工业以太网接口及其实现研究

摘要：工业以太网克服了现场总线存在的成本高、通信速度低、支持应用有限以及不同总线产品不能相互连通、共用等缺陷，取代了现场总线，应用到工业控制领域中。现简要介绍了目前比较流行的几种工业以太网，针对这些工业以太网提出了3种实现方案，并对这3种方案的适用领域进行了简单比较：带Ethernet控制器的嵌入式处理器芯片适用于一般的中小型工业以太网系统;专用芯片适用于开发周期短、时间要求高的工业以太网;FPGA灵活性非常好，在工业以太网领域适用范围广泛。

关键词：工业以太网;接口实现;协议

0 引言

随着设备自动化的发展，现场总线已经被越来越广泛地应用于自动化系统中。然而，现场总线种类繁多、通信速度较低且成本较高，每类现场总线支持的应用有限，不同总线产品不能相互连通、不能互用。因此，这在一定程度上限制了现场总线在自动化系统及工控网络中的应用。近年来，以太网技术不仅在商用领域，还在工业控制领域得到了飞速发展。尤其是高速以太网，可以直接进入工控领域成为工业以太网，工业以太网相较于各种现场总线，成本较低，并且能解决各类现场总线无法互通互用的问题，使得人们越来越多地用以太网设备去代替昂贵的工业网络设备。

1 标准以太网

1.1    以太网简介

以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准。它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10 Mbps，传输介质为同轴电缆。

以太网是于20世纪70年代为解决网络中零散的、偶然的堵塞冲突而开发的。现在以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。

1.2    IEEE 802.3标准

IEEE 802.3标准是以最初的以太网技术为基础开发成功的，以太网提供的服务对应于OSI参考模型的物理层和数据链路层，而IEEE 802.3提供的服务对应于OSI参考模型的物理层PHY和数据链路层的MAC部分（MAC与LLC共同构成数据链路层）。

以太网的PHY层主要分为以下类别：早期的10 Mbit/s和1 Mbit/s的以太网、100 Mbit/s的快速以太网以及Gigabit等更高速的以太网。

对于早期的以太网应用，MAC层与PHY层之间通过AUI接口相连，而且使用同轴电缆作为传输媒介;对于快速以太网，传输媒介采用双绞线，MAC层与PHY层之间通过MII接口连接。由于MII信号线太多，因此衍生出许多简化的标准，如RMII、SMII等。

1.3    以太网网络结构

根据IEEE 802.3标准定义，以太网可采用半双工及全双工模式进行数据传输，对于半双工模式需要CSMA/CD技术的支持，全双工模式则不需要。对于以太网来说，具有Repeater、Hub、Switch、Bridge等连接设备。

Hub是Repeater（中继器）的一种，实现网络节点之间物理信号的双向转发，完成信号的复制，调整和放大信号，两者的主要区别是Hub实现多端口信号转发，而Repeater只能实现两端口信号转发。

Switch是Bridge（网桥）的一种，工作在数据链路层，能起到过滤帧的作用，两者的主要区别是Switch实现多端口数据交换，Bridge只能实现两端口数据交换。

Switch与Hub相比较，Hub工作在物理层，而Switch工作在数据链路层，能够实现帧的存储过滤，可避免网络风暴，但网络延时比Hub大。

以太网常见的拓扑结构包括星型结构、总线结构、环形结构、树形结构、网状结构等。星型结构以中心节点为控制中心，网络可靠性低;总线结构将所有的节点用总线相连，共享能力较强，但是实施性较差;环形结构一般在局域网中使用，信息单向流动，实施性较强;树形结构也就是分级的集中式网络，结构简单，但同星型结构一样可靠性低;网状结构是一种无规定的连接方式，一般用于广域网的组网，结构复杂，可靠性高。

2 工业以太网简介

工业以太网区别于商用以太网（IEEE 802.3标准），主要应用于工业控制领域，但在技术上两者兼容，其与商用以太网的主要区别在于，它必须满足工业控制对实时性、可靠性和抗干扰性的要求，满足工业现场环境的适应性要求等。

以太网用于商用领域时，应用层主要包括HTTP、FTP、SNMP等常用協议;以太网用于工业控制领域时，应用层主要考虑通信的实时性、准确性。目前为止，现场总线还没有统一的应用层协议，主流的工业以太网协议主要有以下几种：Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

2.1    Ethernet/IP简介

Ethernet/IP实时以太网是由ControlNet国际组织CI、工业以太网协会IEA和开放的DeviceNet供应商协会ODVA等共同开发的工业网络标准。Ethernet/IP实时扩展成功之处在于其在TCP/IP之上附加CIP（Common Industrial Protocol），并在应用层进行实时数据交换和运行的实时应用。ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP都使用该协议进行通信。Ethernet/IP协议基于IEEE 802.3标准规定的物理层和数据链路层。Ethernet/IP协议结构图如图1所示。

2.2    Profinet简介

Profinet实时以太网是基于以太网的自动化标准，由国际组织Profibus International提出，是从2004年4月开始，由Profibus International与Interbus Club合作开发与制定的标准。Profinet构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案。

Profinet以太网协议的主要特点在于，它定义了3种不同的协议通道：普通的TCP/IP协议通道，响应时间控制在100 ms内，用于信息集成或过程自动化;RT协议通道，响应时间控制在10 ms以内，用于工厂自动化;IRT协议通道，响应时间控制在1 ms内，用于运动控制。

Profinet协议结构图如图2所示。

2.3    EtherCAT简介

EtherCAT实时以太网是由EtherCAT技术协会ETG提出并推廣的工业以太网标准。EtherCAT技术除了兼容以太网技术，还有其自身的独特性：EtherCAT协议可与以太网协议并存，而且能与所有的协议共同存储在相同的物理层介质中。标准的以太网设备可通过交换机端子连接至一个EtherCAT系统，该端子不会影响循环时间。配备传统现场总线接口的设备可通过EtherCAT现场总线主站端子的连接集成到网络中。EtherCAT是一个完全开放的协议，它已被认定为正式的IEC规范（IEC/PAS 62407）。

EtherCAT协议结构图如图3所示。

2.4    Ethernet POWERLINK简介

Ethernet POWERLINK实时以太网是由Ethernet POWERLINK标准国际组织EPSG提出并进一步研发的工业网络标准。POWERLINK的通信实时性较强，是商用IEEE 802.3以太网标准协议的扩展，它的实时数据传输速率能达到微秒级。不同于其他的工业以太网系统，POWERLINK实时以太网主要基于软件解决，硬件上完全兼容IEEE 802.3标准的商用以太网。因此，POWERLINK集合了商用以太网的所有优点，同时能使用商用以太网的测试及诊断工具进行测试，降低了成本。为了获得实时能力，POWERLINK采取混合轮询和时隙管理过程，它仅允许一次一个节点来发送数据，优点在于它组织了一个类似圆桌会议的通信方式，一个仲裁人或主持人协调参与者进行他们各自的陈述。

POWERLINK协议结构图如图4所示。

2.5    IEEE 1588简介

IEEE 1588并不是实时以太网（RTE）通信协议，这一标准附加在RTE或者以太网之上。IEEE 1588精确时间协议（PTP）通过以太网为分布式控制节点，提供准确的实时时钟同步功能。

Profinet IRT以及CIP Sync所采用的时间同步协议均基于IEEE 1588标准。

IEEE 1588标准定义了3种时钟：主时钟Grandmaster Clock（GMC），是整个子网系统中最精确的时钟;边界时钟Boundary Clcok（BC），用于Hub与Switch等多端口设备;普通时钟Ordinary Clock（OC），用于单个端口设备。

IEEE 1588时钟类型示意图如图5所示。

3 工业以太网实现方案

工业自动化控制系统正在朝网络结构离散化、网络系统复杂化、内部互联高速化方向发展，所有的系统都能作为互联网络中的单一节点进行控制。在所有的网络技术中，由于以太网可以一直延伸到企业现场设备的控制层，因此工业以太网已经成为工业控制领域的最佳网络解决方案，嵌入式系统中工业以太网接口的实现已经成为必然。本节主要阐述工业以太网接口的实现方案。

3.1    带以太网接口的嵌入式处理器

目前，为了满足最小系统能够接入网络的要求，很多厂家的嵌入式处理器芯片都开始集成Ethernet控制器，设计者可以方便地进行以太网接口的设计开发，将嵌入式系统接入以太网，带Ethernet接口，嵌入式处理器的以太网实现方案如图6所示。

目前，很多公司的嵌入式处理器芯片都开始集成Ethernet控制器，以满足嵌入式系统接入以太网的需求。通常这些嵌入式处理器芯片都带一个Ethernet MAC，通过MII/RMII接口与外部PHY芯片相连，完成嵌入式系统接入以太网的功能。这类嵌入式处理器芯片一般都带多种其他功能的外设，且价格适中，适用于需要接入以太网的普通中小型系统。

3.2    专用芯片方案

为了满足嵌入式产品接入以太网的需求，现在很多工业自动化公司提供智能化的解决方案及工业以太网专用芯片，设计者可以直接利用以太网专用芯片完成以太网接口的设计开发，节省大量的人力、物力、财力，将注意力集中在更核心的技术上。目前，提供以太网专用芯片的公司主要有Hilscher公司和HMS公司。

netX是Hilscher公司为以太网接口提供的一个智能化解决方案，是一种高度集成的网络控制器，它具有全新的系统优化结构，在一个芯片上就可以支持主流的现场总线和工业以太网，例如：CANopen、CIP、Profinet、MVB等总线。netX具有以太网接口，内部集成PHY和交换机Switch功能。同时，Hilscher还提供各种协议栈软件源码，能够满足各种工业以太网协议需求。

HMS公司同样提供工业以太网专用芯片及专用模块，能够实现各种工业以太网协议，集成度高，开发方便。

使用专用以太网芯片进行电路设计，可以使设计者将有限的资源集中在核心竞争力上，短期内开发出比竞争对手性能更高、价格更低的产品。

3.3    FPGA方案

很多工业以太网协议需要对应的软件协议支持，某些高性能的工业以太网协议还需要特定的硬件支持，所以开发出支持多种工业以太网协议的通用硬件平台相对较难。当需要新的工业以太网ASIC/ASSP器件时，必须开发电路板，带来了和新硬件相关的成本以及时间问题。如果遇到以太网协议更新，则需要重新开发电路板，开发周期变长，开发成本增大。所以，这类解决方案由于存在时间成本与开发成本方面的问题，难以在短时间内同步实现协议更新，功能升级。因此，考虑选用硬件可配置的FPGA来实现工业以太网接口，满足协议的灵活更新等要求。

基于FPGA的以太网实现方案如图7所示。

各种不同的工业以太网协议基本都是基于IEEE 802.3标准实现，并且以太网物理层相同，可以通过FPGA与外围硬件搭建一个基本的物理层应用平台，通过在FPGA中实现不同的工业以太网协议保证其通用性，如遇协议更新，仅需通过更新FPGA中的软件即可快速实现升级迭代。

FPGA的供应商Altera、Xilinx均提供工业以太网解决方案及相应的IP核，针对实现不同的工业以太网协议，只需要对FPGA进行重新配置即可完成设计，更改周期短，硬件平台灵活。

3.4    方案比较

由3.1、3.2、3.3可知，可以通过带有Ethernet控制器的处理器芯片、专用芯片或者FPGA来实现工业以太网接口，三者有其各自的优缺点：

带Ethernet控制器的处理器芯片一般都带其他多种功能的外设，且价格相对较便宜，适用于需要接入以太网的中小型系统;专用芯片价格较昂贵，但开发难度小，适用于开发周期短、时间要求高的以太网应用;FPGA灵活性非常好，可以在单一硬件平台上支持多种工业以太网协议，因此在工业以太网领域适用范围极其广泛，也极具应用前景。

4 结语

工业以太网使用基于以太网的协议实现工业控制系统中实时、可靠的通信，在工控系统的各个节点之间实现数据的高速、可靠互传，完成工控系统之间，甚至工控系统与商用系统之间的网络互连。

目前，工业以太网的通信环境尚未统一，通信协议包括Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Modbus/

TCP、SERCOS III等。

本文介绍了3种工业以太网接口的实现方案：带Ethernet控制器的嵌入式处理器芯片一般都带多种其他功能的外设，且价格相对较便宜，适用于需要接入以太网的中小型系统;专用芯片价格较昂贵，但开发难度小，适用于开发周期短、时间要求高的以太网应用;FPGA灵活性非常好，可以在单一硬件平台上支持多种工业以太网协议，在工业以太网领域适用范围极其广泛。

[参考文献]

[1] 于仲安，严慕秋.工业以太网技术的应用探讨[J].工业控制与自动化.2006（1）：43-47.

[2] 高丽，林里，孔若英.Ethernet/IP在工业控制领域的应用研究[J].电脑知识与技术，2007（2）：423-424.

[3] 陈海东.开放、透明的自动化通信解决方案——Profinet实时工业以太网简介[J].自动化博览，2004（4）：32-34.

[4] 郇极，肖文磊，刘艳强.工业以太网EtherCAT冗余和热插拔技术[J].北京航空航天大学学报，2009，35（2）：158-161.

[5] 王相周，陈华婵.IEEE 1588精确时间协议的研究与应用[J].计算机工程与设计，2009（8）：1846-1849.

收稿日期：2020-05-28

作者簡介：陆驰宇（1978—），男，江苏苏州人，工程师，研究方向：机电一体化、工业控制、嵌入式控制、现场总线。