UDP通信在工業控制中的應用

摘 要 數據交換系統廣泛應用于我國的工業控制中，而這一系統的應用原理主要是根據上位機與下位機的交換來實現，只有保障了系統單元之間的高速運轉才能讓整個數據通信系統正常工作，因此網絡通信方式就顯的尤為重要，而現實中應用在網絡中常見的通信方式有串口232通信，485/422總線通信，串行I2C，這些串口能最大限度的滿足人們的日常所需，但是上述的三種通信方式并不適用于所有的場合，尤其是那些要求高效的工業企業，上述的幾種通信方式，如果在某一時間段發送大量的數據，必然會影響到工業系統的工作效率，筆者希望能夠解決這一問題，因而對大量的網絡通信協議進行分析，并在下文中以UDP協議通信在工業控制中的應用為例，重點分析UDP與串行232，485，I2C及基于TCP協議的工業以太網之間的差別。

【關鍵詞】網絡通訊協議 通行效率 總線通信

UDP是User Datagram Protocol縮寫，簡稱用戶數據包協議，是無線傳輸層的一種模式，主要為用戶提供了一種相對簡單但并不可靠的網絡服務，隨著互聯網的不斷發展，這一技術已經開始滲入了工業控制系統，總的來說他有如下特征：

（1）從UDP的本質來看UDP是一種無連接協議，它建立了電腦主機和從機之間的無線鏈接關系，當需要傳遞信息的時候，它可以用極快的速度從機器的存儲器內抓取自己需要的信息，并以最快的速度將其發布到網絡上，從發送端來看UDP傳輸數據的速度僅僅被計算機的能力和傳輸信息的寬帶限制，而在接收端UDP將不同的信息分在不同的序列中，應用程序從隊列中讀取消息段時，UDP的傳輸速度高達毫秒，快速的傳播速度無疑是我國大部分工業企業內部急需的。

（2）UDP在傳輸數據的時候不會建立連接關系，所以不用在意主機和從機的連接狀態，這讓主機可以同時與多個從機進行數據交換，而機器之間的信息不會互相干擾，這在無形之中提高了工作效率，讓工業企業的計算機不用在局限于面對協議的怪圈，提高工業企業的工作效率。

（3）UDP的數據吞吐量不受空間控制算法調解，只受軟件之間的數據傳輸速率和傳輸的帶寬，以及計算機組的性能限制。

（4）UDP在進行數據傳輸的時候速度可高達10M/100M字節自適應，這讓其傳輸的速度時間很短，這種傳輸速度是同類協議不可企及的高度。

（5）UDP的傳輸線路采用的是雙絞線，抗干擾性很強，能夠保證信息的穩定傳輸。

而和UDP做對比的通信方式有：串行232，485，I2C通信

1 從傳輸速率和實時性來看

在現代工業中，信息技術的應用范圍越來越廣，工業對網絡速率的要求也越來越高，而UDP通信協議完全滿足這一需求，將其應用在工業上時其數據傳輸速度和互聯網的速率是相同的，設置好10M/100M字節的自適應后可以以極快的速度進行數據傳輸，完成工業計算機組之間的數據傳輸，這點和通常所使用的232，485，I2C等的通信相比速度得到了很大的提高，串行232，485，I2C的網絡傳輸速度最高也僅有100K左右的速度，而強行增加運行速度則會增加系統的負荷導致系統的錯誤率和崩潰率增加，這幾種通信方式的抗干擾能力也相對一般，面對需要傳輸大量數據的情況使用UDP，可以在最短的時間內完成任務。

2 從傳輸過程中的安全性來看

使用UDP協議來校準數值，以確保網絡數據的安全性。UDP協議在校準前首先通過特殊的算法計算數據，當數據轉移到接收方之后，還需要重新計算一次。如果在傳輸過程中數據被第三方篡改或損壞，由于數據錯誤等原因，導致驗算的發送和接收方不一致，UDP就不會接收這部分數據，由此可見，UDP協議可以降低錯誤的發生率。

3 與基于TCP協議的工業以太網的比較

TCP是Transmission Control Protocol的縮寫，簡稱傳輸控制協議。它是一種非常可靠的傳輸層通信協議和UDP位與OSI參考模型中的同一層。但是這三者之間卻有非常明顯的區別，是否是面向連接，從工業的角度來看，這一點造成的影響非常關鍵，從本質上來看TCP是連接時采用的通信協議，唯一的任務和使命就是發送與接受信號，但在發送數據之前，

它要保證數據傳輸之間的可靠性，而UDP協議則跨過這條，不需要和接收方建立安全連接，可直接向對方傳輸數據，也無需在對方返回數據時確認信號，排除了數據的可靠傳遞機制，減少了數據的延遲時間，將安全和排序的問題交與底層應用層來完成，減少了系統的傳輸速率，提高工作效率，從這點上來看UDP協議和TCP協議相比，優點有如下幾點：

（1）不用建立連接，減少系統開銷和延滯；

（2）不采用可靠的傳輸機制，主/從機不用維護很多用于記錄連接的狀態表；

（3）取消了確認信號的發送，提高了發送的速度和實時性

4 如何實現UDP協議

任何產品都需要考慮到自身的可行性，穩定性以及成本，而UDP的協議也是如此

4.1 可行性

工業控制往往會使用單片機，以及一些芯片來實現使用者所需的功能，而UDP協議需要的僅僅只是擁有網絡模塊的單片機及ARM之類的CPU就可以實現，因此其實現較為簡單。例如菲利普芯片LPC2300，通信芯片DM9161A。

4.2 穩定性

軟件的算法決定UDP的穩定性，這是因為Internet網絡中的數據傳輸協議UDP通信的本質是高密度的芯片，穩定性對其而言是必不可少的一部分。

4.3 成本

數據傳輸協議所使用的硬件，就是數據傳輸協議的成本，這些電子元件的價格從現在來看價格并不貴，因而任何通信協議的成本在現在都不是很昂貴。

筆者通過上文分析了在工業環境中經常使用的幾種網絡傳輸協議，這其中就參數控制數據，系統單元狀態數據，系統監控數據，系統故障診斷數據，系統報警數據等，這些工業系統在應用時都對網絡傳輸速度有很高的要求，高效快速的傳輸是這些系統的基礎，而串行232，485，I2C通信和TCP通信并不具備這種特性，UDP則完美的解決了這個問題。因此，可見基于UDP協議的通信是工業控制過程中不可缺少的通信模式。

參考文獻

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作者簡介

劉杰（1982-），男，上海市人。大學本科學歷。現為中國船舶重工集團公司第七二六研究所科研崗位、工程師。研究方向為消防電子。

作者單位

中國船舶重工集團公司第七二六研究所 上海市 201108