Ethernet论文

Ethernet论文 篇1

本文设计了一种基于ARM的矿用CAN/Ethernet网关节点。除完成井下各种传感器节点采集的数据通过CAN总线上传到嵌入式网关节点和经过分析和处理的数据通过Ethernet网上传到井上远端服务器;另外,该网关节具有优质的人机界面和数据暂存能力。

1 系统整体设计

由于矿井内部复杂的环境和严重的干扰,因此监控系统的条件要求十分苛刻。系统设计整体结构如图1所示。系统整体结构分为:CAN总线测控网络,嵌入式网关和Ethernet网管理网络3个部分。

CAN总线具有很强的抗干扰能力,可挂载节点多大110个,并且总线上节点数不过载可以随时增加新的CAN节点,而不需重新编排网络,最远传输距离可达10km;基于以上优点和矿井内部的环境因素,CAN总线使用在矿井监控系统具有明显的优势。

CAN总线是一种多主总线,作为设备互联总线型控制网络,CAN协议最大的特点就是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码[2];CAN总线与Ethernet网的区别还在于对通信冲突的处理方式不同,基于以上原因决定二者数据帧不同因而不能直接传输,需要中间网关对数据转换。

另外,CAN总线网络最大传输速率为1Mbps,而Ethernet网一般为10Mbps以上,为解决速度匹配问题,可采用:(1)在网关上使用较大的RAM,作为数据缓存器;(2)限制Ethernet网的传输数据量,能够及时被CAN总线接收。

2 网关硬件设计

嵌入式网关的硬件组成主要由:ARM、Ethernet网接口、CAN总线接口、高速存储器、JTAG口、LCD接口和电源等组成,其系统硬件结构框如下图2所示。

ARM微控制器负责对CAN控制器和Ethernet网控制器进行控制。为控制内部有TCP/IP通信协议和CAN通信协议,完成CAN总线协议和Ethernet网协议转换,从而实现两种接口数据的透明传输。Ethernet网接口电路完成上传网关节点处理的数据到远端服务器,或接受远端的数据。CAN总线接口电路接受底层子节点采集的数据,或传输处理器的命令。存储器用来暂时存储分析处理过的CAN类型数据。LCD提供可视化平台,可以更容易的了解数据信息。其他接口电路作为网关的调试和运行的辅助端口使用。

2.1 CAN接口电路设计

本文采用三星的S3C6410处理器,是一款基于ARM11的16/32位RISC指令集为处理器,但内部不带CAN总线控制器,因此需要外部扩展CAN总线接口电路。本设计使用Microchip公司的MCP2515和MCP2551分别作为CAN总线控制器和收发器组成电路。MCP2515使用SPI接口交换数据,极大的简化了电路的设计。CAN接口电路原理图如图3所示。

MCP2515是一款独立的控制器局域网协议控制器,完全支持CAN协议V2.0B技术规范,最大通讯速率达到1Mbps;MCP2515能发送和接受标准和扩展数据帧以及远程帧;自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器,可以过滤掉不想要的报文,因此减少了主控芯片的开销;三个发送缓冲器,具有优先级设定及发送终止功能;通过SPI串行外设接口与主控芯片通信,支持(0,0)和(11)运行模式,最高速率达10MHz[3]。

S3C6410内部有2个SPI模块,系统设计时将MCP2515作为从设备连接到S3C6410的SPI1接口,电路如图3所示。本设计采用S3C6410外部中断6作为中断引脚,在MCP2515的中断处理函数中,通过SPI接口访问MCP2515内部相关寄存器来确定具体中断事件,并对其进行处理。

MCP2551是一款可容错的高速CAN总线器件,可作为CAN协议控制器和物理总线的接口;可以为CAN协议控制器提供差分接收能力,完全符合ISO11898标准[4]。MCP2551把CAN控制器生成的数字信号转换成为适合总线传输的差分信号,差分信号具有很强的抗干扰能力,适于矿井内部的干扰;MCP2551的RS引脚决定信号的传输模式,本设计使MCP2551工作在斜率控制模式。

2.2 Ethernet网接口电路设计

本设计Ethernet网控制器选用DAVICOM公司的DM9000A快速以太网控制器,芯片集成MAC层,配有标准10M/100M自适应接口;内置16K字节的SRAM用作接受发送的FIFO缓存;完全支持IEEE802.3u规格,支持IEEE802.3x全双工流控制模式;支持8/16位两种主机工作模式;支持TCP/IP加速减轻CPU负担,提高整机效能[5]。本设计的电路图如图4所示,DM9000A的EECS引脚保持默认的悬空状态,从而工作在16位模式;另外与核心处理器的连接主要包括16位数据传输端口SD0-SD15、中断请求端口INT、命令端口CMD、读写命令端口IOR和IOW、片选引脚CS以及复位端口PWRST#。

DM9000A实现Ethernet网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能,包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接受噪声抑制、输出脉冲形成、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等;通过内部寄存器配置可以选择网络的单双工模式、网络的传输速率10/100Mbps[6]。DM9000A外部引脚CMD为命令引脚,当CMD=0时,主机接口用作地址端口,当CMD=1,主机接口用作数据端口。地址端口的内容为数据端口的寄存器地址;在访问任何寄存器之前,寄存器的地址必须保存在地址端口中[7]。

DM9000A的工作原理为:系统上电后对DM9000A的NCR、ISR等寄存器进行初始化配置,之后进入数据接收等地状态;当处理器想Ethernet网发送数据时,先将数据打包封装,之后通过16bit总线按字节发送到DM9000A的数据缓冲区,数据信息填充到内部相关寄存器,发送使能命令后,DM9000A自动将数据进行MAC组帧并发送;当接收到Ethernet网数据时,首先检测其合法性,然后将正确的数据帧缓存到内部RAM,并发送中断处理信号使核心处理器接收处理数据。

3 网关软件设计

3.1 CAN总线接口通信模块

CAN总线接口模块软件设计分为控制器初始化、数据发送和接受三部分,基于以上的划分能够完成CAN模块的基本数据通信。

1)CAN控制器初始化

MCP2515正常运行之前必须进行初始化,这需要使其工作在配置模式下。在上电对MCP2515进行复位,使其寄存器和缓存器恢复到默认状态。核心处理器通过SPI总线对CAN控制器的寄存器进行配置完成初始化,可以完成通信速率、中断模式、屏蔽滤波和验收滤波、收发缓冲器的基本配置等。通信速率配置的同时还要设定对总线信号采样的时间点,在配置模式下对MCP2515配置完成之后将其还原到正常模式。

2)CAN数据发送模块

核心处理器将采集到的数据打包成CAN数据帧格式,然后进行数据发送。在MCP2515内部具有三个发送缓冲器,每个缓冲器占用14字节的SRAM,在发送数据时首先判断缓冲器是否空闲,然后载入数据到相应寄存器。在优先级判别之后发送高优先级的数据,并把发送结果返回。数据发送流程如图5所示。

3)CAN数据接收模块

接收模块负责节点报文的接收,接受方式有中断方式和查询方式,由于在煤矿监控系统中,实时性要求很高,因此采用中断方式。节点在软件复位配置完成后切换到正常模式,此时接收缓冲区被清空,控制器开始监视总线上的数据传输。当检测到起始帧将报文载入缓冲器MAB,判断报文有效性,并发送中断请求。数据接收的流程如图6所示。

3.2 Ethernet网接口通信模块

1)数据发送

数据收发是实现网络驱动的两个关键。在系统上电之后,首先要对DM9000A进行初始化配置,使网口处于数据收发等待状态,能够随时传输数据。DM9000A内部RAM地址0000H~0BFFH是发送缓冲去,用来存放发送数据包。该部分空间被分为两个缓存区1和缓存区2。数据发送流程如下:

对于实时性数据采用中断模式发送,首先核心处理器将数据传送到DM9000A的发送缓存区1,并将数据字节数存入数据包长度寄存器,然后请求发送数据,同时数据缓存区2被填充,并且将数据字节长度写入数据包长度寄存器,当数据缓存区1发送完毕开始发送数据缓存区2的数据,依次发送完毕,中断状态寄存器ISR的PTS位置0,核心处理器对其标志位进行清除以便新的数据帧发送。

2)数据接收

DM9000A的接收缓存区采用环形结构,初始化之后起始地址为0C00H,每个接收的数据包都包含有CRC校验域,数据域,4字节包头域[8]。首部4个字节依次是01H,状态,长度低字节和长度高字节。其含义为:第一个字节用于检测接收缓冲区是否有数据,如果是01H表示有数据,是00H表示无数据,其他表示时需对DM9000A进行一次软件复位;第二个字节存储以太网帧状态,可用来判断所接收帧是否正确;第三、四字节存储以太网帧长度;后继字节是有效数据。

在数据接收时,通过DM9000A的设备接口数据到缓冲区,再通过块设备接口将数据发送到用户缓冲区。当有数据接收到时,会激活中断服务子程序,中断服务子程序再将数据读入数据队列,同时将到来数据进行校验,数据正确将发送回复信号。

4 结论

该设计是一种基于ARM的CAN总线与Ethernet网互联的网关软硬件实现方法,主要用于对煤矿井下环境参数信息进行传输和处理,可以实现现场总线和工业以太网接口与井上服务器监控设备进行实时通信。该系统组网简单,适合多种工作场合,能够实时采集、传输和处理数据,运行稳定,控制设备多,对煤矿安全生产有重要意义。

摘要：设计一种用于煤矿井下监控系统的CAN总线到以太网网关。该网关采用S3C6410作为核心处理器,通过以太网控制芯片DM9000A与以太网相连,CAN总线数据收发采用MCP2515控制器,其通过SPI总线与核心处理器通信极大地简化了电路的设计。该网关可以快速简单组网,能够实时采集、传递和处理数据,适用于多种工作场合,运行稳定,效果良好。

关键词：CAN总线,网关,以太网,S3C6410,DM9000A

参考文献

[1]王志秦.基于DSP+ARM的煤矿井下环境监控系统的设计[J].煤炭技术,2011,30(3):150-152.

[2]李楠,周洁敏,黄宁.CAN总线与以太网连接方法研究[J].工业控制计算机,2007,20(1):19-20.

[3]Microchip Technology.MCP2515 DataSheet[M].Microchip,US:Microchip Technology,2005.

[4]Microchip Technology.MCP2551 DataSheet[M].Microchip,US:Microchip Technology,2005.

[5]倪启彦,石建波.TMS320C6713与DM9000A的接口设计与实现[J].微型机与应用,2011,30(4):21-22.

[6]温阳东,石明刚,朱敏.基于DM9000A和LPC2468的嵌入式以太网接口设计[J].合肥工业大学学报,2011,34(5):674-678.

[7]DAVICOM Semiconductor.DM9000A DataSheet[M].Taiwan,China:DAVICOM,2005.

Ethernet论文 篇2

摘要：为实现企业ERP、MES、PCS三层信息一体化的集成以及不同总线产品之间的信息互连、互换、互操作和统一组态，提出了将工业Ethernet技术融合到FCS的观点，并将其成功实施应用，取得了较好的经济效果，实现了工厂信息自动化。阐述了系统设计的关键技术以及设计技巧。

关键词：工业Ethernet控制FCS系统集成工厂信息自动化

随着现代工厂信息自动化进程的加快，企业逐渐将管理、决策、市场信息和现场控制信息结合起来，实现企业资源规划ERP(EnterpriseResourcePlanning)、生产执行系统MES(ManufacturingExecutionsystem)、生产控制系统PCS(ProcessControlSystem)三层信息一体化的解决方案。在PCS设计过程中，通常采用的是现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)。但由于现场总线相互之间兼容性差、生产现场自控设备的种类繁多，导致不同的总线产品之间无法实现互连、互换、统一组态及互操作;而Ethernet具有通用性强、技术成熟、带宽迅速增加等特性。在现场总线控制网络中，将价廉物美的Ethernet设备应用到现场控制网络已成为必然趋势。本文将阐述利用工业Ethernet技术和FCS融合技术实现工厂信息自动化的案例。

1工业Ethernet技术及其在工业中应用的改进[3～4]

现场控制网络要求具有较强的实时性。而Ethernet由于采用的是CSMA/CD协议，使其天生缺乏确定性(Determinism)和鲁棒性(Robustness)，必须对其进行改进方可应用。

(1)将传统的总线式结构改为星形连接结构，并为连接在端口上的每个网络节点提供独立的带宽，使连接在同一交换机的不同节点之间不存在资源争夺，降低总线上数据发生碰撞的次数，增加系统的确定性;

(2)采用数据交换技术，以提供数据缓冲、提高数据网段的智能，降低数据冲撞和重发概率;

(3)采用TCP/IP协议，确保数据安全可靠到达接收方。在网络链路层中所有硬件对TCP/IP的应用是透明的，TCP为传输控制协议，而IP为网际协议。TCP/IP为数据传输提供了可靠的、面向连接的通信，它位于ISO/OSI模型中的网络层，负责将数据信息拆分为固定格式的数据包，并将数据包按一定的路径传输到的接收方，然后在接收方将数据包分解并重新组合成原始的数据信息。

(4)提高Ethernet通信速率，以进一步增强其确定性。通信速率的提高意味着在相同的通信量的条件下网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻又意味着网络确定性的提高。目前，100M甚至1000M的自适应网络已在局域网、城域网中普遍应用，10000M正在研制之中，为工业Ethernet奠定了坚实的基础。

(5)增强Ethernet接插件、交换机、通信电缆等抗干扰能力。由于工业现场环境十分恶劣，采用带屏蔽的双绞线或光纤通信方式是解决此问题行之有效的方法。

可以说，工业Ethernet向控制层通信渗透、应用于过程自动经的监控级、与FCS融合使用已成必然，同时它还可解决大规模系统中实时性和可靠性之间的矛盾。

2设计关键技术

(1)一个网络测控系统最为重要的是要具很强的安全性。如果一个企业的Intranet和Infranet受到恶意攻击，造成生产过程的中断或者生产过程事故，将会造成比金融、电子贸易等网络受到攻击时更为严重的灾难，因此在设计时将网络安全性考虑放到第一位。本设计采用的是具有身份鉴别和报文鉴别特性的数字签名、加密解密技术，同时加入防火墙，而不采用通过操作密码登陆Intranet来赋予不同操作人员的权限方法;

(2)采用基于B/S(Browser/Server)和TCP/IP框架构成WebClient以及TerminalServerClient方式进行远程实时生产过程监控和在线检测设备健康状态，实现了车间的测、控、管的统一，真正实现了工厂信息自动化;

(3)远程监控通过Interent方式实现，而不是通过电话线拨号登陆方式直接与设备相连，从而改善了以往远程监控通过Modem造成的成本费用高、工作效率低、可用性不高以及传输速率低的现象;

(4)使用免IP地址协议技术。由于设计中采用了WebClient和TerminalClient并使用了Internet方式，实现远程监控必须为WebServer或TerminalServer设定IP地址。而在Internet上申请一个固定的IP地址费用十分昂贵，采用免IP地址协议技术，大大降低了企业的设计成本。

3系统设计技术与实施

系统组成框图与网络布线见图1所示。

整个车间采用100M快速以态网为主干，100M到桌面的快速以态网网络系统。而在整个厂级的网络，从当前的100M快速以态网升级为ATM网，系统采用星型网络拓扑结构。各部门交换机采用622MATM接口与主交换机相联，科室与大部门之间通过155MATM接口与主交换机相联，网管工作站、数据库服务器通过100M以态网接口直接与主交换机相联，各部门服务器通过100M以态网接口与部门交换机相联。各部门的其它节点通过Corebuilder3300交换机接收部门交换机上。主交换机与部门交换机之间通过光纤连接，其它用双绞线连接。

3.1B/S(Bowser/Server)模式

为了防止车间级大量的实时在线检测和控制信号发生瓶颈效应、阻塞网络，采用B/S模式，它是借助于HTTP协议和Web技术，由C/S(Client/Server)模式不断改进发展而来的。在B/S模式中，用户的业务逻辑可以放在Web服务器上，使网络流量大大降低;同时，客户端还进一步“瘦”到只有浏览器，极大地减轻了客户端的负担和维护量。从根本上说，B/S模式将C/S模式从二级结构升级为三级结构，使逻辑更为清晰合理。B/S模式带来的优点是：

(1)使用简单、易于维护;

(2)保护企业投资由于B/S模式采用标准的TCP/IP、HTTP协议，它可以与企业的现有网络很好地结合;

(3)信息共享度高HTML是数据格式的一个开放标准，同时采用MIME(MultipurposeInternetMailExtensionprotocol)技术，使Browser可访问多种格式文件;

(4)扩展性好TCP/IP、HTTP的标准性使得B/S模式可直接连入Internet，具有良好的扩展性;

(5)安全性好防火墙技术将保护现代企业网络的安全性。

3.2现场瘦型服务器以及数据传输协议

现场控制单元瘦型服务器选择ADAM5000/TCP[5]，其内部和外部的数据通信几乎没有区别，正是所谓的“网络就是控制器”。在ADAM5000/TCP中，Ethernet是控制器的一部分并作为连接现场智能控制模块的`控制网络。网络集线器被集成在每个控制器中，通过分配空间把内部通信从外部通信中分离开来，此集线器技术和底层协议的集成确保了Ethernet的确定性和兼容性，几乎可以排除数据通信的碰撞问题。把Ethernet系统总线看作是现场总线，它可以连接到每个独立的智能控制模块。整个过程和系统被看成一个逻辑单元，甚至一个独立的现场控制单元，不需考虑网络各层概念，由此就消除了CPU的瓶颈效应。所有数据在网络层中仅表达一次，网络扮演了真正服务器的角色，这正是工业Ethernet能成功地被应用到实时工业控制环境的一大理由，它使网络实现了从现场控制单元到Internet、Intranet、管理层的直接通信。ADAM5000/TCP的特性如下：

・ARM32BitRISCCPU、4MRAM、512kBROM用户区域;

・10/100MBaseT;

・Modbus/TCP、TCP、UDP(UserDatagramProtocol)、IP、ARP(AddressResolutionProtocol)等;

・时间响应时间≤5ms。

要使工业Ethernet很好地和现场总线控制系统融合，必须要考虑现场设备与现场通信协议。综合考虑后，选择了Modbus/TCP协议(ADAM5000/TCP采用的是Modbus/TCP)。它由Scheider公司公布，是把Modbus总线协议捆绑在TCP协议上形成的，因其支持IDA(InterfaceofDistributedAutomation)而被许多厂家或协会支持。IDA采用包括HTTP和XML在内的开放Internet协议，不需要提供地址帧、确认帧等额外信息，仅需要极少量的网络资源，同时还能提供严格的时间同步，因此可以应用于实时性要求较高的工业控制环境。这正是本系统选用ADAM5000/TCP的理由。

3.3OPC的开发应用

OPC(OLCforProcessControl)的基础是Microsoft的OLE、COM以及DCOM技术，它是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放的接口标准和技术规范，支持分布式或异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作。从数据传输角度说，OPC服务器的实质就是一个网关，一方面要从现场设备读取数据，同时还要把来自不同类型的FCS的不同类型的数据转化成统一的OPC数据格式，实现信息系统的集成。由于OPC技术标准比较复杂，目前只有一部分FCS设备提供了OPC的接口驱动。对没有提供OPC接口的现场设备采用ActiveX控件完成。

3.4基于ODBC(OpenDatabaseConnectivity)开放数据库的互联模式

开发基于Web的远程监控系统的关键一点是如何将实时在线生产和检测的重要数据上传到网上，供合法用户浏览，同时又能保证测控网的安全。因此，数据库的连接方式就显得格外重要。利用开放数据库互联技术实现信息集成一般有两种方式：DDE(动态数据互联)和ODBC的信息互联。由于本系统选用的是SQLServer数据库管理系统，为了使B/S模式充分利用企业的Intranet资源、降低成本、方便开发和维护，选择了基于ODBC的互联方式。基于ODBC实现的B/S模式的信息互联方式如图2所示。

3.5负载均衡

Web服务器同Web浏览器之间的信息交换采用的是HTTPS(HypertextTransferProtocolSecure)安全超文本传输协议，保证了它们之间的通信安全。在系统运行时，Web服务器往往要支撑大量而又密集的用户点击和对内容的动态需求，需要在多个服务器设备之间多个站点之间分散服务器的负载，即网络负载均衡问题。

“均衡”是一种横向扩展服务器性能的方法。本系统专门设置一台计算机来接收企业IP地址HTTP请求，并把这些请求分发给网站的各个服务器。这种分发过程通常发生在TCP/IP路由的层次上，可以透明地把这个单一的源/目标IP地址映射到一个特定的服务器上，并通过硬件的方式而不通过软件方式完成。硬件成本虽然高，但映射效率高，可以减缓现场数据的瓶颈效应发生。这种方式比常规的DNS(DomainNameServer)方式好。同时这种方式可以不断地监测Web服务器，如果某一服务器出现了故障，则可以把请求动态地重新定向到功能相同的服务器上，避免了因某一服务器的故障所导致的系统瘫痪，提高了系统可靠性。