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    基于以太网的autosar网络管理

    一、概述:

    网络管理模块UdpNm处于TCP/IP协议栈之上, 介于NM层和TCP/IP层之间;如下图,UdpNm是同硬件无关的协议,其主要目的是协调网络的正常运行和总线休眠模式之间的转换。

    而且它提供了一种可以检测当前所有节点的状态或者说是检测节点是否进入sleep状态的服务;

    架构功能:

    经典autosar架构图:

    自适应autosar里网络管理架构图:

     

    二、网络协同机制:

    AUTOSAR UdpNm是去中心化的,所以每一个网络节点是同等的。AUTOSAR UdpNm algorithm主要基于周期性发送NM packets。NM packets是广播发送的,所以每个节点都能监听到。只要有节点发送NM packets就说明NM-cluster目前是wake态,或者说不让它进入sleep状态。如果有节点想要进入sleep,则需要停止发送NM packets。但是如果收到了其他节点发来的NM packets,必须推迟进入sleep。最后,如果经过一段时间,节点没有收到NM packets,所有的节点从transmition进入到sleep modes。如果有节点需要进行bus-communication,它可以通过发送NM packets保持NM-cluster awake状态。对于每一个节点,只要需要进行bus-communication,都得周期性发送NM messages。除了需要进行bus-communication之外,其他的情况都不要发送NM messages。

    三、运行模式:

    (1)Network Mode

    (2)Prepare Bus-Sleep Mode

    (3)Bus-Sleep Mode

    1. 下图是UML状态图。绿色表示Mode变化过程,红色表示 error handling,蓝色表示optional node detection。

    1、Network Mode:

    1.1有三个状态组成:Repeat Message State、Normal Operation State、Ready Sleep State

    1.2当离开休眠模式和预休眠模式后,就进入网络模式

    1.3进入网络模式后,网络模式定时器开始启动

    1.4当收到或发送网络报文后,定时器重新计时

    Repeat Message State:

    1.1可确保任何节点在最短的时间内变成活动状态

    1.2进入该状态,网络管理报文开始发送

    1.3定时器时间到后,如果接收到网络请求,则进入Normal Operation State,

    1.4定时器时间到后,如果接收到网络释放,则进入Ready Sleep State

    Ready Sleep State:

    1.1该状态下,当网络上有节点在awake状态,该状态将等待该网络上的其任何节点进入Prepare Bus-Sleep Mode

    1.2当定时器时间到后,进入Prepare Bus-Sleep Mode

    1.3再次收到Repeat Message请求,则定时器重新计时,并进入Repeat Message State

    1.4当接收到网络请求(network requested)后进入Normal Operation State

    Normal Operation State:”

    1.1Normal Operation State确保只要需要网络功能,任何节点都可以使NM-Cluster保持唤醒状态。

    1.2网络定时器计时到后会重新计时

    1.3网络释放后,将进入Ready Sleep State

    2、Prepare Bus-Sleep Mode:

    2.1 Prepare Bus Sleep state的目的是确保所有节点都能够在进入Bus Sleep state之前停止其网络活动。 总线活动慢慢减少,最后在Prepare Bus-Sleep Mode下总线上没有任何活动。

    2.2在该模式下,接收到网络请求或被动启动或接收到网络报文,则进入网络模式

    2.3定时器超时后,进入休眠模式

    3、Bus-Sleep Mode:

    3.1 Bus-Sleep Mode的目的是在不交换消息时降低节点的功耗。通信控制器切换到睡眠模式,相应的唤醒机制被激活,最后功耗在Bus-Sleep Mode下降低到适当的水平。如果由(UdpNmTimeoutTime + UdpNmWaitBusSleepTime)确定的可配置时间量相同地配置为网络管理集群中的所有节点,则使用AUTOSAR NM算法协调的网络管理集群中的所有节点大约在同一时间进入Bus-Sleep Mode。

    Note: The parameters UdpNmTimeoutTime and UdpNmWaitBusSleepTime should have the same values within all network nodes of the NM-cluster.

    3.2根据具体实施和其他因素,过渡到Bus-Sleep Mode大约同时发生。 经历的时间抖动大小取决于以下因素:

    • internal clock precision (oscillator’s drift),
    • NM-task cycle time (if tasks are not synchronized with a global time),
    • NM messages waiting time in the Tx-queue (if transmission confirmation is made
      immediately after transmit request).

    四 网络报文的收发

    1网络报文的发送:NM Message Transmission

    网络管理报文是周期性发送报文

    2网络报文的接收:Reception

    接收到报文后,SoAd模块调用UdpNm_SoAdIfRxIndication

     

    3不同模式下对应报文收发:

    四、报文格式:

    1

     

    Bit 0: Repeat Message Request 0: Repeat Message State not requested 1: Repeat Message State requested

    Bit 3 :NM Coordinator Sleep Bit

    0: Start of synchronized shutdown is not requested by main coordinator

    1: Start of synchronized shutdown is requested by main coordinator

     

    Bit 4 Active Wakeup Bit

    0: Node has not woken up the network (passive wakeup)

    1: Node has woken up the network (active Wakeup)

     Bit 6 Partial Network Information Bit (PNI)

     

    0: NM message contains no Partial Network request information

    1: NM message contains Partial Network request information

    Bit 1,2,5,7 are reserved for future extensions 0 : Disabled / Reserved for future usage ⌋()

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      这篇文章主要为大家介绍了工业以太网布线如何布线以及选材和故障保养需要注意哪些方面,以及除了故障如何排查,需要的朋友可以参考下。

    04b3ff1f09fdcdda9a71d62bc25c7db5.png

      工业以太网

      工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。 企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域,而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802.3u 的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

      工业现场的环境比普通环境都要恶劣,至少在震动,湿气,温度上都要比普通环境恶劣,工业以太网需要更多专业的知识和实践经验。如果你正在安装或者使用一种工业以太网(工业以太网交换机),那么关于布线、信号质量、接地回路、交换机和通讯这五点内容必须要了解否则容易出现故障,更使维护成本上升。

      布线问题

      和所有网络一样,电缆的优劣直接影响工业以太网的优劣。而且除了高电磁干扰(EMI),工业环境中还经常有某种等级的温度、粉尘、湿度以及其他在家庭和办公环境中不常见的影响因素。

      所以,如何选择电缆?在办公室内,商业等级的电缆,例如5类电缆,比较适合于10MB的网络,而5e类电缆适合于100MB网络。根据ANSI/TIA-1005标准所述,6类电缆或者更好的电缆可以用于工业环境中的主机或者设备连接。

      6类电缆能够在100米的范围内实现1GB网络,55米范围内实现10GB网络。6e类电缆可以在100米范围内实现10GB网络。

      相比于5类电缆和5e类电缆,6类电缆不易受串扰和外部EMI噪声影响。工业以太网电缆的设计能够抵御更加严酷的工业环境对电缆的物理侵蚀。在安装 6类电缆时,确保RJ45接口和插座也能够达到6类等级。最好的使用方法是,短距离布线时,使用预先做好的接插电缆,并在工厂内安装连接器。长距离布线时 使用插座。

      电缆、屏蔽、接地回路

      一些应用场合需要做屏蔽,但是如果屏蔽电缆安装不当,那么会适得其反。

      当超出保护套管时,屏蔽以太网电缆在EMI环境中的性能更好。良好的接地是使用屏蔽电缆的关键。一个接地参考点是关键中的关键。多个接地连接会形成接地回路,不同接地连接处电势的不同会在电缆中引入噪声。

      接地回路会给你的网络带来巨大的破坏,为了解决这个问题,只在电缆的一端使用接地RJ45接口,另一端使用绝缘的RJ45接口以消除接地回路的可能性。

      如果以太网电缆与电源电缆交叉布线,那么交叉角度颇有讲究。将并列的以太网电缆和电源电缆相隔至少8到12英寸,如果电压较高或者并列距离较长,那么这个间隔距离应该更大。如果以太网电缆在金属沟槽或者套管内走线,那么相邻的沟槽或者套管必须连接在一起以实现电气连续性。

      大体来讲,以太网电缆尽量远离能够产生EMI的设备,例如电机、电机控制设备、照明设备、带电导体等。在面板上,以太网电缆与连接器间隔至少2英寸。当电缆远离EMI干扰源时,遵循推荐的电缆弯曲半径。

      交换机VS.集线器

      简单地说,工业以太网环境中不要使用集线器。集线器只不过是一个多端口的中继器。如果集线器被排除在外的话,剩下的选择就只有管理型交换机和非管理型交换机了。管理型的交换机更好,当然它的价格也比非管理型的交换机要贵。

      网络上的每一台设备都有一个独一无二的标识符,就是我们所说的MAC地址,这是交换机比集线器具有更优秀的识别能力的关键。

      当交换机刚刚上电的时候,它最初的表现和集线器没有区别,将所有的通讯内容都广播出去,但随着网络上的设备将信息在交换机的不同端口上传输,交换机 开始监控通讯内容,识别出哪一个MAC地址与哪一个端口相关,然后在MAC地址表中做出标识。一旦交换机发现设备的MAC地址与某个特定的端口相连接,它 就会监控指向那个MAC地址的信息,然后将这些信息仅仅发送给那个特定的地址。

      工业以太网网络有三种通讯类型。点对点的单播通讯、一对多的组播通讯和一点到所有节点的广播通讯。

      当交换机的MAC地址表建立完成之后,管理型交换机和非管理型交换机对单播通讯和广播通讯的处理方式没有什么不同。一般来说,在100MB的带宽 下,将广播频度控制在每秒钟100个广播。对于任何网络来说,都会或多或少地存在广播通讯。一个例子就是打印服务器会周期性地在网络上给出广播通知。

      窥探:不仅仅是监听

      管理型交换机和非管理型交换机的一个主要的区别就在于它们对待组播通讯的处理方式。组播通讯通常来自于搭载在工厂过程网络上的智能设备,采用面向连接的基于生产厂商/用户模型的技术。这种情况下的连接仅仅是网络上两个或者多个节点之间的关系。

      要想能够接收组内信息,设备必须加入组播通讯小组,组内所有的成员都能够接收到数据。如果仅仅是向小组发送数据,那么你无需成为小组成员。在生产厂商/用户模型中,组播通讯的主要问题就是随着小组成员数量的增加,通讯信息呈指数地增长。此时,就需要使用管理型的交换机了。

      管理型交换机能够打开互联网组管理协议(IGMP)窥探功能。它是这样工作的,当IGMP窥探功能打开后,它会发出广播通讯以判断任何组播小组内的 成员。使用这些信息,加上已经建好的MAC地址表,管理型交换机就能够将组播通讯仅仅发送给组播小组内的成员。非管理型的交换机对组播数据和广播数据的处 理方式一样,都是将数据发送给每一个节点。

      如果网络使用了生产厂商/用户技术或者使用了组播通讯,那么管理型交换机是物有所值的不二之选。

      镜像端口、故障排查

      考虑使用管理型交换机还有很多其他原因,这种等级的交换机通常都提供故障日志功能,能够控制每个端口的速度,具有冗余设置以及端口镜像功能。这些额 外能力能够保证对网络行为进行更加精确的控制,而且在故障排查的时候能起到非常宝贵的作用。我们知道,对于网络上的某些节点,故障是无法避免的。

      当网络性能出现问题时,首先就要检查交换机,虽然对于大多数网络性能问题来说,交换机很少是问题的核心。交换机是系统中最可能发生问题的节点,它的工作速率通常是其他网络部件工作速率的10到50倍。

      虽然总有一种很好的软件能够帮助你对网络故障问题进行排查,但是大多数这种软件仅仅能看到广播通讯和组播通讯。这实际上很合理,因为很多性能问题通常都源自不受限的组播通讯或者过多的广播通讯。如果你出于某种原因需要检查单播通讯,那么端口镜像是唯一的途径。

      如果网络上没有组播通讯的话,那么使用非管理型的交换机也没什么问题。在只搭载了很少设备的小型简单网络上,很多人使用非管理型的交换机。有时候也可以将这两种类型的交换机结合使用,将一些远程设备搭载在非管理型的交换机上,统一向管理型的交换机反馈。对于那些节点数量很多的网络,如果成本不是一个关键因素,那么还是选择管理型的交换机吧,事后想来这确实是一个明智的选择。

      以上就是工业以太网布线与故障保养,希望能对大家有所帮助。

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  • 什么工业以太网

    千次阅读 2008-12-31 11:23:00
    ----工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。----企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际...
     
    

    什么是工业以太网?

    ----工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

    ----企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域,而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802.3u 的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

    为用户带来的利益

    ----市场占有率高达80%,以太网毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能,为您的应用带来巨大的利益:
    通过简单的连接方式快速装配。
    通过不断的开发提供了持续的兼容性,因而保证了投资的安全。
    通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。
    各种各样联网应用,例如办公室环境和生产应用环境的联网。
    通过接入WAN(广域网)可实现公司之间的通讯,例如,ISDN 或Internet 的接入。

    ----SIMATIC NET基于经过现场应用验证的技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷的工业环境,包括有高强度电磁干扰的区域。

    工业以太网络的构成:

    ----一个典型的工业以太网络环境,有以下三类网络器件:

    网络部件
    连接部件:
    FC 快速连接插座
    ELS(工业以太网电气交换机)
    ESM(工业以太网电气交换机)
    SM(工业以太网光纤交换机)
    MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块)
    通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线和光纤
    SIMATIC PLC控制器上的工业以太网通讯外理器。用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。
    PG/PC 上的工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。
    工业以太网重要性能

    ----为了应用于严酷的工业环境,确保工业应用的安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要的性能:

    工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容,使用ISO和TCP/IP 通讯协议
    10/100M 自适应传输速率
    冗余24VDC 供电
    简单的机柜导轨安装
    方便的构成星型、线型和环型拓扑结构
    高速冗余的安全网络,最大网络重构时间为0.3 秒
    用于严酷环境的网络元件,通过EMC 测试
    通过带有RJ45 技术、工业级的Sub-D 连接技术和安装专用屏蔽电缆的Fast Connect连接技术,确保现场电缆安装工作的快速进行
    简单高效的信号装置不断地监视网络元件
    符合SNMP(简单的网络管理协议)
    可使用基于web 的网络管理
    使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络

      当今时代,网络就是控制的理念已经越来越被用户所接受,传统的基于RS485,CAN等总线的各种集散控制系统,由于其固有的缺陷,正在被基于TCP/IP协议的工业太网所取代,工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的,它采用统一的TCP/IP协议,避免的不同协议间通讯不了的困扰,它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备,它方便数据在局域网的共享,它可以用IE浏览器访问终端数据,而不要专门的软件,它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接,它特别适合远程控制,配合电话交换网和GSM,GPRS无线电话网实现远程数据采集,它采用统一的网线,减少了布线成本和难度,避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的优点,在国内外逐步得到了迅速的普及,现在已经有大量的配套产品在使用中。如工业以太网HUB,工业以太网防火墙产,工业以太网关,以太网转RS232/RS485设备,以太网A/D模块,以太网D/A模块,以太网AI模块,以太网AO模块,以太网DI模块,以太网DO模块及复合功能模块。

      几年前,当现场总线大战硝烟正浓时,传统上用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台,发展迅速,颇引人注目。究其原因,是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展,其中,通信已成为关键,用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面,Intranet/Internet等信息技术的飞速发展,要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成,并提供一个开放的基础构架,但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说,现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命,但多种现场总线互不兼容,不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输,信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等,促使人们开始寻求新的出路,并关注到以太网。以太网有以下优点:
      
    (1)具有相当高的数据传输速率(目前已达到100Mb/s),能提供足够的带宽;
    (2)由于具有相同的通信协议,Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技术)世界;
    (3)能在同一总线上运行不同的传输协议,从而能建立企业的公共网络平台或基础构架;
    (4)在整个网络中,运用了交互式和开放的数据存取技术;
    (5)沿用多年,已为众多的技术人员所熟悉,市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具,成为事实上的统一标准;
    (6)允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
      
      至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题,已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等,基本上得到了解决。通过提高数据传输速率,仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等,可将发生数据冲突的概率降到最低。此外,如Hirschmann公司已开发出一系列加固的、适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件,如导轨式收发器、集线器、切换器、连接件等;Woodhead Connectivity公司推出保护等级为IP67的RJ-45连接器件。凡此种种,给以太网进入实时控制领域创造了条件。正因为如此,ARC(Automation Research Company)预测今后Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日发布的调查报告中预测,在工业控制应用领域,以太网的世界市场份额将由1998年的8.4%跃升为2003年的22%,是各种总线中升幅最大的。
      
      目前世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作,如IEEE(美国电气和电子工程师协会)正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO(工业自动化开放网络联盟)最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP达成共识。ODVA(DeviceNet供应商协会)于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。FF(现场总线基金会)于2000年3月29日公布了高速以太网(100Mb/s)的最终技术规范(FSI1.0)。工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作,开展工业以太网关键技术的研究。目前1000Mb/s以太网的发展已进入实用阶段,虽然其价格还比较昂贵。由以上分析可知,以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。本文概要介绍工业以太网最近的一些进展,并对今后的展望作一些探讨。
      
    一 在应用层中的进展      
      
    1. 封装

      众所周知,以太网自身只提供一系列的物理介质定义和一个共享的构架。构架包括物理介质、帧格式和LAN设备数据的寻址格式,即它只提供物理层和数据链路层。而Ethernet、TCP/IP则包含IP协议(层三)、TCP或UDP协议(层四),当以太网用于信息技术时,第七层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SNMP(简单网络管理协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和Telnet(远程登录)等。但当它用于工业控制时,体现在第七层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。对这些不同的概念进行组装称为“封装”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于异种操作系统的异种网络间的互联,它是真正的开放系统通信协议,已成为目前国际上进行异种网络互联的事实上的标准。
      
     “封装”是将报文帧嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE(高速以太网)、Schneider Electric开发的Modbus TCP/IP。所有这些协议数据在发送到以太网以前,现场总线报文基本上没有什么变化并作为“用户数据”嵌入到TCP/IP帧内,很容易向下兼容到基于以上总线的协议。
      Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP,应用了压缩的ControlNet和DeviceNet协议的CIP(Control and Information Protocol,控制和信息协议),如图1所示。
      CIP通过“隐性”和“显性”信息提供用于存取数据和控制设备的宽范围的服务。在发送CIP数据包以前必须对其进行封装,CIP数据包给定一个报文首部(header),该首部的内容取决于所请求的服务属性。通过以太网连接的CIP数据包包括一个专用的以太网首部、一个IP首部、一个TCP首部和一个封装首部。封装首部包含的字段有控制命令、格式、状态信息和同步数据等,这允许CIP数据能通过TCP或UDP传送并确保在接收方进行解码。Schneider Electric推出的“透明工厂”,其核心是Ethernet和TCP/IP,封装有Modbus协议的Modbus TCP/IP的模块应用于Memetum PLC。Modbus TCP已成为半导体工业的标准EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP (用户数据报文协议,一个被认为优于TCP的传输协议,其首部比TCP首部短而简单,只需8个字节,而TCP为长度可变的40个字节)的一个最佳例子,HSE采用Publisher/Subscriber协议,为IEC61158现场总线国际标准的类型5。
      另一种解决方案是在现场总线的上层运行或封装有TCP/IP。Interbus就是这种解决方案,它的以太网策略是将TCP/IP报文分割为若干个小型数据包并封装在Interbus的参数通道进行传输,其总和帧协议仍保持不变。这些被分割的数据包将在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文。
       封装方案的缺点是协议的效率低,以太网的首部比用户数据大得多,从而大幅度地增加开销,因此封装方案只适用于发送大容量的数据信息。
      
    2. 代理服务器

      代理服务器(Proxy)类似于对两个不同通信协议进行转换的网关(Gate-way),但其功能要比后者强得多。代理服务器的主要目标是将标准现场总线网络集成到工业以太网网络,其主要优点是现有的现场总线设备在今后仍能长期使用,从而保护用户的投资。支持这种观点的是由Profibus国际组织发布的Profinet,它包含两个概念,即开放的、面向对象的运行期(Runtime)概念和独立于制造商的工程概念。运行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(运程程序调用)和DCOM,并对这些基本机制进行加强和优化,因而它适合于高实时性能要求的应用领域。工程概念包括建立工程对象模型,它不仅使用户能通过不同制造商的组态工具进行开发,还可以采用分面(Facet)的方法定义制造商和应用专用的扩展功能,因此支持在单个工厂范围集成不同制造商的产品。
            
    3. 实时通信系统

      IDA(Interface for Distributed Automation,用于分布式自动化的接口)采用美国California公司开发的位于第四层的NDDS实时通信系统,NDDS是Publisher/Subscriber模式,提供宽范围强有力的应用服务。IDA的另一个重要特性是基于Web的设备管理。所有现场设备均有其本身的Web页面,包括组态、操作和诊断参数,用户可通过标准的浏览器进行访问。基于XML的设备描述简化了系统的组态,并支持设备的互操作性和互换性。IDA位于工业以太网的第七层,它还定义从第四层到第七层和应用接口(API)之间的通信,甚至还包括应用程序的标准编程接口。IDA集团在2001年的德国汉诺威博览会上公布了其技术规范。IDA的模型如图2所示。

    二 嵌入以太网的I/O   

      早在1998年,Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自动化系统中的以太网I/O用于德国Bayer AG公司的氯碱分厂,以太网将所有现场设备、控制器和PC机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制的信息网络。近年来,一些公司已推出不少以太网I/O产品,举例如下:
      (1)Opto 22从1998年第四季度起开始提供以太网I/O产品,并不断扩展和改进其产品,如开发符合802.11和802.11b的无线电访问以太网产品和用于管理的SNMP以太网产品;
      (2)National Instruments的Field Point I/O能提供现场设备到以太网的链接;
      (3)SixNet提供嵌入以太网芯片的I/O模块;
      (4)Optimation(Hutsrille, Ala)发布内装以太网的I/O新产品;
      (5)Automation direct.com和Omron Electric联合宣布的以太网I/O新产品已面市;
       6)GE Fanuc Automation在2000年的美国国家周上宣告其所有的自动化产品均支持与以太网的链接;
      (7)Zonework(Temecala, Calif)推出其第一套产品,声称是使传统的自动化控制器能访问以太网的基础结构;
      (8)Action公司的子公司Busware公布以太网的E系列I/O模块,如图3所示。
      此外,现在已有嵌入以太网芯片的智能现场总线设备问世,如Schneider Electric的Altivar 58变频器,不仅能连接到本公司的PLC系列,亦能连接到内装有Web服务器的第三方控制器。通过该控制器,还可远程存取Altivar 58变频器的各种数据。
      
    三 网络就是控制器  

      德国Jetter AG(Ludwisburg, Germany)最近发布的Jetweb自动化系统立意新颖,它是基于100Mb/s以太网的分布式智能控制系统,宣称“网络就是控制器”的观点。其特点是:(1)类似Internet的结构,对数据的实时传输不需要编程,不需要考虑网络的层次结构;(2)对用户来说,只有一组数据和一个程序,所有数据在网络中只需表达一次,程序和数据均可以重复使用,网络扮演真正服务器的作用;(3)从传感器到工厂管理层,只有一条以太网总线进行直接通信;(4)可连接到Internet,实现整个工厂全球化联网;(5)以太网既是连接到各种智能模块的系统总线,又是连接现场设备的现场总线,内部和外部的通信在此没有什么区别,集线器技术被集成在每个控制器中,通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。
      
    四 小结   

      Siemens Energy & Automation的网络产品经理Horst Kohlbert说:“嵌入有以太网的现场设备,以及嵌入的Internet服务器不久都将成为现实”。这个预言提示工业以太网即将进入现场控制级。但从目前的趋势来看,已有的现场总线仍将继续存在,不太可能退出历史舞台。在现场级,工业以太网能占领一定的市场,但它是否能作为实时控制通信的单一标准,一时难作定论,最有可能的是发展一种混合式控制系统。此外,并非每种现场总线都将被工业以太网总线所替代,如AS-i、CAN,这两种现场总线就应用于二位I/O传感器/执行器而言,无疑是最佳的(AS-i传输4位数据,且总线可带电;CAN最多传输8个字节),还有一些专用总线,如SERCOS (用于数控,控制运动轴,为IEC61491国际标准)、Instabus(用于楼宇),都有其专门的应用领域,均不适宜于工业以太网。另外,易燃、易爆(如化工、制药),以及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合,也不适宜于应用工业以太网。
      
       综上所述,已有的现场总线有它自己的市场定位,将来仍将保持这种状况,或与工业以太网相结合。现场总线不可能为工业以太网所替代,但后者发展的巨大潜力决不容忽视,其应用领域定将不断地得到扩展。

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  • 本文所设计的基于FPGA百兆以太网数据传输,博主自己绘制pcb制作的百兆以太网模块,通过一片 Realtek 的 RTL8201 以太网 PHY 提供对以太网连接的支持,RTL8201 一片 10M/100M 自适应以太网收发器,提供 MII/SNI...

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    本文所设计的基于FPGA百兆以太网数据传输,是博主自己绘制pcb制作的百兆以太网模块,是通过一片 Realtek 的 RTL8201 以太网 PHY 提供对以太网连接的支持,RTL8201 是一片 10M/100M 自适应以太网收发器,提供 MII/SNI 接口的 MAC 连接。所设计的百兆以太网模块如下图所示:
    在这里插入图片描述
    原理图附上:
    在这里插入图片描述

    通过所设计的以太网电路,可以将 FPGA 采集或运算得到的数据传递给其他设备如 PC 或服务器,或者接收其他设备传输过来的数据并进行处理。

    下面介绍如何控制以太网模块并进行数据的传输(写程序了):

    控制以太网两种方式:
    (1)在Cyclone IV E 器件中,调用三速以太网 IP 核(MAC),实现完整的以太网连接。
    (2)用户使用 Verilog 编写的自定义用户逻辑来实现以太网连接。下图为 RTL8201 与 Cyclone IV E的连接关系。

    如下图所示为FPGA和百兆以太网的连接图(参照网上图片):
    在这里插入图片描述
    协议
    对于以太网有了解的肯定知道使用以太网需要协议支撑,最常听说的是 TCP/IP 协议,在 电脑端TCP/IP 协议应用非常广泛。但是 FPGA 控制以太网接口时,使用 TCP/IP 协议也是可以的,但是,直接使用 Verilog 编写协议层代码来实现却是十分困难的(可以通过SOPC技术实现)。所以大部分使用 Verilog实现以太网传输都是基于常简单的 UDP 协议的。
    基于FPGA使用UDP协议来控制以太网比较简单,所以本文所设计的数据传输是以太网基于UDP协议的。下面简单介绍一下UDP协议,UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包,在OSI模型中,两者都位于传输层,处于IP协议的上一层。(UDP的解释有很多,这里就不做详细解释了,如果感兴趣的话可以百度就行)。
    当然使用以太网不止只需要知道UDP就可以了,还需要了解CRC校验,ARP等一系列知识,这里就不展开介绍了,可以联系博主分享资料。

    挑重点的说,本文主要是让大家明白FPGA使用以太网的过程,所以本次设计的程序是-------------:
    设计实例: UDP 数据报发送实验
    关于用户数据、UDP、IP、MAC 四个报文的关系(参考网上小梅哥):
    用户数据是打包在 UDP 协议中、UDP 协议又是基于 IP 协议之上的,IP 协议又是走MAC 层发送的,即从包含关系来说:MAC 帧中的数据段为 IP 数据报,IP 报文中的数据段为 UDP 报文,UDP 报文中的数据段为用户希望传输的数据内容,如“hello world!”。下图为使用 UDP 协议发送“hello world!”的数据层层打包示意图:
    在这里插入图片描述
    即使用 UDP 协议发送“hello world!”,按照以下顺序进行:

    1. 将“hello world!”内容打包进 UDP 数据报
    2. 将 UDP 协议打包成 IP 数据报
    3. 将 IP 数据报送入以太网帧发送单元(MAC 层),组织成标准 MAC 帧后发送。

    根据以上的每一个层之间的层层嵌套就可以编写程序了(程序具体怎么编写这里就不细致展开了,可以联系博主),本次程序是AD模块(点击这里)采集到的数据传输给FPGA,其中程序的RTL视图如图所示:
    在这里插入图片描述
    FPGA将数据通过百兆以太网传输到电脑的上位机中(wireshark):
    在这里插入图片描述
    并且也可以自己编写上位机,利用上位机来进行数据的显示,进行数据的实时传输。
    关于以太网就先说这么多,以太网的各种知识很多,已经将博主设计的以太网硬件电路pcb文件,程序,说明文档等打包好,有兴趣的可以联系博主分享,这里是以太网,如果对USB数据传输感兴趣的可以点击这里:USB2.0高速数据传输

    如果对文章中内容有不懂的,文中涉及的软件等,欢迎骚扰,或者对博主设计的USB2.0电路图以及程序等所有资料,可以联系博主QQ分享(所有的软件固件,说明文档,程序,模块pcb文件):2859340499.

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