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

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