英创信息技术以太网工业控制综合运用的浅谈

       以太网是什么

　　以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网。它们都符合IEEE802.3。

　　常见的802.3应用为：

　　10M：10base-T（铜线UTP模式）

　　100M：100base-TX（铜线UTP模式）：使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术，使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B／5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT1类布线标准，使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器，最大网段长度为100米，支持全双工数据传输。

　　100base-FX（光纤线）：使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5和125um）。多模光纤连接的最大距离为550米，单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B／5B编码方式，信号频率为125MHz，使用MIC／FDDI连接器、ST连接器或SC连接器，最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里，支持全双工数据传输。

　　1000M：1000base-T（铜线UTP模式）

　　目前，工控领域应用最广泛的主要是10M/100M自适应以太网或千兆以太网。

　　以太网的工作原理

　　以太网采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD ）机制，所有节点都可以看到在网络中发送的所有信息，其工作流程如下：

　　1、帧听信道上是否有信号传输。有则继续帧听，直到信道空闲为止；没有则传输数据。

　　2、传输时保持帧听，若发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新帧听；若未发现冲突则持续传输至成功。

　　以太网帧格式

　　目前最常见的以太网IEEE802.3帧格式如下表：

　　PreambleSFDdst MACsrc MACLengthTypeData and PadFCS

　　71662246~15004

　　Preamble：前导码，7个字节，用于数据传输过程中双方发送、接收的速率同步

　　SFD：帧开始符，1个字节，表明下一个字节开始是真实数据（目的MAC地址）

　　dst MAC：目的MAC地址，6个字节，指明帧的接收者

　　src MAC：源MAC地址，6个字节，指明帧的发送者

　　Length：长度，2个字节，指明该帧数据字段的长度，但不代表数据字段长度能够达到（2^16）字节

　　Type：类型，2个字节，指明帧中数据的协议类型，比如常见的IPv4中ip协议采用0x0800

　　Data and Pad：数据与填充，46~1500个字节，包含了上层协议传递下来的数据，如果加入数据字段后帧长度不够64字节，会在数据字段加入“填充”至64字节

　　FCS：帧校验序列，4个字节，对接收网卡（主要是检测Data and Pad字段）提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧

　　互联网TCP/IP协议栈

　　TCP/IP协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是国际互联网络的基础，互联网最基本的协议，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入互联网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP协议采用了层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

　　TCP/IPOSI功能协议

　　应用层应用层文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet等

　　表示层数据格式化，代码转换，数据加密

　　会话层解除或建立与别的接点的联系

　　传输层传输层提供端对端的接口TCP，UDP

　　网络层网络层为数据包选择路由IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

　　链路层数据链路层传输有地址的帧以及错误检测功能SLIP，CSLIP，PPP，MTU

　　物理层以二进制数据形式在物理媒体上传输数据ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

　　以太网拓扑结构

　　互联网设备种类繁多，数量庞大，其入网连接方式决定了网络环境和工作效率。目前工业领域常用的网络拓扑结构有：星形、环形、总线形、树形、网状等。

　　星形拓扑结构

　　星形拓扑结构的整个网络由中心节点进行管理，各节点间的通信都通过中心节点进行管理和数据转发。中央节点的主要功能有三项：

　　（1）节点发出通信请求后，检查是否有空闲通路以及被叫节点是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接

　　（2）在两个节点的通信过程中维持通路

　　（3）当通信完成或者不成功要求拆线时，拆除通路

　　

　　以太网星形拓扑结构

　　星形拓扑结构的优点：

　　（1）控制简单，连接方便，扩展性好。任一节点只与中央节点相连，易于网络监控

　　（2）网络延迟时间较小，传输误差低

　　（3）故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个节点的故障只会影响单个设备，不会影响全网

　　（4）管理方便。中央节点可以对各个节点提供服务和重新配置网络

　　星形拓扑结构的缺点：

　　（1）需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量大、成本高，通信线路利用率低

　　（2）功能过于依赖中央节点，中央节点一旦出现故障，则该拓扑结构功能完全瘫痪

　　（3）各站点的分布处理能力和资源共享能力较低。

　　环形拓扑结构

　　在环形拓扑中，各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中。任何节点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。信息沿着环按一定方向从一个节点传送到另一个节点，每经过一个节点都要判断是否是发给该节点，是则接收，否则将数据继续往后传。

　　

　　以太网环形拓扑结构

　　环形拓扑结构的优点：

　　（1）电缆长度短，只需要将各节点逐次相连，组网成本比其他拓扑结构要较低

　　（2）每个节点只与相邻两个节点有物理链路，因此增减节点都很方便

　　（3）可以使用光纤连接

　　环形拓扑结构的缺点：

　　（1）任意一个节点故障都会导致全网瘫痪

　　（2）故障检测效率很低，需要各个节点一一排查

　　（3）介质访问控制协议采用令牌传递的方式，在负载很轻时信道利用率相对较低

　　总线形拓扑结构

　　总线形拓扑结构中，所有节点均直接连接到共享的总线上，每个节点均具有收、发功能，总线上信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时，该节点便接收信息。

　　

　　以太网总线形拓扑结构

　　总线形拓扑结构的优点：

　　（1）电缆数量少，长度短，布线成本低

　　（2）结构简单，增减节点都很方便，扩展性好

　　（3）多个节点共用一条传输信道，信道利用率高，传输速率高

　　（4）可靠性高，单个节点的故障不会影响整个网络

　　总线形拓扑结构的缺点：

　　（1）总线的传输距离有限，通信范围受到限制

　　（2）故障诊断和隔离较困难，一旦传输介质出现故障，就需要将整个总线切断

　　（3）分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能

　　树形拓扑结构

　　树形拓扑结构实际上是星形拓扑结构的发展和补充，可以认为是多级星形结构组成，具有根节点和各分支节点，适用于分支管理和控制系统。树形拓扑结构自上而下呈三角形分布，就像一颗树一样，采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须支持双向传输。

　　

　　以太网树形拓扑结构

　　树形拓扑结构的优点：

　　（1）扩展性好，树形结构可以延伸出很多分支和子分支，十分便于扩展节点

　　（2）故障隔离容易，如果某一分支的节点或传输介质发生故障，只需隔离该分支即可

　　树形拓扑结构的缺点：

　　各节点对根节点依赖性太大，如果根节点发生故障，则会引起全网瘫痪

　　网状拓扑结构

　　网状拓扑结构中各节点通过传输线互连在一起，每一个节点至少与其他两个节点相连。根据组网硬件不同，网状拓扑结构主要有三种：网状网，主干网和星状相连网。

　　

　　以太网网状拓扑结构

　　网状拓扑结构的优点：

　　（1）任意两个节点之间至少存在着两条的通信线路，即便其中之一发生故障，也不影响通信

　　（2）局部节点故障不会影响整个网络的运行

　　（3）节点之间资源共享容易，传输延迟小

　　网状拓扑结构的缺点：

　　（1）网络结构复杂，线缆多，成本高

　　（2）增减节点很麻烦

　　（3）如果设置不当，会造成广播风暴，严重时可以使网络完全瘫痪

　　（4）故障排查不容易

　　上述常用的拓扑结构还可以组合起来，组成更为复杂，功能也更为丰富的混合式拓扑结构网络。

　　以太网连接方式

　　以太网设备相互之间可以使用多种接口进行连接，其中最常见的是RJ-45接口。RJ-45接口俗称水晶头，采用双绞线方式进行连接，是目前最普遍采用的网络接口，广泛应用在工控主板、工控机、工业终端等控制设备和交换机、路由器、集线器等网络设备中。

　　在RJ-45的信号定义中有2对差分信号线：TX（TX+，TX-）和RX（RX+，RX-），分别为以太网的发送和接收数据端。为了保证良好的信号传输特性，减少信号衰减和畸变，这两对信号在PCB板设计中需要进行专门的等长差分处理，如下图所示。

　　

　　

　　英创ESMARC底板网络信号等长差分处理方式

　　由于网络应用的特殊性，网络端口很容易受外界信号的干扰，所以系统的网络信号必须通过1:1的网络变压器以后，才能再接入到RJ45插座上，以阻止通讯线上的共模干扰信号，同时防止直流干扰信号对系统网络驱动器的损坏。同时，为了进一步提高网络端口的ESD特性，可以配合设计专用的ESD保护器件，且在PCB设计时，ESD保护器件要尽可能靠近RJ45网络端口的引脚焊盘。如下图所示。

　　

　　英创ESMARC底板上ESD保护器件尽量靠近RJ-45接口

　　对于有金属外壳的RJ45网络插座，建议将金属外壳连接到设备安装现场的可靠安全接地点上。如果无法保证现场的安全接地的可靠性，建议将RJ45的金属外壳通过一颗高压电容（如：102M/1KV）与板子的地平面相连接。

　　以太网在英创主板平台上的应用

　　以太网在工控领域应用极为广泛，是工业应用上主流的数据传输方式之一。英创工控主板均配备了以太网，此外还可以通过扩展方式支持更多的以太网，以便用户组建自己的网络应用产品平台。

　　英创主板自带的以太网

　　英创主流工控主板均自带2路独立的10M/100M以太网，而高端主板ESM6802G支持1路千兆网，用户可以根据需求进行选择。

　　查看英创工控主板

　　

　　

　　ESM6802G工控主板自带1路千兆网

　　ESM6800工控主板自带2路百兆网

　　通过扩展模块获取更多的以太网

　　英创工控主板通过ISA扩展总线，可以扩展多种功能接口供客户使用，例如ETA728和ETA528均能扩展2路独立以太网。

　　查看英创以太网扩展模块

　　

　　

　　ETA728以太网扩展模块

　　ETA528以太网串口扩展模块

　　下图为英创ESM3354开发评估套件扩展16路串口+2路网口的硬件平台，其中以太网扩展模块即为ETA728。

　　查看下图的应用方案

　　

　　通过英创工控机/应用底板获取更多的以太网

　　英创在售的几款工控机/应用底板产品，均能提供多路以太网，具体如下：

　　应用底板型号可提供的以太网

　　ETA8106路10M/100M自适应以太网

　　ETA8201路千兆网，1路10M/100M自适应以太网

　　ETA8301路千兆网，1路10M/100M自适应以太网

　　查看英创工控机/应用底板

　　

　　

　　ETA810+ETA806+ESMARC主板组成多网络工控方案

　　ETA810多网络工控方案+机壳组成工控机

　　历年来，大量用户使用英创主板进行以太网通信相关应用，英创也累积了丰富的工程经验。下面整理出了英创网站发表的相关技术文档供用户参考。虽然有一些方案文档中提到的英创主板是较老的型号，用户在新产品开发的时候未必会使用这些老主板产品，但是文中的软硬件使用技巧、编程技巧和方法等技术细节，是值得用户参考或者直接使用的。

　　应用方案

　　基于ESM3354的16路串口+2路网口扩展方案6路独立网口+14路串口的通讯管理机实现方案

　　使用方法与技巧

　　WinCE工控主板的网络安全管理ARM9工控主板WinCE应用程序的远程FTP自动更新

　　基于WinCE的WIFI无线网卡应用方案ARM9工控板在远程监控中的应用之一——利用COM组件远程更改设备配置文件

　　工控远程智能终端的双网络选路方案ARM9工控板在远程监控中的应用之二——利用COM组件远程设置网络参数

　　ARM9工控主板支持断点续传的FTP文件传送ARM9工控主板支持断点续传的应用程序FTP远程自动更新方案

　　基于WinCE的无线网卡配置方法网络双绞线之直通线和交叉线制作的线序排列

　　基于嵌入式Linux的网络终端应用程序设计ARM Linux环境下多连接TCP服务器的编程

　　英创工控主板网络变压器连接方法英创工控主板网络变压器连接方法之二

　　嵌入式工控主板VPN应用简介英创工控主板SNTP网络校时功能

　　WinCE远程桌面英创Linux工控主板支持3G网卡

　　英创Linux主板Qt网络应用程序简介高性能FTP服务器在英创Linux工控主板上的移植

　　英创工控主板WinCE应用程序的FTP远程更新在WinCE系统中添加任意型号3G网卡

　　WinCE工控主板双网口级联应用——双网卡网桥的建立英创Linux嵌入式工控主板支持4G网卡

　　EM335x工控主板四网络扩展方案介绍在ESM335x WEC7上实现4路以太网接口

　　英创工控主板双网络冗余方案WinCE重置网络的方法

　　Linux工控主板的一种环形菊花链网络方案网络接口（RJ45）布线设计简要说明

　　双网口+8串口扩展模块ETA528WinCE主板多网络优先级设置

　　Linux主板多网络的优先级设置