英創信息技術以太網工業控制綜合運用的淺談

以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802.3系列標準相類似。包括標準的以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3。

常見的802.3應用為：

10M：10base-T（銅線UTP模式）

100M：100base-TX（銅線UTP模式）：使用5類數據級無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網技術，使用兩對雙絞線，一對用于發送，一對用于接收數據。在傳輸中使用4B／5B編碼方式，信號頻率為125MHz。符合EIA586的5類布線標準和IBM的SPT1類布線標準，使用同10BASE-T相同的RJ-45連接器，最大網段長度為100米，支持全雙工數據傳輸。

100base-FX（光纖線）：使用光纜的快速以太網技術，可使用單模和多模光纖（62.5和125um）。多模光纖連接的最大距離為550米，單模光纖連接的最大距離為3000米。在傳輸中使用4B／5B編碼方式，信號頻率為125MHz，使用MIC／FDDI連接器、ST連接器或SC連接器，最大網段長度為150m、412m、2000m或更長至10公里，支持全雙工數據傳輸。

1000M：1000base-T（銅線UTP模式）

目前，工控領域應用最廣泛的主要是10M/100M自適應以太網或千兆以太網。

以太網的工作原理

以太網采用載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD ）機制，所有節點都可以看到在網絡中發送的所有信息，其工作流程如下：

1、幀聽信道上是否有信號傳輸。有則繼續幀聽，直到信道空閑為止；沒有則傳輸數據。

2、傳輸時保持幀聽，若發現沖突則執行退避算法，隨機等待一段時間后，重新幀聽；若未發現沖突則持續傳輸至成功。

以太網幀格式

目前最常見的以太網IEEE802.3幀格式如下表：

PreambleSFDdst MACsrc MACLengthTypeData and PadFCS

71662246~15004

Preamble：前導碼，7個字節，用于數據傳輸過程中雙方發送、接收的速率同步

SFD：幀開始符，1個字節，表明下一個字節開始是真實數據（目的MAC地址）

dst MAC：目的MAC地址，6個字節，指明幀的接收者

src MAC：源MAC地址，6個字節，指明幀的發送者

Length：長度，2個字節，指明該幀數據字段的長度，但不代表數據字段長度能夠達到（2^16）字節

Type：類型，2個字節，指明幀中數據的協議類型，比如常見的IPv4中ip協議采用0x0800

Data and Pad：數據與填充，46~1500個字節，包含了上層協議傳遞下來的數據，如果加入數據字段后幀長度不夠64字節，會在數據字段加入“填充”至64字節

FCS：幀校驗序列，4個字節，對接收網卡（主要是檢測Data and Pad字段）提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法，如果發現錯誤，丟棄此幀

互聯網TCP/IP協議棧

TCP/IP協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是國際互聯網絡的基礎，互聯網最基本的協議，由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入互聯網，以及數據如何在它們之間傳輸的標準。TCP/IP協議采用了層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求。

TCP/IPOSI功能協議

應用層應用層文件傳輸，電子郵件，文件服務，虛擬終端TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet等

表示層數據格式化，代碼轉換，數據加密

會話層解除或建立與別的接點的聯系

傳輸層傳輸層提供端對端的接口TCP，UDP

網絡層網絡層為數據包選擇路由IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

鏈路層數據鏈路層傳輸有地址的幀以及錯誤檢測功能SLIP，CSLIP，PPP，MTU

物理層以二進制數據形式在物理媒體上傳輸數據ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

以太網拓撲結構

互聯網設備種類繁多，數量龐大，其入網連接方式決定了網絡環境和工作效率。目前工業領域常用的網絡拓撲結構有：星形、環形、總線形、樹形、網狀等。

星形拓撲結構

星形拓撲結構的整個網絡由中心節點進行管理，各節點間的通信都通過中心節點進行管理和數據轉發。中央節點的主要功能有三項：

（1）節點發出通信請求后，檢查是否有空閑通路以及被叫節點是否空閑，從而決定是否能建立雙方的物理連接

（2）在兩個節點的通信過程中維持通路

（3）當通信完成或者不成功要求拆線時，拆除通路

以太網星形拓撲結構

星形拓撲結構的優點：

（1）控制簡單，連接方便，擴展性好。任一節點只與中央節點相連，易于網絡監控

（2）網絡延遲時間較小，傳輸誤差低

（3）故障診斷和隔離容易。中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個節點的故障只會影響單個設備，不會影響全網

（4）管理方便。中央節點可以對各個節點提供服務和重新配置網絡

星形拓撲結構的缺點：

（1）需要耗費大量的電纜，安裝、維護的工作量大、成本高，通信線路利用率低

（2）功能過于依賴中央節點，中央節點一旦出現故障，則該拓撲結構功能完全癱瘓

（3）各站點的分布處理能力和資源共享能力較低。

環形拓撲結構

在環形拓撲中，各節點通過環路接口連在一條首尾相連的閉合環形通信線路中。任何節點均可以請求發送信息。請求一旦被批準，便可以向環路發送信息。信息沿著環按一定方向從一個節點傳送到另一個節點，每經過一個節點都要判斷是否是發給該節點，是則接收，否則將數據繼續往后傳。

以太網環形拓撲結構

環形拓撲結構的優點：

（1）電纜長度短，只需要將各節點逐次相連，組網成本比其他拓撲結構要較低

（2）每個節點只與相鄰兩個節點有物理鏈路，因此增減節點都很方便

（3）可以使用光纖連接

環形拓撲結構的缺點：

（1）任意一個節點故障都會導致全網癱瘓

（2）故障檢測效率很低，需要各個節點一一排查

（3）介質訪問控制協議采用令牌傳遞的方式，在負載很輕時信道利用率相對較低

總線形拓撲結構

總線形拓撲結構中，所有節點均直接連接到共享的總線上，每個節點均具有收、發功能，總線上信息的目的地址與某節點的接口地址相符合時，該節點便接收信息。

以太網總線形拓撲結構

總線形拓撲結構的優點：

（1）電纜數量少，長度短，布線成本低

（2）結構簡單，增減節點都很方便，擴展性好

（3）多個節點共用一條傳輸信道，信道利用率高，傳輸速率高

（4）可靠性高，單個節點的故障不會影響整個網絡

總線形拓撲結構的缺點：

（1）總線的傳輸距離有限，通信范圍受到限制

（2）故障診斷和隔離較困難，一旦傳輸介質出現故障，就需要將整個總線切斷

（3）分布式協議不能保證信息的及時傳送，不具有實時功能

樹形拓撲結構

樹形拓撲結構實際上是星形拓撲結構的發展和補充，可以認為是多級星形結構組成，具有根節點和各分支節點，適用于分支管理和控制系統。樹形拓撲結構自上而下呈三角形分布，就像一顆樹一樣，采用分級的集中控制方式，其傳輸介質可有多條分支，但不形成閉合回路，每條通信線路都必須支持雙向傳輸。

以太網樹形拓撲結構

樹形拓撲結構的優點：

（1）擴展性好，樹形結構可以延伸出很多分支和子分支，十分便于擴展節點

（2）故障隔離容易，如果某一分支的節點或傳輸介質發生故障，只需隔離該分支即可

樹形拓撲結構的缺點：

各節點對根節點依賴性太大，如果根節點發生故障，則會引起全網癱瘓

網狀拓撲結構

網狀拓撲結構中各節點通過傳輸線互連在一起，每一個節點至少與其他兩個節點相連。根據組網硬件不同，網狀拓撲結構主要有三種：網狀網，主干網和星狀相連網。

以太網網狀拓撲結構

網狀拓撲結構的優點：

（1）任意兩個節點之間至少存在著兩條的通信線路，即便其中之一發生故障，也不影響通信

（2）局部節點故障不會影響整個網絡的運行

（3）節點之間資源共享容易，傳輸延遲小

網狀拓撲結構的缺點：

（1）網絡結構復雜，線纜多，成本高

（2）增減節點很麻煩

（3）如果設置不當，會造成廣播風暴，嚴重時可以使網絡完全癱瘓

（4）故障排查不容易

上述常用的拓撲結構還可以組合起來，組成更為復雜，功能也更為豐富的混合式拓撲結構網絡。

以太網連接方式

以太網設備相互之間可以使用多種接口進行連接，其中最常見的是RJ-45接口。RJ-45接口俗稱水晶頭，采用雙絞線方式進行連接，是目前最普遍采用的網絡接口，廣泛應用在工控主板、工控機、工業終端等控制設備和交換機、路由器、集線器等網絡設備中。

在RJ-45的信號定義中有2對差分信號線：TX（TX+，TX-）和RX（RX+，RX-），分別為以太網的發送和接收數據端。為了保證良好的信號傳輸特性，減少信號衰減和畸變，這兩對信號在PCB板設計中需要進行專門的等長差分處理，如下圖所示。

英創ESMARC底板網絡信號等長差分處理方式

由于網絡應用的特殊性，網絡端口很容易受外界信號的干擾，所以系統的網絡信號必須通過1:1的網絡變壓器以后，才能再接入到RJ45插座上，以阻止通訊線上的共模干擾信號，同時防止直流干擾信號對系統網絡驅動器的損壞。同時，為了進一步提高網絡端口的ESD特性，可以配合設計專用的ESD保護器件，且在PCB設計時，ESD保護器件要盡可能靠近RJ45網絡端口的引腳焊盤。如下圖所示。

英創ESMARC底板上ESD保護器件盡量靠近RJ-45接口

對于有金屬外殼的RJ45網絡插座，建議將金屬外殼連接到設備安裝現場的可靠安全接地點上。如果無法保證現場的安全接地的可靠性，建議將RJ45的金屬外殼通過一顆高壓電容（如：102M/1KV）與板子的地平面相連接。

以太網在英創主板平臺上的應用

以太網在工控領域應用極為廣泛，是工業應用上主流的數據傳輸方式之一。英創工控主板均配備了以太網，此外還可以通過擴展方式支持更多的以太網，以便用戶組建自己的網絡應用產品平臺。

英創主板自帶的以太網

英創主流工控主板均自帶2路獨立的10M/100M以太網，而高端主板ESM6802G支持1路千兆網，用戶可以根據需求進行選擇。

查看英創工控主板

ESM6802G工控主板自帶1路千兆網

ESM6800工控主板自帶2路百兆網

通過擴展模塊獲取更多的以太網

英創工控主板通過ISA擴展總線，可以擴展多種功能接口供客戶使用，例如ETA728和ETA528均能擴展2路獨立以太網。

查看英創以太網擴展模塊

ETA728以太網擴展模塊

ETA528以太網串口擴展模塊

下圖為英創ESM3354開發評估套件擴展16路串口+2路網口的硬件平臺，其中以太網擴展模塊即為ETA728。

查看下圖的應用方案

通過英創工控機/應用底板獲取更多的以太網

英創在售的幾款工控機/應用底板產品，均能提供多路以太網，具體如下：

應用底板型號可提供的以太網

ETA8106路10M/100M自適應以太網

ETA8201路千兆網，1路10M/100M自適應以太網

ETA8301路千兆網，1路10M/100M自適應以太網

查看英創工控機/應用底板

ETA810+ETA806+ESMARC主板組成多網絡工控方案

ETA810多網絡工控方案+機殼組成工控機

歷年來，大量用戶使用英創主板進行以太網通信相關應用，英創也累積了豐富的工程經驗。下面整理出了英創網站發表的相關技術文檔供用戶參考。雖然有一些方案文檔中提到的英創主板是較老的型號，用戶在新產品開發的時候未必會使用這些老主板產品，但是文中的軟硬件使用技巧、編程技巧和方法等技術細節，是值得用戶參考或者直接使用的。

應用方案

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使用方法與技巧

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