行通信。Ethernet/IP協(xié)議基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。Ethernet/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2? ? Profinet簡介

Profinet實時以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)，由國際組織Profibus International提出，是從2004年4月開始，由Profibus International與Interbus Club合作開發(fā)與制定的標(biāo)準(zhǔn)。Profinet構(gòu)成從I/O級直至協(xié)調(diào)管理級的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案。

Profinet以太網(wǎng)協(xié)議的主要特點在于，它定義了3種不同的協(xié)議通道：普通的TCP/IP協(xié)議通道，響應(yīng)時間控制在100 ms內(nèi)，用于信息集成或過程自動化;RT協(xié)議通道，響應(yīng)時間控制在10 ms以內(nèi)，用于工廠自動化;IRT協(xié)議通道，響應(yīng)時間控制在1 ms內(nèi)，用于運動控制。

Profinet協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.3? ? EtherCAT簡介

EtherCAT實時以太網(wǎng)是由EtherCAT技術(shù)協(xié)會ETG提出并推廣的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT技術(shù)除了兼容以太網(wǎng)技術(shù)，還有其自身的獨特性：EtherCAT協(xié)議可與以太網(wǎng)協(xié)議并存，而且能與所有的協(xié)議共同存儲在相同的物理層介質(zhì)中。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備可通過交換機(jī)端子連接至一個EtherCAT系統(tǒng)，該端子不會影響循環(huán)時間。配備傳統(tǒng)現(xiàn)場總線接口的設(shè)備可通過EtherCAT現(xiàn)場總線主站端子的連接集成到網(wǎng)絡(luò)中。EtherCAT是一個完全開放的協(xié)議，它已被認(rèn)定為正式的IEC規(guī)范（IEC/PAS 62407）。

EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.4? ? Ethernet POWERLINK簡介

Ethernet POWERLINK實時以太網(wǎng)是由Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)國際組織EPSG提出并進(jìn)一步研發(fā)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。POWERLINK的通信實時性較強(qiáng)，是商用IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的擴(kuò)展，它的實時數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到微秒級。不同于其他的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，POWERLINK實時以太網(wǎng)主要基于軟件解決，硬件上完全兼容IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的商用以太網(wǎng)。因此，POWERLINK集合了商用以太網(wǎng)的所有優(yōu)點，同時能使用商用以太網(wǎng)的測試及診斷工具進(jìn)行測試，降低了成本。為了獲得實時能力，POWERLINK采取混合輪詢和時隙管理過程，它僅允許一次一個節(jié)點來發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)點在于它組織了一個類似圓桌會議的通信方式，一個仲裁人或主持人協(xié)調(diào)參與者進(jìn)行他們各自的陳述。

POWERLINK協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.5? ? IEEE 1588簡介

IEEE 1588并不是實時以太網(wǎng)（RTE）通信協(xié)議，這一標(biāo)準(zhǔn)附加在RTE或者以太網(wǎng)之上。IEEE 1588精確時間協(xié)議（PTP）通過以太網(wǎng)為分布式控制節(jié)點，提供準(zhǔn)確的實時時鐘同步功能。

Profinet IRT以及CIP Sync所采用的時間同步協(xié)議均基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)定義了3種時鐘：主時鐘Grandmaster Clock（GMC），是整個子網(wǎng)系統(tǒng)中最精確的時鐘;邊界時鐘Boundary Clcok（BC），用于Hub與Switch等多端口設(shè)備;普通時鐘Ordinary Clock（OC），用于單個端口設(shè)備。

IEEE 1588時鐘類型示意圖如圖5所示。

3 工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)方案

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)正在朝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)離散化、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜化、內(nèi)部互聯(lián)高速化方向發(fā)展，所有的系統(tǒng)都能作為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點進(jìn)行控制。在所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，由于以太網(wǎng)可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的控制層，因此工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的最佳網(wǎng)絡(luò)解決方案，嵌入式系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)已經(jīng)成為必然。本節(jié)主要闡述工業(yè)以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)方案。

3.1? ? 帶以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器

目前，為了滿足最小系統(tǒng)能夠接入網(wǎng)絡(luò)的要求，很多廠家的嵌入式處理器芯片都開始集成Ethernet控制器，設(shè)計者可以方便地進(jìn)行以太網(wǎng)接口的設(shè)計開發(fā)，將嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，帶Ethernet接口，嵌入式處理器的以太網(wǎng)實現(xiàn)方案如圖6所示。

目前，很多公司的嵌入式處理器芯片都開始集成Ethernet控制器，以滿足嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的需求。通常這些嵌入式處理器芯片都帶一個Ethernet MAC，通過MII/RMII接口與外部PHY芯片相連，完成嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的功能。這類嵌入式處理器芯片一般都帶多種其他功能的外設(shè)，且價格適中，適用于需要接入以太網(wǎng)的普通中小型系統(tǒng)。

3.2? ? 專用芯片方案

為了滿足嵌入式產(chǎn)品接入以太網(wǎng)的需求，現(xiàn)在很多工業(yè)自動化公司提供智能化的解決方案及工業(yè)以太網(wǎng)專用芯片，設(shè)計者可以直接利用以太網(wǎng)專用芯片完成以太網(wǎng)接口的設(shè)計開發(fā)，節(jié)省大量的人力、物力、財力，將注意力集中在更核心的技術(shù)上。目前，提供以太網(wǎng)專用芯片的公司主要有Hilscher公司和HMS公司。

netX是Hilscher公司為以太網(wǎng)接口提供的一個智能化解決方案，是一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)控制器，它具有全新的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在一個芯片上就可以支持主流的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，例如：CANopen、CIP、Profinet、MVB等總線。netX具有以太網(wǎng)接口，內(nèi)部集成PHY和交換機(jī)Switch功能。同時，Hilscher還提供各種協(xié)議棧軟件源碼，能夠滿足各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需求。

HMS公司同樣提供工業(yè)以太網(wǎng)專用芯片及專用模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，集成度高，開發(fā)方便。

使用專用以太網(wǎng)芯片進(jìn)行電路設(shè)計，可以使設(shè)計者將有限的資源集中在核心競爭力上，短期內(nèi)開發(fā)出比競爭對手性能更高、價格更低的產(chǎn)品。

3.3? ? FPGA方案

很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需要對應(yīng)的軟件協(xié)議支持，某些高性能的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議還需要特定的硬件支持，所以開發(fā)出支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的通用硬件平臺相對較難。當(dāng)需要新的工業(yè)以太網(wǎng)ASIC/ASSP器件時，必須開發(fā)電路板，帶來了和新硬件相關(guān)的成本以及時間問題。如果遇到以太網(wǎng)協(xié)議更新，則需要重新開發(fā)電路板，開發(fā)周期變長，開發(fā)成本增大。所以，這類解決方案由于存在時間成本與開發(fā)成本方面的問題，難以在短時間內(nèi)同步實現(xiàn)協(xié)議更新，功能升級。因此，考慮選用硬件可配置的FPGA來實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口，滿足協(xié)議的靈活更新等要求。

基于FPGA的以太網(wǎng)實現(xiàn)方案如圖7所示。

各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議基本都是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)，并且以太網(wǎng)物理層相同，可以通過FPGA與外圍硬件搭建一個基本的物理層應(yīng)用平臺，通過在FPGA中實現(xiàn)不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議保證其通用性，如遇協(xié)議更新，僅需通過更新FPGA中的軟件即可快速實現(xiàn)升級迭代。

FPGA的供應(yīng)商Altera、Xilinx均提供工業(yè)以太網(wǎng)解決方案及相應(yīng)的IP核，針對實現(xiàn)不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，只需要對FPGA進(jìn)行重新配置即可完成設(shè)計，更改周期短，硬件平臺靈活。

3.4? ? 方案比較

由3.1、3.2、3.3可知，可以通過帶有Ethernet控制器的處理器芯片、專用芯片或者FPGA來實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口，三者有其各自的優(yōu)缺點：

帶Ethernet控制器的處理器芯片一般都帶其他多種功能的外設(shè)，且價格相對較便宜，適用于需要接入以太網(wǎng)的中小型系統(tǒng);專用芯片價格較昂貴，但開發(fā)難度小，適用于開發(fā)周期短、時間要求高的以太網(wǎng)應(yīng)用;FPGA靈活性非常好，可以在單一硬件平臺上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域適用范圍極其廣泛，也極具應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

工業(yè)以太網(wǎng)使用基于以太網(wǎng)的協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中實時、可靠的通信，在工控系統(tǒng)的各個節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、可靠互傳，完成工控系統(tǒng)之間，甚至工控系統(tǒng)與商用系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互連。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)的通信環(huán)境尚未統(tǒng)一，通信協(xié)議包括Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

本文介紹了3種工業(yè)以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)方案：帶Ethernet控制器的嵌入式處理器芯片一般都帶多種其他功能的外設(shè)，且價格相對較便宜，適用于需要接入以太網(wǎng)的中小型系統(tǒng);專用芯片價格較昂貴，但開發(fā)難度小，適用于開發(fā)周期短、時間要求高的以太網(wǎng)應(yīng)用;FPGA靈活性非常好，可以在單一硬件平臺上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域適用范圍極其廣泛。

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收稿日期：2020-05-28

作者簡介：陸馳宇（1978—），男，江蘇蘇州人，工程師，研究方向：機(jī)電一體化、工業(yè)控制、嵌入式控制、現(xiàn)場總線。