ethernet

Ethernet／IP协议简介

目录

1现场总线控制技术与工业以太网........................................................................................-0-

2工业以太网实时性问题........................................................................................................-2-

2.1通讯确定性和实时性技术...........................................................................................-2-

3Ethernet／IP协议简介..........................................................................................................-3-

3.1Ethernet／IP工业以太网..............................................................................................-3-

3.1.1Ethernet／IP协议模型及协议内容...................................................................-4-

3.1.2EtherNet/IP通信机制........................................................................................-6-

3.2ProfitNet工业以太网.................................................................................................-6-

3.2.1基本介绍............................................................................................................-6-

3.2.2实时通信............................................................................................................-7-

3.2.3PROFINET..........................................................................................................-8-

3.2.4安全....................................................................................................................-8-

3.3Modbus-IDA工业以太网........................................................................................-10-

3.3.1基本信息..........................................................................................................-10-

3.3.2特点..................................................................................................................-11-

3.3.3传输方式..........................................................................................................-12-

3.3.4CRC...................................................................................................................-13-

3.4Controlnet工业以太网.............................................................................................-15-

3.4.1原理..................................................................................................................-15-

3.4.2ControlNet网络................................................................................................-16-

3.4.3控制网国际有限公司......................................................................................-17-

3.4.4可建造ControlNet设备..................................................................................-17-

3.5WorldFIP工业以太网.............................................................................................-18-

3.5.1概述..................................................................................................................-18-

3.5.2WorldFip特点..................................................................................................-19-

3.5.3WorldFip协议.................................................................................................-20-

3.5.4WorldFip总线典型器件..................................................................................-20-

3.5.5开发工具..........................................................................................................-21-

3.5.6目前存在一些问题和应用前景......................................................................-22-

4Ethernet／IP通信适配器硬件设计与实现.......................................................................-23-

4．1硬件系统总体架构..................................................................................................-23-

4．2电源设计...................................................................................................................-24-

4．3复位电路设计...........................................................................................................-24-

4．4以太网通讯接口设计...............................................................................................-25-

4．4．1以太网电路原理.........................................................................................-25-

4．4．2以太网芯片CS8900A-IQ3功能描述........................................................-26-

4.5串行通讯接口设计......................................................................................................-27-

4．6主从USB接口设计..............................................................................................-28-

4．7外部I／0扩展接口设计........................................................................................-28-

5EtherNet/IP工业以太网优缺点及发展前景.....................................................................-29-

Ethernet／IP协议简介

1现场总线控制技术与工业以太网

20世纪90年代以后随着现场总线控制技术逐渐成熟，智能化与功能自治性

现场设备广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了

现场总线。

现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来。它初衷是用数字

通讯代替4--20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化

(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)发展，在控制领域内引起了一场前所

未有革命。

控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统主流。然而在控制界对

FCS进行概念炒作时候，却注意到它发展在某些方面不协调，其主要表现在迄今

为止现场总线通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年纷争，最后IEC现场

总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，

即：FFH1，ControlNet，ProfiBus，InterBus，P．Net，WorldFIP，SwiftNet，

FF之高速EtherNet即HSE。这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商仪表设

备难以在不同FCS中兼容。此外，FCS传输速率也不尽人意，以基金会现场总

线(FF)正在制定国际标准为例，它采用了ISO参考模型中3层(物理层、数据链

路层和应用层)和极具特色用户层，其低速总线H1传输速度为31．25kbps，高

速总线H2传输速度为1Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控

制要求。又如广泛用于汽车行业Can总线

系统，其最高传输速率为1Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。

由于上述原因，使FCS在工业控制中推广应用受到了一定限制。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面优势，由于它

支持几乎所有流行网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网

采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实

时性要求较高场合下，重要数据传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网“不

确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中传输延滞在2～30ms之间，这是

影响以太网长期无法进入过程控制领域重要原因之一。因此对以太网研究具有工

程实用价值，从而产生了一种新型针对工业控制领域以太网一工业以太网。

由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用

Ethernet／IP协议简介

支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中信息层与控制

层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场趋势。从目前国

际、国内工业以太网技术发展来看，目前工业以太网在控制层已得到广泛应用，

并成为事实上标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中现场设备之

间互连和信息集成中发挥越来越重要作用。

工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式市场，推动其发

展两大动力是：光纤环网应用、分布智能装置仪表。

光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件本

质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达

工业现场层，第一次成为真正FieldBus；第二，通过环网冗余提高以太交换

可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高应用环境中。

而分布智能装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性诟病。首先，

光纤环网千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受时间内交换，对

于大部分工业生产信息，在100ms时滞都是可以接受。而如果所有控制均需要

通过集中方式进行，显然这个时滞又太大了。可喜是，工业控制装置和智能仪表

正在向分布式发展。这种发展趋势，导致大量本地控制指令不需要通过冗长总线

来传输，而是由仪表或装置本地计算完成，这就不需要通过数据交换方式苛刻地

要求工业以太网确定时延。

Ethernet／IP协议简介

2工业以太网实时性问题

工业以太网有着许多令人所信服优点。但是传统商业以太网技术应用到工业

现场仍然有着或多或少不足和缺陷，经过许多研究机构和工程技术人员不懈努力

和对关键技术研究，使传统以太网技术不断改进来满足工业现场控制要求。这些

关键技术包括通信确定性和实时性技术、系统稳定性技术、系统互操作性技术、

网络安全性技术、总线供电及本质安全与安全防爆技术等。下面就确定性和实时

性做一些介绍。

2.1通讯确定性和实时性技术

传统以太网采用总线式拓扑结构和多路存取载波侦听／碰撞(CSMA／C通

讯方式，即网络上每个节点都通过竞争方式来获取发送信息报文权利，节点通过

监听信道，当发现信道空闲时则把待发信息报文发送出去，如果信道忙则处于等

待状态。在发送信息后检测是否发生了碰撞，如果出现则退出信道等待重发。不

难想象当网络负荷比较重时候大量节点都在尝试重发进而导致网络堵塞，使一些

节点信息长时间得不到发送，这种特性称为以太网不确定性。研究表明：传统以

太网在工业控制中传输延迟，对数据传送要求很高场合是不能够应用，这也影响

了以太网技术在工业底层控制网络中应用。

随着以太网技术不断发展，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到

了工业现场实时控制要求。

首先，在网络拓扑结构上采用了星形连接代替总线型连接。图1示意了两种不

同网络拓扑结构。其中星形连接用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段

(Segment)，在每个网段上以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接

起来，这样挂接在同一网段上所有设备形成一个冲突域(Collision)。每个冲突域

均采用CSMA／CD机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域网络

负荷减轻、碰撞几率减小。

图1以太网网络拓扑结构比较

Ethernet／IP协议简介

3Ethernet／IP协议简介

现场总线国际标准IEC61158经过十几年争论和斗争后，放弃了其制定单

一现场总线标准初衷，最终发布了包括8种(第3版修订后增加了两种类型，而

成为10种类型)类型总线国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代

局面得到世界工控界认可。

目前有Modbus-IDA工业以太网，Ethernet／lP工业以太网，FFHSE工业

以太网，ProfitNet工业以太网,Controlnet工业以太网,P．Net工业以太网，SwiftNet

工业以太网，WorldFIP工业以太网等几种协议。下来我们就各协议进行介绍。

3.1Ethernet／IP工业以太网

EtherNet／IP(EtherNetIndustryProtoco1)是适合工业环境应用协议体系。它

是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNetVendorsAssociation)ControlNet

International所推出最新成员。和DeviceNet以及ControlNet一样，它们都是基于

CIP(ControlandInformal／onProtoco1)协议网络。它是一种是面向对象协议，能

够保证网络上隐式实时I／0信息和显式信息(包括用于组态参数设置、诊断等)有

效传输。

EtherNet／IP采用和DevieNet以及ControlNet相同应用层协CIP(Controland

InformationProtoco1)，因此，它们使用相同对象库和一致行业规范，具有较好一

致性。EtherNet／IP采用标准EtherNet和TCP／IP技术来传送CIP通信包，这样，

通用且开放应用层协议CIP加上已经被广泛使用EtherNet和TCP／IP协议，就构成

EtherNet／IP协议体系结构。协议各层结构如图2所示。

图2应用CIPEtherNet/IP

Ethernet／IP协议简介

3.1.1Ethernet／IP协议模型及协议内容

1.物理层和数据链路层

EtherNet／IP在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯

片来实现。从图2可看出，不久将来会出现更合适物理层和数据链路层协议，

会出现相应芯片。但是上面协议无须改变。

2.网络层和传输层

EtherNet／IP在网络层和传输层采用标准TCP／IP技术。对于面向控制实时I

／0数据，采用UDP／IP协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置和诊断

等)则采用TCP／IP来传送过程监控层流通数据基本是显式信息，采用TCP／IP来

传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNet／IP协议现场设备层，流

通数据基本是实时I／O数据，采用UDP／IP胁议来传送，其优先级较高。

3.控制及信息协议(ClP)

控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发应用层协议，被DeviceNet、

ControlNet、EtherNet／IP等3种网络所采用，因此这3种网络相应地统称为CIP网

络.

（1）CIP特点有以下几点

①报文

CIP协议最重要特点是可以传输多种类型数据。工业应用中所需要传输数据类型

有I／O、互锁、配置、故障诊断、程序上载或下载等。这些不同类型数据对传输

服务质量要求是不同。重要传输服务质量评价指标有确定性、单位时间内有通信

行为节点所占比例、响应时间等。

CIP根据所传输数据对传输服务质量要求不同，把报文分为两种：显

式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求数据，比如程序上载

下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。由于这种报文包含解读该报文所需要

信息，所以称为显式报文。隐式报文用于传输对时间有苛求数据，如I／O、实时

互锁等。由于这种报文不包含解读该报文所需要信息，其含义是在网络配置时就

确定，所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输I／O数据，隐式报文又称

为I／O报文或隐式I／O报文。

在网络底层协议支持下，CIP用不同方式传输不同类型报文，以满足它们对

Ethernet／IP协议简介

传输服务质量不同要求。DeviceNet给予不同类型报文不同优先级，

隐式报文使用优先级高报头，显式报文使用优先级低报头。ControlNet在预定时

问段发送隐式报文，在非预定时问段发送显式报文。而Ethemet／IP用TCP来发送

显式报文，用UDP来发送隐式报文。

②面向连接

CIP还有一个重要特点是面向连接，即在通信开始之前必须建立起连接，获

取惟一连接标识符(connectionID)。如果连接涉及到双向数据传输，就需要两个

CID。CID定义及格式是与具体网络有关，比如，DeviceNetCID定义是基于CAN

标识符。通过获取CD，连接报文就不必包含与连接有关所有信息，只需要包含

CID即可，从而提高了通信效率。不过，建立连接需要用到未连接报文。未连接

报文需要包括完整目地节点地址、内部数据描述符等信息，如果需要应答，还要

给出完整源节点地址。

对应于两种CIP报文传输，CIP连接也有两种，即显式连接和隐式连接。建

立连接需要用到末连接报文管理器(unconnectedMessageManager—UCMM)，它

是CIP设备中专门用于处理未连接报文一个部件。如果节点A试图与节点B建立显

式连接，它就以广播方式发出一个要求建立显式连接未连接请求报文，网络上所

有节点都接收到该请求，并判断是否发给自己，节点B发现是发给自己，其UCMM

就做出反应，也以广播方式发出一个包含CID未连接响应报文，节点A接收到后，

得知CID，显式连接就建立了。隐式连接建立更为复杂，它是在网络配置时建立，

在这一过程中，需要用到多种显式报文传输服务。CIP把连接分为多个层次，从

上往下依次是应用连接、传输连接和网络连接。一个传输连接是在一个或两个网

络连接基础上建立，而一个应用连接是在一个或两个传输连接基础上建立。

③生产者／消费者模型

在传统源／目通信模式下，源端每次只能和一个目地址通信，源端提供实时

数据必须保证每一个目端实时性要求，同时一些目端可能不需要这些数据，因此

浪费了时间，而且实时数据传送时间会随着目端数目多少而改变。而在EtherNeL

／IP所采用生产者／消费者通信模式下，数据之间关联不是由具体源、目地址联

系起来，而是以生产者和消费者形式提供，允许网络上所有节点同时从一个数据

源存取同一数据，因此使数据传输达到了最优化，每个数据源只需要一次性把数

Ethernet／IP协议简介

据传输到网络上，其它节点就可以选择性地接收这些数据，避免了浪费带宽，提

高了系统通信效率，能够很好地支持系统控制、组态和数据采集。

（2）CIP协议功能及特征

EtherNet/IP其特色就是被称作控制和信息协议CIP部分。CIP一方面提供

实时I/O通信，一方面实现信息对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实时

I/O通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时信息交换。CIP协议一个重要

特性，是其介质无关性。即CIP作为应用层协议实施与底层介质无关。这就是人

们可以在控制系统和I/O设备上灵活实施这一开放协议原因。同样，当未来新型

通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能网络上实施，并且提

供全部网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术透明性和一致性。

3.1.2EtherNet/IP通信机制

1.通信模式

不同于源/目通信模式，EtherNet/IP采用生产/消费模式，它允许网络上节点同时

存取同一个源数据。在生产/消费模式中，数据被分配一个唯一标识，每一个数

据源一次性将数据发送到网络上，其他节点选择性读取这些数据，从而提高了系

统通信效率。

报文通信

CIP报文定义了显式报文和隐式报文两种报文类型,隐式报文是对时间有

苛刻要求I/O信息(时间触发、控制器互锁等等)，此时数据量不大但需要高速度或

需要较长源节点和其他节点连接时间，所以这部分采用是速度较快UDP协议；

显式报文数据量较大但不需要一直连接所以这部分采用TCP协议。

CIP报文通信分为无连接通信和基于连接通信。无连接报文通信是CIP定义最

基本通信方式。设备无连接通信资源由无连接报文管理器UCMM管理。无连接

通信不需要任何设置或任何机制保持连接激活状态;基于连接报文通信是CIP

网路传递报文另一种方式,可用来传递I/O数据和显式报文。这种通信方式支持生

产者/消费者模式多点传输关系,一次向多个目节点进行高效数据传输。

3.2ProfitNet工业以太网

3.2.1基本介绍

随着现场设备智能程度不断提高，自动化控制系统分散程度也越来越高。工

Ethernet／IP协议简介

业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进，因此，基于组件自动化

（ComponentBadAutomation，CBA）成为新兴趋势。工厂中相关机械部件、

电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力工艺模块抽象成为一个封装好组

件，各组件间使用PROFINET连接。通过SIMATICiMap软件，即可用图形化组

态方式实现各组件间通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统配置及调试过

程。

通过模块化这一成功理念，可以显著降低机器和工厂建设中组态与上线调试

时间。在使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时，还可以扩

展使用模块化理念，从机械应用扩展到自动化解决方案。另外，也可以将一条生

产线单个机器作为生产线或过程中一个"标准模块"进行定义。作为设备与工厂设

计者，工艺模块化能够更容易、更好地对您设备与系统进行标准化和再利用。使

您能够对不同客户要求更快、更具灵活性地作出反应。您可以对各台设备和厂区

提前进行预先测试--极大地缩短系统上线调试阶段。作为系统操作者，从现场设

备到管理层，你都可以从IT标准通用通讯中获得好处。对现有系统进行扩展也很

容易。

3.2.2实时通信

1)折叠TCP/IP标准通讯

PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域

关于通信协议方面事实上标准，尽管其响应时间大概在100ms量级，不过，对于

工厂控制级应用来说，这个响应时间就足够了。

2)折叠实时（RT）通讯

对于传感器和执行器设备之间数据交换，系统对响应时间要求更为严格，大

概需要5－10ms响应时间。目前，可以使用现场总线技术达到这个响应时间，如

PROFIBUSDP。

对于基于TCP/IP工业以太网技术来说，使用标准通信栈来处理过程数据包，

需要很可观时间，因此，PROFINET提供了一个优化、基于以太网第二层（Layer

2）实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中处理时间，

因此，PROFINET获得了等同、甚至超过传统现场总线系统实时性能。

3)折叠同步实时（IRT）通讯

Ethernet／IP协议简介

在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高是运动控制（MotionControl），

PROFINET同步实时（IsochronousReal-Time,IRT）技术可以满足运动控制高速

通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此

来保证及时、确定响应。

3.2.3PROFINET

1)折叠分布式现场设备

通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。

对于现有现场总线通讯系统，可以通过代理服务器实现与PROFINET透明连

接。例如，通过IE/PBLink（PROFINET和PROFIBUS之间代理服务器）可以将

一个PROFIBUS网络透明集成到PROFINET当中，PROFIBUS各种丰富设备诊断

功能同样也适用于PROFINET。对于其他类型现场总线，可以通过同样方式，使

用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFINET当中。

2)折叠运动控制

通过PROFINET同步实时（IRT）功能，可以轻松实现对伺服运动控制系统

控制。

在PROFINET同步实时通讯中，每个通讯周期被分成两个不同部分，一个是

循环、确定部分，称之为实时通道；另外一个是标准通道，标准TCP/IP数据通过

这个通道传输。

在实时通道中，为实时数据预留了固定循环间隔时间窗，而实时数据总是按

固定次序插入，因此，实时数据就在固定间隔被传送，循环周期中剩余时间用来

传递标准TCP/IP数据。两种不同类型数据就可以同时在PROFINET上传递，而且

不会互相干扰。通过独立实时数据通道，保证对伺服运动系统可靠控制。

3)折叠网络安装

PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。为了减少布线费用，并保

证高度可用性和灵活性，PROFINET提供了大量工具帮助用户方便实现

PROFINET安装。特别设计工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在

PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间兼容性。

3.2.4安全

1)折叠标准与网络安全

Ethernet／IP协议简介

PROFINET一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准TCP/IP数据。在

其传递TCP/IP数据公共通道中，各种业已验证IT技术都可以使用（如http、HTML、

SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET时候，我们可以使用这些IT标准

服务加强对整个网络管理和维护，这意味着调试和维护中成本节省。

PROFINET实现了从现场级到管理层纵向通讯集成，一方面，方便管理层获

取现场级数据，另一方面，原本在管理层存在数据安全性问题也延伸到了现场级。

为了保证现场级控制数据安全，PROFINET提供了特有安全机制，通过使用专用

安全模块，可以保护自动化控制系统，使自动化通讯网络安全风险最小化。

2)折叠故障安全

在过程自动化领域中，故障安全是相当重要一个概念。所谓故障安全，即指

当系统发生故障或出现致命错误时，系统能够恢复到安全状态（即"零"态），在

这里，安全有两个方面含义，一方面是指操作人员安全，另一方面指整个系统安

全，因为在过程自动化领域中，系统出现故障或致命错误时很可能会导致整个系

统爆炸或毁坏。故障安全机制就是用来保证系统在故障后可以自动恢复到安全状

态，不会对操作人员和过程控制系统造成损害。

PROFINET集成了PROFISafe行规，实现了IEC61508中规定SIL3等级故障安

全，很好保证整个系统安全。

3)折叠过程自动化

PROFINET不仅可以用于工厂自动化场合，也同时面对过程自动化应用。工

业界针对工业以太网总线供电，及以太网应用在本质安全区域问题讨论正在形成

标准或解决方案。PROFIBUS国际组织计划在2006年时候会提出PROFINET进入

过程自动化现场级应用方案。

通过代理服务器技术，PROFINET可以无缝集成现场总线PROFIBUS和其它

总线标准。今天，PROFIBUS是世界范围内唯一可覆盖从工厂自动化场合到过程

自动化应用现场总线标准。集成PROFIBUS现场总线解决方案PROFINET是过程

自动化领域应用完美体验。

作为国际标准IEC61158重要组成部分，PROFINET是完全开放协议，

PROFIBUS国际组织成员公司在2004年汉诺威展览会上推出了大量带有

PROFINET接口设备，为PROFINET技术推广和普及起到了积极作用。随着时间

Ethernet／IP协议简介

流逝，作为面向未来新一代工业通讯网络标准，PROFINET必将为您和您自动化

控制系统带来更大收益和便利。

3.3Modbus-IDA工业以太网

Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司一个品牌)在1979年发明，是全球

第一个真正用于工业现场总线协议。

ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端可编程序控制器和计算机

通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。

它可应用于各种数据采集和过程监控。

ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多远

程从属控制器，但实际所支持从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各

PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身控制任务。

3.3.1基本信息

为更好地普及和推动Modbus在基于以太网上分布式应用，目前施耐德公司

已将Modbus协议所有权移交给IDA(InterfaceforDistributedAutomation，分布式

自动化接口)组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后发展奠定了基础。

在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计:截止到2007

年，Modbus节点安装数量已经超过了1000万个。

Modbus协议是应用于电子控制器上一种通用语言。通过此协议，控制器相

互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一

通用工业标准。有了它，不同厂商生产控制设备可以连成工业网络，进行集中监

控。此协议定义了一个控制器能认识使用消息结构，而不管它们是经过何种网络

进行通信。它描述了一控制器请求访问其它设备过程，如何回应来自其它设备请

求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容公共格式。

当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们设备

地址，识别按地址发来消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生

成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议消息转换

为在此网络上使用帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体网络解决节地址、路

由路径及错误检测方法。

此协议支持传统RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，

包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间通讯标准。

Ethernet／IP协议简介

3.3.2特点

Modbus具有以下几个特点:

(1)标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，

也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus厂家超过400家，支持Modbus产品超过

600种。

(2)Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上

传送，如双绞线、光纤、无线等。

(3)Modbus帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

1）折叠Modbus网络传输

标准Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定义了连接口针脚、电缆、

信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

控制器通信使用主-从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它

设备(从设备)根据主设备查询提供数据作出相应反应。典型主设备:主机和可编程

仪表。典型从设备:可编程控制器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独

通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询，则不作任何回应。

Modbus协议建立了主设备查询格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送

数据、一错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动域、任何要返回数

据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其

命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

2）折叠其它类型传输

在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制器都能初始化和其它

控制器通信。这样在单独通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。

提供多个内部通道可允许同时发生传输进程。

在消息位，Modbus协议仍提供了主-从原则，尽管网络通信方法是"对等"。

如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，

当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送控制器。

Ethernet／IP协议简介

3）折叠查询回应周期

(1)查询

查询消息中功能代码告之被选中从设备要执行何种功能。数据段包含了从设

备要执行功能任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回

它们内容。数据段必须包含要告之从设备信息:从何寄存器开始读及要读寄存器

数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确方法。

(2)回应

如果从设备产生一正常回应，在回应消息中功能代码是在查询消息中功能代

码回应。数据段包括了从设备收集数据:像寄存器值或状态。如果有错误发生，

功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误，同时数据段包含了描述此错误信

息代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

3.3.3传输方式

在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信能力

是同等。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，

不允许2种模式混用。一种模式是ASCII(美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远

程终端设备)。

用户选择想要模式，包括串口通信参数(波特率、校验方式等)，在配置每个

控制器时候，在一个Modbus网络上所有设备都必须选择相同传输模式和串口参

数。所选ASCII或RTU方式仅适用于标准Modbus网络，它定义了在这些网络上连

续传输消息段每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网

络上(像MAP和ModbusPlus)Modbus消息被转成与串行传输无关帧。

1）折叠传输模式特性

ASCII可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言(如Fortran)编程主计

算机及主PC很适宜。RTU则适用于机器语言编程计算机和PC主机。

用RTU模式传输数据是8位二进制字符。如欲转换为ASCII模式，则每个RTU

字符首先应分为高位和低位两部分，这两部分各含4位，然后转换成十六进制等

量值。用以构成报文ASCII字符都是十六进制字符。ASCII模式使用字符虽是RTU

模式两倍，但ASCII数据译码和处理更为容易一些，此外，用RTU模式时报文字

符必须以连续数据流形式传送，用ASCII模式，字符之间可产生长达1s间隔，以

Ethernet／IP协议简介

适应速度较慢机器。

控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中任何一种在标准Modbus网络

通信。

2)ASCII模式

当控制器设为在Modbus网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信，

在消息中每个8Bit字节都作为一个ASCII码(两个十六进制字符)发送。这种方式主

要优点是字符发送时间间隔可达到1秒而不产生错误。

代码系统

·十六进制，ASCII字符0...9,A...F

·消息中每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成每个字节位

·1个起始位

·7个数据位，最小有效位先发送

·1个奇偶校验位，无校验则无

1个停止位(有校验时)，2个Bit(无校验时)错误检测域

·LRC(纵向冗长检测)

3)折叠RTU模式

当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信，在消息中每个

8Bit字节包含两个4Bit十六进制字符。这种方式主要优点是:在同样波特率下，

可比ASCII方式传送更多数据。

代码系统

8位二进制，十六进制数0...9，A...F

消息中每个8位域都是一或两个十六进制字符组成每个字节位

1个起始位8个数据位，最小有效位先发送1个奇偶校验位，无校验则无

1个停止位(有校验时)，2个Bit(无校验时)

3.3.4CRC

1)折叠CRC

CRC域是两个字节，包含一16位二进制值。它由传输设备计算后加入到消息

中。接收设备重新计算收到消息CRC，并与接收到CRC域中值比较，如果两值不

Ethernet／IP协议简介

同，则有误。

CRC是先调入一值是全"1"16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续8位字

节各当前寄存器中值进行处理。仅每个字符中8Bit数据对CRC有效，起始位和停

止位以及奇偶校验位均无效。

CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相异或(XOR)，结果向

最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，

寄存器单独和预置值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在

最后一位(第8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器当前值相或。最终寄存

器中值，是消息中所有字节都执行之后CRC值。

CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。

CRC-16错误校验程序如下:报文(此处只涉及数据位，不指起始位、停止位和

任选奇偶校验位)被看作是一个连续二进制，其最高有效位(MSB)首选发送。报

文先与X↑16相乘(左移16位)，然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X

↑2+1可以表示为二进制数11000，0000，0000，0101。整数商位忽略不记，16

位余数加入该报文(MSB先发送)，成为2个CRC校验字节。余数中1全部初始化，

以免所有零成为一条报文被接收。经上述处理而含有CRC字节报文，若无错误，

到接收设备后再被同一多项式(X↑16+X↑15+X↑2+1)除，会得到一个零余数(接

收设备核验这个CRC字节，并将其与被传送CRC比较)。全部运算以2为模(无进

位)。

习惯于成串发送数据设备会首选送出字符最右位(LSB-最低有效位)。而在生

成CRC情况下，发送首位应是被除数最高有效位MSB。由于在运算中不用进位，

为便于操作起见，计算CRC时设MSB在最右位。生成多项式位序也必须反过来，

以保持一致。多项式MSB略去不记，因其只对商有影响而不影响余数。

生成CRC-16校验字节步骤如下:

①装如一个16位寄存器，所有数位均为1。

②该16位寄存器高位字节与开始8位字节进行"异或"运算。运算结果放入这个16

位寄存器。

③把这个16寄存器向右移一位。

Ethernet／IP协议简介

④若向右(标记位)移出数位是1，则生成多项式10，1000，000，0000，001和这

个寄存器进行"异或"运算;若向右移出数位是0，则返回③。

⑤重复③和④，直至移出8位。

⑥另外8位与该十六位寄存器进行"异或"运算。

⑦重复③~⑥，直至该报文所有字节均与16位寄存器进行"异或"运算，并移位8次。

⑧这个16位寄存器内容即2字节CRC错误校验，被加到报文最高有效位。

另外，在某些非ModBus通信协议中也经常使用CRC16作为校验手段，而且产生

了一些CRC16变种，他们是使用CRC16多项式X↑16+X↑15+X↑2+1，单首次装

入16位寄存器为0000;使用CRC16反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次装入寄存器

值为0000或FFFFH。

2)折叠LRC

LRC错误校验用于ASCII模式。这个错误校验是一个8位二进制数，可作为2

个ASCII十六进制字节传送。把十六进制字符转换成二进制，加上无循环进位二

进制字符和二进制补码结果生成LRC错误校验(参见图)。这个LRC在接收设备进

行核验，并与被传送LRC进行比较，冒号(:)、回车符号(CR)、换行字符(LF)和置

入其他任何非ASCII十六进制字符在运算时忽略不计。

3.4Controlnet工业以太网

ControlNet是近年来推出面向控制层实时性现场总线网络，在同一物理层介

质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据，包括程序上载/下载，组态数据和

端到端报文传递等通讯支持，是具有高度确定性、可重复高速控制和数据采集网

络，I/O性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大提高。

3.4.1原理

ControlNet是基于生产者/消费者模式

(Producer/ConsumerModel)网络。ControlNet允许在同一链路上有多个控制器

共存，支持输入数据或端到端多路发送，这就大大减少了网络上交通量，提高了

网络效率和网络性能。ControlNet是高度确定性、可重复性网络。ControlNet能预

见数据何时能够可靠传输到目标能力，同时数据传输时间不受网络节点添加/删

除情况或网络繁忙状况而保持恒定能力。在实际应用中，通过网络组态时选择性

Ethernet／IP协议简介

设定有计划I/O分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步保证。

生产者/消费者模式允许网络中所有节点同时获取来自同一数据源数据。最

终，该模式提高了效率，因为数据只发送一次，而与数据使用者(Consumer)数量

无关，并且具有精确同步性。因为数据将同时到达每一个节点。生产者-消费者

模式优点在于:多个节点可以同时消费(Consume，即读取)来自同一个生产省

(Producer，即数据源)所提供数据。节点间易于同步，可以获得更为精确系统性

能，设备可以实现自主通信，无需系统主站。ControlNet提供了简单、高度确定

而且灵活传输数据方式。ControlNet在执行操作、数据实时监控时不会影响到I/O

控制性能。因此，ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联、要求控制控

制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高应用场合。

ControlNet明显优点是:同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传

输和编程/组态等信息应用多样要求;是确定性、可重复性控制网络，适合离散控

制和过程控制;同一链路上允许有多个控制器同时共存;输入数据和端到端信息多

路发送支持;可选介质冗余和本征安全;安装和维护简单性;网络上节点居于对等

地位，可以从任意节点实现网络存取;灵活拓扑结构(总线型、树型、星型等)和介

质选择(同轴电缆、光纤和其它)。

3.4.2ControlNet网络

控制网是由控制网国际有限公司(ControlNetInternational,Ltd.)首先提出来一

种开放式网络。罗克韦尔自动化公司设计之初就提出了三层网络概念,分别是以

太网，Controlnet网，Deveicenet网，上层信息用于全厂数据采集和程序维护;中层

自动化和控制层实现实时I/O控制,控制器互锁和报文传送;底层设备网用于底层

设备低成本,高效率信息集成.其中控制网通讯采用当今流行生产者/消费者模式,

该模式采用多信道广播式,定点传送，属于预定性信息，每个信号对应一个单独

地址，占一个网络节点，网络所有节点同步,信息吞吐量大,速度快,网络效率高;

因此控制网具有高速,高度确定和可重复性网络,特别适用于对时间苛刻要求复杂

应用场合信息传输，但是Controlnet网络中节点数目是有限制，最高不能超过99

个，节点数超过限制会发生不可预测故障，未超过但是过多会影响网速，造成网

络迟滞。Controlnet用同轴网线或者光纤作为介质，相对而言，Controlnet比西门

子Profibus网络更加稳定，易于维护，有助于实现无缝连接。

Ethernet／IP协议简介

3.4.3控制网国际有限公司

控制网国际有限公司(ControlNetInternational,Ltd.)是1997年7月由Rockwell

等22家企业发起成立ControlNet国际化组织(CI)，是个非赢利独立组织，主要负

责向全世界推广ControlNet技术(包括测试软件)。目前已有50多个公司参加，如

ABBRoboties、HoneywellInc.、日本横河、东芝、Omron等大公司。

3.4.4可建造ControlNet设备

lLogix，ProcessLogix，FlexLogix系列

1756系列ControlLogix55xx控制器，集成多种控制功能:顺序控制、传动控制

和过程控制。网络桥接无需控制器。高速控制平台上高速数据传输。1757系列

ProcessLogix控制器，5兆数据速率高吞吐量工业网络。使用扩展诊断方法，维护

简单，多点传输(Multicast)特性允许多个控制器共享输入数据，可选网络冗余，

增加可靠性。1794系列FlexLogix54xx控制器，面向分布式控制中小型系统，无

与伦比灵活性，与ControlLogix等同样采用RSLoqix5000编程，多种编程语言支持，

就地安装可以扩充多达16个FlexI/0模块，可以安装任何两个可选ControlNet(可选

同轴或者光纤介质)、DeviceNet或者lOOMbpsEtherNet/IP。扩展现场I/O和智能设

备，通过ControlNet或者EtherNet/IP，实现对等通讯、数据采集、程序下载或者

实时互锁。

与SLC控制器系列

PLC-5可编程控制器内置ControINet通讯,,通过ControINet口，提供高速通讯

能力,允许处理器输入中断和可选定时中断。SLC扫描器口适配器模块，性能最佳

网络扩展远程I/0解决方案-增强系统性能适宜于SLC逻辑监视故障设备出错诊断

列表。PLC-5热备系统，提供高性能、确定性数据传递，控制程序在主控制器和

后备控制器中同步执行.包括两种模式热备操作:同步和异步SLC报文发送模块，

程序上传/下载，支持RSView等用户人-机界面软件实现数据采集。

3.基于PC控制器系列

SoftLogix5800系列，RSLogix5000软件编程，PCI格式通讯卡(DeviceNet扫描

器，ControlNet扫描器，EtherNet/IP通讯卡，运动控制卡等)，ISA/EISA总线扫描

器卡，IOLinx系列软件。PCI扫描器卡，能够维护重要网络规划和组态参数，备

Ethernet／IP协议简介

份网络上其他数据，标准即插即用型本地PCI总线卡，兼容当前所有吏面计算机

和工业终端，ISA/EISA总线扫描器卡双BNC接头，支持介质冗余，通过LED组

态指示灯显示可以观察网络和控制卡诊断信息SoftLogix5800软件，多个编程选项

简化维护和升级工作，多种灵活可选I/O和网络，多个MMI(人-机界面)选项。

4.I/0框架型和模块型

FLEXI/0系列，每个适配器可连接多达128点离散I/0或64个模拟通道。可以

对故障或是移走I/0模块进行诊断.独立部件，可以任意混合使用不同I/0类型，减

少了外部接线端子成本，短路保护，本质安全模块。1771PLC-5机架I/0，多个控

制器和终端能够共享模块输入数据，品种齐全包括各种特殊应用模块。

1746SLC-500I/0，可以与PLC5热备系统配合使用，具有节点地址和模块，组态

显示，SLC机架供电。ControlLogix1756I/0，无需硬件设置开关完全软件逐点组

态，可软件逐点组态浮点数和工程定标，模块自行计算，无需编程，不占用处理

器资源，完全带电拔插，减少停机日寸间，适用于ControlLoqix和ProcessLoqix

控制器。1734PointI/0，2至4点I/0密度您精打细算，ControlNet适配器支持冗余介

质和网络接入口(NAP)，通过Control、DeviceNet、Profibus/DP等适配器灵活扩展，

小尺寸，大身手:带电拔插，逐点指示和诊断，多种I/O类型和接线端子，电子模

块和接线段子底座可分离设计。

3.5WorldFIP工业以太网

3.5.1概述

WorldFip现场总线组织成立于1987年。目前已有一百多个成员，其中许多是

工控领域世界著名大公司，如Honeywell、西技来克（Cegelec）、阿尔斯通（Alstom）、

施耐德（Schneider）等。前期产品是Fip（FactoryInstrumentationProtocol）。Fip

是法国标准，后来采纳了IEC国际标准（61158-2）改名为WorldFip。相应欧州标

准是EN50170-3。不久前国内也成立了“WorldFip技术推广中心”。我国引进一

些大型工程，如上海地铁、岭奥核电站、军粮城电厂等都可以看到这种现场总线。

目前正在建造世界上能量最高大型强子对撞机已选定WorldFip为工程标准总线

之一。该加速器周长27公里，耗资数十亿美元，将于2004年建成。

由于篇幅限制，这里只介绍其有特色之处。网络管理、远程服务、远程下载、

出错处理、广播方式、重新同步、应答方式等等与其它网络协议差不多部分不在

Ethernet／IP协议简介

这里介绍。

3.5.2WorldFip特点

WorldFip总线是面向工业控制，其主要特点可归纳为实时性、同步性、可靠

性。

WorldFip目前使用传输速率是31.5K，1M和2.5M。典型速率为1Mbit/s。典

型传输介质是工业级屏蔽双绞线。对接线盒、9针D型插头座等都有严格规定。

每个网段最长为1公里。加中继器（Repeater）以后可扩展到5公里。

WorldFip与Internet类似，使用曼彻斯特码传输。但它是一种令牌网。网络由

仲裁器和若干用户站组成。

WorldFip使用信息生产者和消费者概念，和通常意义上输出量、输入量略

有区别。每个生产者或消费者变量有一个IP地址。每个用户站可以有例如16个生

产者/消费者变量。任何时候，生产者只能有一个，而消费者可以是1个或多个。

WorldFip设计思想是，按一定时序，为每个信息生产者分配一个固定时段，

通过总线仲裁器诸个呼叫每个生产者，如果该生产者已经上网，应在规定时间内

应答。生产者提供必要信息，同时提供一个状态字，说明这一信息是最新生产，

还是过去传送过老信息。消费者接收到信息时，可根据状态字判断信息价值。

WorldFip将信息分为：周期性同步数据、周期性异步数据和非周期性消息

包。同步数据严格地按确定时序呼叫，接下去是周期性异步数据，用于对同步性

要求不太高数据传送。最后呼叫消息包。周期性同步数据、异步数据用于时序要

求严格，数据包不大信息（8~128字节），消息包指时序要求不严格，数据量大

信息，例如每包256字节。形象地比喻，网线可以看成一个流水管道。一半（或

1/3、2/3,由用户设计）流是水，是不可压缩。即周期性同步和异步数据。另一半

可以看成是空，留给非周期性消息包传送。

网络仲裁器是整个网络通信主宰者。网络仲裁器轮番呼叫每一个生产者变

量。整个网线上总是有信号。如果若干时间间隔内（例如几十毫秒）没有监听到

网上信号、则可以诊断为网络故障，此时可以自动将冗余热备份网线切换上去，

也可以设计成各用户站回本质安全态。WorldFip在网络安全性方面考虑有其独

到之处。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器。在任意给定时刻，只有一

个在起作用，其他处于热备份态，监听网络状态。而每个用户站网络冗余则是通

Ethernet／IP协议简介

过一个控制器驱动两路驱动器，接入两个独立网线实现。当一个网线被破坏，自

动切换到另一网线。

3.5.3WorldFip协议

除用户层外，WorldFip使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理

层。

用户层指有用信息，一个变量（生产者或消费者），可以是8字节，也可以

是16、32、48......乃至128字节。一则消息，则可以长至256字节。以下三层是在

WorldFip网络控制器中自动实现，不需要用户CPU干预。它相应于7层网络通信

协议1、2和7层。

应用层在用户层信息前面加上两个字节识别码（ID）。这两个字节第一个是

变量类型即所谓PDU类型。第二个字节是数据长度。

数据链路层则在应用层基础上加上一头一尾。头上是一个字节状态字，表示

该信息是最近刷新，还是重复以前数据。尾上加两个字节，用于CRC校验。

到物理层，则在数据链路层基础上再加上头尾。头上加两个字节，一个是前

同步字符，由10101010组成，第二个是帧开始分界符，由1、高电平、低电平、1、

零、高电平、低电平、零组成。尾部加一个帧结束字节，由1、高电平、低电平、

高电平、低电平、1、零、1、组成。

综上所述，三层协议一共在有用信息两端增加了8个字节。当速率为1M时，

帧与帧之间间隔可设定在10～70μS之间。如果每个数据都是8字节，有用通量在

200K～300Kbit/s之间。如果数据长度为128字节，有用通量可达800Kbit/s。

在1M速率下，如果扫描周期为10mS。假设5mS用于周期性同步和异步数据，

5mS用于传送信息包，则5mS中可以扫描23个8字节变量或4个128字节变量。如

果网上真有250个用户站，每站有16个变量，即总共4000个变量，一半时间留给

消息包传输，则一次扫描约需要2秒。

3.5.4WorldFip总线典型器件

1．用于总线仲裁器典型IC是VLSI公司FullFip2。这是一个84引脚芯片，使

用时需要外扩独享存储器（Privatememory）。有最多2M寻址空间，可主管最多

4000个用户站，6万个以上变量。考虑到上述扫描周期不宜太长，用户站不可能

这么多。

Ethernet／IP协议简介

该芯片可方便地与IntelCPU或Motorola单片机接口。可设计成PC机内一块

总线仲裁卡，也可以方便地与Motorola16/32位单片机接口，例如MC68HC3XX、

MC68HC16等。

FullFip2与WorldFip连接是通过总线驱动器经变压器耦合实现。

FullFip2主要用于总线仲裁，也可用于用户站。FullFip2内部有近100个寄存

器，编程时较为复杂。一些公司提供C语言函数库用于总线仲裁器编程与开发。

2．MicroFip是一种低价位、用于用户站IC，也是VLSI产品。对于I/O端口≤

16用户站，MicroFip可独立工作（Standalone方式）。用户事先定义，网络故障

时各输出端口应该输出值、初值等参数可远程下载。这是一个100引脚表面贴芯

片。

作为单片机接口芯片，它可以方便地与8051、68HC11/12/16等单片机接口，

此时该用户站可处理16个变量（生产者或消费者）。由于片内有512字节变量缓

冲区，每个数据变量大小可为n×8字节（0≤n≤7）。而最长消息包可以大到256

字节。

3．总线驱动与变压器。WorldFip用总线驱动器与其它总线驱动器不同之处

在于，除了实现曼彻斯特编码、解码功能之外，它还提供总线监听与看门狗功能，

这为总线热备份、总线冗余提供了方便，提高了总线安全性。总线驱动芯片是一

个28引脚表面贴芯片。

变压器用于驱动器与传输介质隔离，驱动器与变压器之间应加上保护与抗干

扰措施。

符合WorldFip协议芯片还有一些，如FIPIU2、FIPCOI等。不在此详述。

3.5.5开发工具

除一些公司提供用于FullFip2和MicroFip编程C语言程序库以外，最值得一提

是WorldFip协议分析器。其硬件是插在PC机内一块卡。用于采集WorldFip网线上

信号。软件名为FipWatcher。在Windows下运行。开发者给定触发条件以后，Fip

Watcher在屏幕上显示数据包内容和每个数据包之间时间关系。这个工具硬件相

当简单，而使用起来比示波器、逻辑分析仪都方便、直观，价格也便宜许多。

另外，一些公司还提供开发散件，包括主要控制器芯片，驱动器芯片，变压

器等。也有PC机上演示板，用于总线仲裁器。或者一块PC机上卡，使某一PC

Ethernet／IP协议简介

机成为一个用户站。还有以MicroFip芯片加驱动、变压器耦合等三部分组成评估

板可供使用。该板可单独使用，也可以方便地与Intel8051或各种Motorola单片

机接口。

3.5.6目前存在一些问题和应用前景

由于WorldFip发展经历了一个十余年发展过程，而最终被国际上认可成为国

际标准还是最近几年事。各公司都声称支持WorldFip现场总线协议，而不少公司

使用是他们自己设计专用芯片。使用类似标准有Fip、FipIO等等。如果全部使用

某公司产品，一般不会有什么问题。这些公司还提供上层编程工具等。如果同时

使用两家不同公司产品，或将根据WorldFip协议自行开发设备连入从某公司购得

网络，则会出现数据格式不一致，不能接入问题。

在大型强子对撞机工程中，欧洲核子研究中心希望购买施耐德公司PLC，用

于总线仲裁，而用户站则将根据需要自行开发，结果出现了上述问题。目前此类

问题正在解决之中。

由于WorldFip现场总线依照工业控制系统要求，不但严格定义了通信协议，

也严格定义了符合工业标准传输介质、接线盒、插头座等。在实时性、同步性、

冗余性方面独具特色。速度更高、以光纤为介质高速网也不断推出。预计将来几

年中，在工控领域，WorldFip总线将会得到越来越广泛应用。

Ethernet／IP协议简介

4Ethernet／IP通信适配器硬件设计与实现

EtherNet／IP硬件设备开发主要有2种方式：一种是基于单板计算机系统；另

外一种是开发嵌入式系统。嵌入式系统应用广泛，有非常多资源可供设计者使用，

同时嵌入式系统硬件制作成本低，硬件设备可以设计更为紧凑，有利于系统小型

化。下来介绍采用嵌入式系统设计Ethernet／IP通信适配器。

4.1硬件系统总体架构

Ethernet／IP通信适配器作为工业控制中网络设备，对数据处理能力、数据

收发实时性、可靠性上较商用以太网有着更严格规范和要求，硬件必须能够满足

这些功能及要求。而微处理器是系统控制核心，其性能好坏直接决定了系统性能

优劣；因此，本通信适配器选用三星公司ARM9S3C2410为CPU，其有丰富外围

接口功能，强大处理能力。本系统硬件设计以S3C2410为核心，外围扩展了

64MbitsSRAM、64MbitsNANDFLASH、以太网控制其CS8900、RS232串口、I/O

接口、JTAG程序实时仿真接口等。系统总体硬件如图3

Ethernet／IP协议简介

图3系统总体硬件

4.2电源设计

本通信适配器可以接现场I／O模块(现场I／O模块分为数字I／O及模拟I／

O)，因此，设计电源时需充分考虑电源驱动能力。电源不仅要给通信适配器供电，

而且，需要给I／O模块数字电路部分供电。本设计采用高效开关电源设计，可满

足8个扩展I／O模块驱动能力。通信适配器中，不同芯片采用所要求供电电压是

不一样。S3C2410需要供电电压有：3．3V数字电压及模拟电压、1．8V数字电

压及模拟电压、1．8VPLL源电压；SRAM、NANDFLASH、I／O采用3．3V电

压；JTAG、以太网控制其采用5V电压供电。工业以太网现场提供24VDC电源，

因此，设计电源模块必须提供把24VDC转换成5V、3．3V及1．8V能力。

4.3复位电路设计

由于ARM芯片高速、低电压供电和低功耗导致其噪声容限较低，对电源纹

波、瞬时响应性能、时钟源稳定性和电源监控可靠性等诸多方面提出了更高要求。

为了保证系统在上电启动及电压不稳定时能够正确工作，系统设计中采用了专门

微处理器电源监控芯片MAX708TESA。电路如图4所示。

Ethernet／IP协议简介

图4电源监控及复位电路

在图4中，信号RESET连接到以太网控制器CS8900复位引脚，因为CS8900

复位信号为高有效；信号RESET连接到S3C2410复位引脚／RESET以及芯片内部

JTAG接口电路复位脚TRST。当复位按键Sl按下时，MAX708T立即输出复位信

号，其引脚RESET输出高电平复位信号，引脚RESET输出低电平复位信号；此

时S3C2410及以太网控制器CS8900都将复位。

ARM微处理器必须保证在稳定复位状态下启动，当微处理器在未知状态时，

必须使它保持复位状态。MAX708TESA保证低电压时候处理器处于复位状态，

避免系统在上电、掉电及电源状态不稳定时候代码执行出错。当上电时候，如果

电源达到1V，／RESET引脚输出逻辑低电平，RESET引脚输出逻辑高电平。当

电源超出了复位门栏电压，MAX708TESA内部定时器保证／RESET和RESET引

脚保持200ms复位信号，这就保证了系统在电源不稳定或者电源过低情况下始终

维持在复位状态，降低系统运行出错可能性。

4.4以太网通讯接口设计

4.4.1以太网电路原理

以太网控制器是Ethernet／IP通信适配器中一个非常重要物理部件，它实现

以太网数据链路层协议。为了保证设备能够很好地满足工业应用要求，所选用以

太网控制器需具备以下一些特点：能在工业环境中运行，对高温低温、噪声、震

动等有一定抵抗能力；支持全双工通讯；支持10Mbit／s或100Mbit／s传输速率

等。S3C2410A没有内置以太网控制器，本文采用CirrusLogic公司开发

CS8900A—IQ3作为Ethernet／IP通信适配器以太网控制CS8900A-IQ3主要特点

是：lOMbit／s传输速率、支持全双工运作模式、内建缓冲区提供传送接收讯框

(Frames)、可对错误封包自动排除等；此外，其特有PacketPagel”结构可以自动调

Ethernet／IP协议简介

适网络交通模式以及系统可用资源。以太网通讯接口设计中还需使用隔离变压

器，其主要作用是把设备有源部分和其网络接口隔离开，以避免干挠网络运行。

隔离变压器应该提供尽可能高共模抑制比，ODVA／CI推荐采用在30HZ时共模

抑制比在59dB以上隔离变压器。

4.4.2以太网芯片CS8900A-IQ3功能描述

图5CS8900A-CQ3功能图

在电源开启或硬件复位后，CS8900A--IQ3要传送或接收封包时必须先芯片

内部组态、控制寄存器作参数设置，比如说：存储器基底位址、以太网络物理位

址、什么形态讯框可以被接收和底层媒体介面是什么等等设置。这些参数来源有

两个地方：一个是由host透过ISA汇流排写入CS8900A-CQ3，另一个则是通过外

部EEPROM自动载入进来。在所有寄存器设置完毕后CS8900A-CQ3便可进行相

关动作.基本上CS8900A—CQ3主要运作有两个部份：封包传送、封包接收。

封包传送：

在CS8900A-CQ3封包传送过程中有两个阶段：

(1)封包传送第一个阶段：

主机将封包数据搬移至CS8900A—C03缓冲存储器，这样子搬移动作是在主

机发出传送命令时所发生。传送命令是要通知CS8900A-CQ3有封包数据需要被

传送，并且何时要被传送(可在CS8900A-CQ3缓存器内设置成5，381，1021或是

所有bytes被传送出去)，以及如何被传送出去(有无CRC、添加位数据等等)。在

Ethernet／IP协议简介

传送命令发出后，传送长度也要告知，这样CS8900A-CQ3需要多少缓冲空间才

可被配置出来。当足够缓冲空间被配置出来后，主机便可透过I／O模式或是

Memory模式，将封包数据写入CS8900A-CQ3内部存储器。

(2)封包传送第二个阶段：

CS8900A—CQ3将封包数据转换成以太网络讯框，之后送到网络

CS8900A—CQ3会在传送缓冲空间累积到足够数据(先前在CS8900A—CQ3缓存

器内设置成5，381，1021或是所有bytes被传送出去等情形)，便马上传送出去。

被传送出去数据依照IEEE802．3以太网络讯框格式(如下图所示)传送到网络上，

以太网络讯框最大数据酬载量(Payload)为1500Bytes，最小为46Bytes，如果上层

封包数据量(包含CRC即CyclicRedundancyCheck，也就是FCS即Frame

CheckSequence)小于46Bytes，那么CS8900A-CQ3会依照缓存器设定来决定是否

要填加位以补足讯框最小量，最后再加上4BytesFCS送出。

封包接收：

(1)封包接收第一个阶段：

CS8900A-CQ3接收以太网络讯框后，将讯框存放在内部芯片内存中，将前

导字节(preamble)以及StartofFrame启始字节移除掉，然后利用地址过滤器比对

是否该接收讯框目地地址与网络芯片所设置地址相同，如果正确话，便存放在

CS8900A—CQ3内部存储器，然后CS8900A-CQ3检查CRC以及相关设定，

以更进一步确认讯框之无误，然后通知微处理器讯框已被接收事件。

(2)封包接收第二个阶段：

主机利用ISA总线来传送已接收讯框至主机上内存存放。而这个传送动作可

以利用I／0模式、Memory模式或DMA模式达成。

4.5串行通讯接口设计

S3C2410A内置3通道UART控制器，可以基于DMA模式或中断模式工作，支

持5bits、6bits、7bits或者8bits串行数据发送／接收。本文采用MAXIMG公司为嵌

入式低功耗应用设计MAX3232作为串口通讯收发器，MAX3232工作电压为

3．3V，输出电平完全兼容RS232工业标准，最大收发速率为120kbps。本文设计

Ethernet／IP通讯模块可通过串口直接与PC机连接，并使用串口为程序调试打印

信息。串行通讯接口如图6所示：

Ethernet／IP协议简介

图6RS232接口电路图

4.6主从USB接口设计

包括一个USB主机端口和一个USB设备端口。主机端口连接外围设备，如鼠

标等，设备端口用于连接PC机。S3C2410A芯片内集成了USB主从控制器，因此，

电路上只需加效应管驱动即可构成完整USB电路，无需加任何USB芯片，这大大

简化了电路设计。

图7USB接口

4.7外部I／0扩展接口设计

Ethernet／IP通信适配器采用总线模式与多个数字I／O模块相连接，在通信

适配器内部给每个I／O模块分配了一个物理地址，S3C2410A通过具体物理地址

直接读写I／O模块数据。在S3C2410A与I／O接口之间采用了总线驱动器件，一

方面提高主控制器总线驱动能；另一方面可以隔离S3C2410A系统总线与外部I

／O模块直接连接。外部扩展I／O接口原理如图4．12所示。图8中／CER为外部

I／O模块片选信号，／RW输出型I／O写信号，／OE为输入型I／O读信号，T

为I／O模块产生中断信号。对于比较重要I／O可以采用中断方式进行读写，正

Ethernet／IP协议简介

常情况下，以查询方式读写I／O数据。

图8外部扩展IO接口原理

5EtherNet/IP工业以太网优缺点及发展前景

EtherNet/IP工业以太网具有许多优点,比如由其组成系统兼容性和互操作性

好,资源共享能力强,可以很容易实现将控制现场数据与信息系统上资源共享;数

据传输距离长、传输速率高;易与Internet连接,低成本、易组网,与计算机、服务

器接口十分方便,受到了广泛技术支持。基于商业以太网开发各种以太网报文侦

听和流量优化控制软件，甚至可以不加改变应用到工业以太网控制系统中。

但是，工业以太网也有瓶颈，主要是缺乏实时性和确定性、报文利用率低、

回路供电、实时性环境适应等问题。以太网采用CSMA/CD协议，不支持优先级。

报文头部比较大，载荷数据相对较少，相对现在广泛应用一些现场总线协议而言，

报文利用率较低。总线上无电源。这不但增加了重新购买电源和布置电源线费用，

而且现有以太网线比现场总线更容易受到电磁干扰。缺乏工业级接插件。由于工

业现场存在腐蚀性气体，震动、维修和检测时经常拔插等问题。因此需要一种通

用工业级接插件。但是工业级接插件引入势必增加设备投资。所以，目前

EtherNet/IP工业以太网应用主要是在自动化领域信息层和控制层。在设备层则

使用ODVA支持ControlNetDeviceNet现场总线，利用总线在设备层抗干扰能力

强等优点作为以太网补充。

Ethernet／IP协议简介

随着网络交换技术、全双工通信、流量控制等技术发展，EtherNET/IP工业

以太网有一网到底美景，它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普

遍认为是未来控制网络最佳解决方案。