工業以太網接口及其實現研究

摘要：工業以太網克服了現場總線存在的成本高、通信速度低、支持應用有限以及不同總線產品不能相互連通、共用等缺陷，取代了現場總線，應用到工業控制領域中。現簡要介紹了目前比較流行的幾種工業以太網，針對這些工業以太網提出了3種實現方案，并對這3種方案的適用領域進行了簡單比較：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以太網系統;專用芯片適用于開發周期短、時間要求高的工業以太網;FPGA靈活性非常好，在工業以太網領域適用范圍廣泛。

關鍵詞：工業以太網;接口實現;協議

0 引言

隨著設備自動化的發展，現場總線已經被越來越廣泛地應用于自動化系統中。然而，現場總線種類繁多、通信速度較低且成本較高，每類現場總線支持的應用有限，不同總線產品不能相互連通、不能互用。因此，這在一定程度上限制了現場總線在自動化系統及工控網絡中的應用。近年來，以太網技術不僅在商用領域，還在工業控制領域得到了飛速發展。尤其是高速以太網，可以直接進入工控領域成為工業以太網，工業以太網相較于各種現場總線，成本較低，并且能解決各類現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設備去代替昂貴的工業網絡設備。

1 標準以太網

1.1? ? 以太網簡介

以太網是Xerox公司發明的基帶LAN標準。它采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議（CSMA/CD），速率為10 Mbps，傳輸介質為同軸電纜。

以太網是于20世紀70年代為解決網絡中零散的、偶然的堵塞沖突而開發的。現在以太網一詞泛指所有采用CSMA/CD協議的局域網。

1.2? ? IEEE 802.3標準

IEEE 802.3標準是以最初的以太網技術為基礎開發成功的，以太網提供的服務對應于OSI參考模型的物理層和數據鏈路層，而IEEE 802.3提供的服務對應于OSI參考模型的物理層PHY和數據鏈路層的MAC部分（MAC與LLC共同構成數據鏈路層）。

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

對于早期的以太網應用，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，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準，如RMII、SMII等。

1.3? ? 以太網網絡結構

根據IEEE 802.3標準定義，以太網可采用半雙工及全雙工模式進行數據傳輸，對于半雙工模式需要CSMA/CD技術的支持，全雙工模式則不需要。對于以太網來說，具有Repeater、Hub、Switch、Bridge等連接設備。

Hub是Repeater（中繼器）的一種，實現網絡節點之間物理信號的雙向轉發，完成信號的復制，調整和放大信號，兩者的主要區別是Hub實現多端口信號轉發，而Repeater只能實現兩端口信號轉發。

Switch是Bridge（網橋）的一種，工作在數據鏈路層，能起到過濾幀的作用，兩者的主要區別是Switch實現多端口數據交換，Bridge只能實現兩端口數據交換。

Switch與Hub相比較，Hub工作在物理層，而Switch工作在數據鏈路層，能夠實現幀的存儲過濾，可避免網絡風暴，但網絡延時比Hub大。

以太網常見的拓撲結構包括星型結構、總線結構、環形結構、樹形結構、網狀結構等。星型結構以中心節點為控制中心，網絡可靠性低;總線結構將所有的節點用總線相連，共享能力較強，但是實施性較差;環形結構一般在局域網中使用，信息單向流動，實施性較強;樹形結構也就是分級的集中式網絡，結構簡單，但同星型結構一樣可靠性低;網狀結構是一種無規定的連接方式，一般用于廣域網的組網，結構復雜，可靠性高。

2 工業以太網簡介

工業以太網區別于商用以太網（IEEE 802.3標準），主要應用于工業控制領域，但在技術上兩者兼容，其與商用以太網的主要區別在于，它必須滿足工業控制對實時性、可靠性和抗干擾性的要求，滿足工業現場環境的適應性要求等。

以太網用于商用領域時，應用層主要包括HTTP、FTP、SNMP等常用協議;以太網用于工業控制領域時，應用層主要考慮通信的實時性、準確性。目前為止，現場總線還沒有統一的應用層協議，主流的工業以太網協議主要有以下幾種：Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

2.1? ? Ethernet/IP簡介

Ethernet/IP實時以太網是由ControlNet國際組織CI、工業以太網協會IEA和開放的DeviceNet供應商協會ODVA等共同開發的工業網絡標準。Ethernet/IP實時擴展成功之處在于其在TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），并在應用層進行實時數據交換和運行的實時應用。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用該協議進行通信。Ethernet/IP協議基于IEEE 802.3標準規定的物理層和數據鏈路層。Ethernet/IP協議結構圖如圖1所示。

2.2? ? Profinet簡介

Profinet實時以太網是基于以太網的自動化標準，由國際組織Profibus International提出，是從2004年4月開始，由Profibus International與Interbus Club合作開發與制定的標準。Profinet構成從I/O級直至協調管理級的基于組件的分布式自動化系統的體系結構方案。

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

Profinet協議結構圖如圖2所示。

2.3? ? EtherCAT簡介

EtherCAT實時以太網是由EtherCAT技術協會ETG提出并推廣的工業以太網標準。EtherCAT技術除了兼容以太網技術，還有其自身的獨特性：EtherCAT協議可與以太網協議并存，而且能與所有的協議共同存儲在相同的物理層介質中。標準的以太網設備可通過交換機端子連接至一個EtherCAT系統，該端子不會影響循環時間。配備傳統現場總線接口的設備可通過EtherCAT現場總線主站端子的連接集成到網絡中。EtherCAT是一個完全開放的協議，它已被認定為正式的IEC規范（IEC/PAS 62407）。

EtherCAT協議結構圖如圖3所示。

2.4? ? Ethernet POWERLINK簡介

Ethernet POWERLINK實時以太網是由Ethernet POWERLINK標準國際組織EPSG提出并進一步研發的工業網絡標準。POWERLINK的通信實時性較強，是商用IEEE 802.3以太網標準協議的擴展，它的實時數據傳輸速率能達到微秒級。不同于其他的工業以太網系統，POWERLINK實時以太網主要基于軟件解決，硬件上完全兼容IEEE 802.3標準的商用以太網。因此，POWERLINK集合了商用以太網的所有優點，同時能使用商用以太網的測試及診斷工具進行測試，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點來發送數據，優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調參與者進行他們各自的陳述。

POWERLINK協議結構圖如圖4所示。

2.5? ? IEEE 1588簡介

IEEE 1588并不是實時以太網（RTE）通信協議，這一標準附加在RTE或者以太網之上。IEEE 1588精確時間協議（PTP）通過以太網為分布式控制節點，提供準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議均基于IEEE 1588標準。

IEEE 1588標準定義了3種時鐘：主時鐘Grandmaster Clock（GMC），是整個子網系統中最精確的時鐘;邊界時鐘Boundary Clcok（BC），用于Hub與Switch等多端口設備;普通時鐘Ordinary Clock（OC），用于單個端口設備。

IEEE 1588時鐘類型示意圖如圖5所示。

3 工業以太網實現方案

工業自動化控制系統正在朝網絡結構離散化、網絡系統復雜化、內部互聯高速化方向發展，所有的系統都能作為互聯網絡中的單一節點進行控制。在所有的網絡技術中，由于以太網可以一直延伸到企業現場設備的控制層，因此工業以太網已經成為工業控制領域的最佳網絡解決方案，嵌入式系統中工業以太網接口的實現已經成為必然。本節主要闡述工業以太網接口的實現方案。

3.1? ? 帶以太網接口的嵌入式處理器

目前，為了滿足最小系統能夠接入網絡的要求，很多廠家的嵌入式處理器芯片都開始集成Ethernet控制器，設計者可以方便地進行以太網接口的設計開發，將嵌入式系統接入以太網，帶Ethernet接口，嵌入式處理器的以太網實現方案如圖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，以滿足嵌入式系統接入以太網的需求。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，完成嵌入式系統接入以太網的功能。這類嵌入式處理器芯片一般都帶多種其他功能的外設，且價格適中，適用于需要接入以太網的普通中小型系統。

3.2? ? 專用芯片方案

為了滿足嵌入式產品接入以太網的需求，現在很多工業自動化公司提供智能化的解決方案及工業以太網專用芯片，設計者可以直接利用以太網專用芯片完成以太網接口的設計開發，節省大量的人力、物力、財力，將注意力集中在更核心的技術上。目前，提供以太網專用芯片的公司主要有Hilscher公司和HMS公司。

netX是Hilscher公司為以太網接口提供的一個智能化解決方案，是一種高度集成的網絡控制器，它具有全新的系統優化結構，在一個芯片上就可以支持主流的現場總線和工業以太網，例如：CANopen、CIP、Profinet、MVB等總線。netX具有以太網接口，內部集成PHY和交換機Switch功能。同時，Hilscher還提供各種協議棧軟件源碼，能夠滿足各種工業以太網協議需求。

HMS公司同樣提供工業以太網專用芯片及專用模塊，能夠實現各種工業以太網協議，集成度高，開發方便。

使用專用以太網芯片進行電路設計，可以使設計者將有限的資源集中在核心競爭力上，短期內開發出比競爭對手性能更高、價格更低的產品。

3.3? ? FPGA方案

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

基于FPGA的以太網實現方案如圖7所示。

各種不同的工業以太網協議基本都是基于IEEE 802.3標準實現，并且以太網物理層相同，可以通過FPGA與外圍硬件搭建一個基本的物理層應用平臺，通過在FPGA中實現不同的工業以太網協議保證其通用性，如遇協議更新，僅需通過更新FPGA中的軟件即可快速實現升級迭代。

FPGA的供應商Altera、Xilinx均提供工業以太網解決方案及相應的IP核，針對實現不同的工業以太網協議，只需要對FPGA進行重新配置即可完成設計，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來實現工業以太網接口，三者有其各自的優缺點：

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

4 結語

工業以太網使用基于以太網的協議實現工業控制系統中實時、可靠的通信，在工控系統的各個節點之間實現數據的高速、可靠互傳，完成工控系統之間，甚至工控系統與商用系統之間的網絡互連。

目前，工業以太網的通信環境尚未統一，通信協議包括Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

本文介紹了3種工業以太網接口的實現方案：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，且價格相對較便宜，適用于需要接入以太網的中小型系統;專用芯片價格較昂貴，但開發難度小，適用于開發周期短、時間要求高的以太網應用;FPGA靈活性非常好，可以在單一硬件平臺上支持多種工業以太網協議，在工業以太網領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：機電一體化、工業控制、嵌入式控制、現場總線。