仿真器与上位机的以太网数据通信研究

喻绍鸿，张宏俊，王磊，郝丽萍，彭仕伦

贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553000

0 引言

以太网最早是由美国电气和电子工程师协会在20世纪80年代中期共同提出的，也被称作是IEEE802.3标准。以太网是总线型结构的局域网，因此网络中所有节点都要通过相应的硬件接口直接连接到一条公共的电缆上，每个节点都会安装一个网卡和收发器，需要接收总线上的串行信息，并将其转换成并行信息发送到节点，而并行信息会转变成串行信息广播发送到总线上。为了合理运用这种标准的局域网，科研学者对网上的节点数量和传输距离提出了明确要求，但对使用网络介质的要求存在差异。本文研究以工业以太网为例，重点分析仿真器于上位机的以太网数据通信研究成果。

1 工业以太网的国际标准

传统意义上的以太网技术会运用载波监听多路访问/冲突检测的机制，在突发性和间歇性的长报文传输中具有良好表现，但这项机制从本质上讲具有非实时性和非明确性的特征。在节点数量持续增加、负载情况越发严重时，传统意义上的以太网工作效率会持续下降，很难保障信息传输的实时性和可靠性。根据实践调查研究显示，传统以太网的有效带宽应用效率没有超过40%，只能达到秒级实时性[1]。因此，工业以太网在研究时为了解决这一问题，选用了不同的技术原理，从实现方法来看，主要分为三种类型，其中可以达到最高标准的就是C类工业以太网。结合如图1所示的C类以太网从站结构图分析可知，其目的是为了达到更高的性能，因此引用了专用硬件进行集成处理，这也是提高以太网性能的主要原因。同时，过程数据通信协议和TCP/IP协议站可以并行应用，在数据链路层的实时软件核中，能进一步提高系统的实用性实时性。

图1 C类工业以太网从站的结构图

从当前常见的四种工业以太网入手，经过对比分析可以发现EtherCAT在拓扑灵活性上要比其他标准更强，在传输方式上选用了等时传输，在周期性实时报文的处理中要比其他协议更加有效。深入了解技术协议发现，其主要是利用主从介质访问控制方式，在系统中主站控制从站发送或接收数据。主站发送数据报文，从站设备在报文中经过其节点时读取相关的编址数据，同时输入数据也在报文经过时插入到报文中。整个过程的报文只有十几纳秒的时间延迟，在经过所有从站进行数据交换之后，会由EtherCAT网端中的末端从站返回报文[2]。

2 以太网技术研究现状

从本质上讲，工业以太网是指技术上与商用以太网兼容，但是在产品设计时优先考虑选用材质、产品强度、应用适宜性等方面是否符合工业现场需求。在经济全球化发展趋势下，随着互联网技术的全面普及和革新发展，工业以太网技术的传输速率和交换技术得到了有效改善，为解决数据通信的非确定性问题提供了有效依据。由于工业控制网络与普通数据网络之间存在较大差别，必须要充分满足控制作用对实时性的要求，所以在快速以太网与交换式以太网技术飞速发展中，可以学者可以从中掌握更多有价值的研究成果。具体体现在以下几点。

首先，工业以太网的通信速率从原本的10M和100M发展到现如今的1000M和实际，在数据吞吐量一致的条件下，通信速率的提升代表网络负荷下降，网络传输延时减少，由此网络碰撞的概率会越来越小；其次，利用新型网络拓扑结构，让交换机将网络划分为成多个网段。由于工业以太网交换机具备转发和储存等基本功能，所以各端口之间的输入和输出可以得到有效缓冲，不会再频繁发生碰撞现象[3]。同时，交换机还可以对网络传输的数据进行包过滤处理，让每个网段内的节点数据传输只限制在本地网段中，并不需要经过主干网，也不会占用其他网段的带宽，以此降低网络系统运输的负荷；最后，全双工通信可以让端口之间的两段双绞线分别接收和发送报文帧，彼此之间不会出现冲突。将以太网技术运用到工业控制领域中，需要重点考虑其抗干扰性问题是否符合工业现场的恶劣环境需求。比如说，美国Synergetic微系统公司、德国Hirschmann等公司专门设计开发生产了交换机产品和导轨式集线器，主要安装在标准DIN导轨上，并进行冗余电源供电，接插件要选用牢固的DB-9结构。现如今，以太网在工业领域中应用具有软硬件产品丰富、通信速率高、实践价格较低、应用范围较广等独特优势，因此可以应用在工业企业综合自动化系统的资源管理层和执行制造层，并开始逐步向下延伸，未来科研学者将会继续探讨如何在工业现场设备通信中运用以太网技术。

3 仿真器与上位机的以太网数据通信分析

通常来讲，仿真测试是搭配上位机和下位机共同完成的，其中前者代表发出操作指令的计算机，会利用用户操作交互界面向用户呈现反馈数据，常见的设备有手机、电脑、触摸屏等内容；而后者是指接收上位机指令并控制外围设备，将有关信号反馈给上位机[4]。在本文研究项目系统中，上位机代表个人电脑，下位机代表实施仿真器，其本质上属于安装的实时操作系统的特种计算机。为了保障整体系统可以正常运行，上位机和下位机之间的有效通信非常关键，可以选择的通信方式会受下位机影响，因此优先选择以太网数据通信。

3.1 以太网通信

开放式系统互联通信参考模型（OSI）是国际标准化组织提出的一种标准框架，主要是将多种计算机在世界范围内连接到一起构成网络框架，具体结构如图2所示。

结合图2分析可知，这一模型将计算机网络体系结构分成了以下内容。

图2 OSI模型的结构图

第一，应用层（Application Layer）。管理通信设备和网络媒体之间的相互倡廉，要明确通信设备的功能和特性，以此建立维护和拆除物理链路连接。从实践应用角度来看，要结合机械特性明确网络连接时所有接插件的尺寸大小、具体数量、排列状况等基本情况；要结合电气特性明确在物理连接时，传输bit流时线路上信号电平的大小、速率、限制条件等；要结合功能特性合理运用bit流时线路进行传输，也就是指连接时的各项操作[5]。

第二，表示层（Presentation Layer）。这一层次主要是用于数据编码、数据加密、格式转换等操作。会将需要交换的数据从适合某一用户的抽象语法，转变成适合OSI系统内部使用的传送语法，换句话说要提供格式化的表示和数据转换服务。

第三，会话层（Session Layer）。这一层次主要是用来创建管理和维护会话。在接收到传输层的数据之后，要重点建立管理和终止表示层实体之间的通信会话，确保彼此之间的数据交换具有安全性和有效性。从实践应用角度来看，这一层次的通信是由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应构成的。

第四，传输层（Transport Layer）。这一层次主要是用来数据通信。通过让主机端到端之间进行有效连接，可以被网络层和会话层提供透明化的数据传输服务，保障数据信息可以安全完善的传递的网络层。相应的数据单元也被看作是数据包，主要是负责获取所有信息，因此必须要跟踪数据单元碎片和乱序到达的数据包，明确在传输期间可能遇到的安全风险。常见的传输层协议有SPX、UDP、TCP等。

第五，网络层（Network Layer）。这一层次主要是进行IP选址和路由选择。利用路由选择算法可以为通信子网和报文提供适宜的路径；有效控制数据链路层和传输层之间的信息转发、构建、维持和终止网络的连接；数据链路层的数据可以在这一层次转换成数据包，而后将信息从一个网络设备传输到另一个网络设备中[6]。

第六，数据链路层（DataLink Layer）。这一层次要提供介质访问和链路管理，接收源自物理层的位流形式的数据，并丰庄成真后传输到网络层；将网络层的数据真差装成慰留形式的数据转发到物理层；用于管理节点之间建立链路，利用多样化的控制协议，将存在错误的物理性到转变成可依靠且没有差错的数据链路。从实践应用角度来看，这一层次具备流量控制、数据检测、数据成正、重新发送等基本功能。

第七，物理层（Physical Layer）。这一层次主要是为应用程序或用户请求提供多样化的请求服务。物理层代表参考模型的最高层，最接近于系统用户，因此既可以为他们提供不同的应用程序和网络接口，又可以从基础上保障OSI模型运行的安全性。常见的应用层协议包含了SNMP、HTTP、FTP等。

3.2 数据传输

根据事件研究显示，以太网作为常见的计算机局域网技术，也是当前最为普遍的局域网技术之一，结合IEEE组织提出的相应技术标准分析可知，其明确了以太网物理层的连接、介质访问成协议、电子信号等多项内容。在OSI模型当中，以太网技术主要应用在第一层物理层和第二层数据链路层中，会按照技术标准将网络层打包好的数据转变成数据帧，利用合理的物理层及其物理媒介与外界交互应用[7]。

了解数据传输原理可知，上位机会向仿真器发送指令，Matlab/Simulink会配合上位机CPU完成不同层次的数据处理，而后将数据转变成机器码并进行加密处理，上位机网卡需要配合CPU完成各层次的数据打包，并转变成数据帧形式，在经过网线将其传输到仿真器中。而仿真器的网卡会在解析后将数据传输到仿真器CPU中，CPU会配合Simulink Real Time Kernel解析数据信息，并在最终程序中有效执行。仿真器向上位机传输数据时的过程具有一致性。需要注意的是，这一过程，都是由上位机和仿真器内部自动完成的，并不需要进行人为干涉，但在正式测试分析前，需要保障硬件连接具有规范性，相应软件可以保障两者之间的有效通信。

从硬件连接角度来看，在本文研究项目中，仿真器拥有两个网口，其中“Host Link”网口会和上位机进行通信连接，接口种类为1000Base-T。按照相关技术标准分析可知，可以选择非屏蔽双绞线和接口与上位机网口进行有效连接。从以太网的地址配置角度来看，由于上位机和仿真器之间的数据通信可以看作是内部局域网结构，所以不管是上位机还是仿真器，都要在同一网段才能进行有效通信，其中仿真器的IP地址可以直接在仿真器的显示器中进行有效查询。而上位机会包含多个网卡，因此要配置与仿真器有效连接的网卡，具体IP地址可以在网络共享中心的IP设计中修改[8]。

从内核配置角度来看，在实施仿真系统设计中，仿真器的运行软件分为两层，一方面是指实施应用，另一方面是指实施内核。前者是由开发者在上位机Simulink环境下搭建的模型，最终在仿真器中有效运行，而后者是提供仿真器运行所需的环境，为了保障两者之间具有兼容性，两者的内核版本必须要具有一致性，相应的内核传输方式也会随之改变。

以仿真器和上位机为核心的以太网数据通信研究，从实践应用角度来看，具有以下技术特征。①实时应用程序的有效部署。在上位机开发设计相关软件时，要将软件安装到仿真器中进行有效测试，主要探讨其是否具有实时性。②实时应用控制。在实时应用部署的仿真器之后，要利用上位机控制仿真器中的实时应用，具体功能包含两种，一种是指开始，另一种是指停止。③仿真器控制。结合上位机提出的指令可以有效控制仿真器，或更新仿真器内部的实施内核。④参数标定。在实时应用工作状态下，可以利用上位机访问或调整实时应用当中的各项参数。⑤数据记录。在实施应用过程中，仿真器可以经过以太网向上位机传输目前的信号和参数，整体保障数据通信具有安全性和完善性。

4 结语

综上所述，在研究中了解以太网技术和仿真器、上位机之间的关系，明确以太网通信在OSI模型中的映射和具体通信流程，有助于为现代以太网技术研究提供有效依据。因此，我国科研学者在重视以太网数据通信研究工作的同时要从现代经济和技术革新角度入手，加强专业技术人才的培养力度，学习借鉴国内外先进技术研究成果，将以太网逐渐渗透到人类生活和工作的方方面面，以此在全面推进中成为全球经济建设发展的主导趋势。同时，要明确以仿真器和上位机为核心的以太网数据通信研究价值，注重结合以往累积经验继续深层挖掘，从不同领域的发展需求入手，选择适宜的仿真模拟方案，对比研究以太网数据通信的功能特性，以此提高我国以太网数据通信的发展水平。