以太网通信（精选7篇）
以太网通信 篇1
摘要：本文根据微机保护通信系统的要求, 设计了由以太网与串行通信相结合的通信系统, 阐述了通信系统的硬件构成, 完成了相关驱动程序与通信功能软件的编写。
关键词：微机保护,通信系统,串行通信,以太网
本文介绍了微机保护的一种通信系统, 该通信系统采用以太网通信与串行通信相结合的方式构成。
一、硬件构成
1.1串行通信接口
装置中, 考虑到需要处理的数据较多, 数字算法的计算量大, 因此在保护CPU的选择上采用的是TI公司的新一代高性能32位浮点DSP芯片TMS320VC33。在装置中设置了两个串行通信口, 其中串口1固定为RS-232, 在实际应用中用来实现串口打印实时数据和各种参数, 串口2可以通过跳线选择为RS-232或RS-485模式, 用来组网通信。
1.2以太网接口
基于DSP与RTL8019AS组成的以太网, DSP主处理器与网卡之间的接口主要实现的功能有: (1) 主处理器通过接口电路对网卡芯片进行控制, 包括对网卡的逻辑控制、读写控制、复位等; (2) 主处理器与网卡之间的数据交换, DSP通过接口电路对网卡接收数据进行读取, 将需要发送的数据写入网卡缓存。
二、通信功能的软件实现
2.1串行通信的软件设计
2.1.1UART的驱动程序设计
下面就简要介绍一下相关的寄存器的情况与设置。 (1) 线路控制寄存器 (LCR) 。线路控制寄存器 (LCR) 存放串口传送的二进制位串数据格式, LCR是一个8位的寄存器, 各位的定义如下:d0d1是字长选择位, 若d0d1=00, 传送的字长为5位;d0d1=1时字长为6;d0d1=0时字长为7;d0d1=11时字长为8。d2位是停止位选择, d2=0时停止位为1位;d2=1时停止位为1.5位。d3=0时校验有效;d3=1时检验无效。d4是校验类型位, d4=0时进行奇校验;d4=1时进行偶校验。d7位 (DLAB) 是锁定波特率发生器位, d7=1时访问波特率因子寄存器;d7=0时访问其他寄存器。在本系统中, 使d0d1=11, 选择的8位字长;d2=0, 选择1位停止位;d3=0, 校验有效;d4=1, 选择进行偶校验。 (2) 波特率因子寄存器 (DLL&DLH) 。两个8位的波特率因子寄存器构成一个16位的波特率因子寄存器。在TL16C752的内部具有波特率发生器, 产生发送数据的时钟信号。波特率因子可以通过下列算式求出:波特率因子=基准时钟频率/ (16×波特率) 。 (3) FIFO控制寄存器 (FCR) 。这个寄存器用来设置FIFO的允许/禁止、清除FIFO、设置接收FIFO的触发级别和选择DMA模式。
2.1.2通信的软件设计
在约定的监控系统与保护系统之间采用主从方式进行通讯, 因而保护系统总是被动接收指令, 即始终为从动站。保护系统的通讯模块在完成初始化工作后随即进入接收状态。当通讯接口收到完整的链路规约数据单元 (LPDU) 时将对其进行校错, 出错丢弃这个数据单元。保护系统收到的LPDU有3种类型:第一种是2级数据请求帧, 保护系统将以测量值LPDU作为回答;第二种是1级数据请求帧, 此时先判断FCB是否变化, 有变化则以新的ASDU形成LPDU并填充发送缓冲区, 否则重发上一个LPDU;第三种是命令帧或下传数据帧。在这里我们将2级数据与1级数据同时召唤, 使用户进程得以简化。
2.2以太网通信的软件设计
网络接口通过2个DMA操作来完成数据的接收和发送。本地DMA完成RTL8019A S与其内部FIFO队列之间的数据传送, 远程DMA完成RTL8019AS与CPU之间的数据传送。
2.2.1RTL8019AS的初始化
为了使RTL8019AS启动并处于准备接收或准备发送数据的状态, 必须对相关的寄存器进行初始化。
2.2.2数据的收发
通过对地址及数据口的读写来完成以太网帧的接收与发送。本地DMA完成RTL8019A S与其内部FIFO队列之间的数据传送, 远程DMA完成RTL8019AS与CPU之间的数据传送。
三、结束语
文章设计了通信系统的硬件结构、编写了驱动程序与功能软件。设计的通信系统不仅可以满足以太网组网的要求, 也可以兼容传统的串行通信要求, 将大大地促进电厂和变电站综合自动化的进程。
参考文献
[1]吴在军, 胡敏强, 杜炎森.嵌入式以太网在变电站通信系统中的应用[J].电网技术, 2003, 27 (1) :71-75.
[2]邢萱, 江健, 王晓平.DSP在互联网控制器上的应用[J].微处理机, 2002 (3) :56-57.
以太网通信 篇2
PACSystems是通用电气(GE)公司开发的新一代控制器家族,是可编程自动化控制器(PAC)的杰出代表之一,具有PAC系统多种基本特性。如,单一的控制引擎,通用的开发环境,多域功能(逻辑,运动,驱动等),开放的工业标准,对数据和通信更高要求等,简单的说,PAC系统相比原有的控制系统,基于通用的工业标准,采用模块化的方式和统一的集成开发环境,可以让客户根据需求建立强大,多样化的控制系统,提高对信息的掌控,同时降低开发成本。因此,PAC系统的核心特点可归纳为模块化,网络化和统一化,既是工业标准的统一,也是开发环境和开发方式的统一。
随着以太网技术的发展,它已成为最重要的工业现场总线标准之一。原因如下:1.以太网的响应时间,抗干扰和带宽现在可以满足大部分工业控制系统的要求2.低成本。以太网是Internet网络互联的事实标准,标准稳定,技术成熟,设备厂家众多,使用量大,相比其他工业总线标准,材料和实施成本极低。3.以太网控制总线与Internet网络无缝连接。基于相同的网络协议,在设备通用性和数据传输上有天然优势,在工业控制系统数据网络化的今天,工业以太网是构建控制系统网络的不二选择。
以太网构建工业控制系统的文章众多,但针对最新的PAC系统,介绍很少。本文以Rx3i[1],GE PAC系统家族的一种通用控制器为例,介绍如何在Proficy Machine Edition[2](简称PME,GE控制系统的集成开发环境)中,对在不同网络环境下的项目进行以太网通信配置。
2 局域网通信
2.1 IC695ETM001通信模块
Rx3i控制器能够通过以太网接口模块IC695ETM001[3](简称ETM001),连接任何运行以太网协议的设备和网络。它具有两个10/100Mbps自适应Base T网络接口,具有交换机功能,直通线和交叉线自适应。该模块可与PC,人机界面Quick Panel,GE的其他PAC系统,90系列PLC,Versa Max控制器等进行通信。
2.2 项目配置
通常情况下,Rx3i控制器可以通过ETM001模块与计算机直接相连,也可通过交换机等网络设备使R x 3 i与P C处于同一个局域网,见图2。
当两者处于同一个局域网,PC和ETM001的地址被配置为同一网段的不同IP地址。此时,在PME的项目中,地址可进行如下配置:
1.首先,在项目中选择IC695ETM001模块,并将其IP地址配置为192.168.0.10,子网掩码为255.255.255.0,见图3。此时,计算机地址也必须为在192.168.0网段的不同地址。
2.将项目target配置为Ethernet模式,IP地址与ETM001模块的IP地址相同,见图4。
这样,两台在同一局域网的设备之间就可以实现通信。
3 非局域网通信
当计算机与Rx3i不在同一个局域网,或者计算机在广域网,Rx3i在局域网,中间有网关,见图5。此时,计算机不能直接找到R x 3 i,必须先访问网关地址,然后才能连接Rx3i[4]。本节介绍了两种连接方式,DMZ和VPN。
3.1 DMZ模式
如果网关具有D M Z功能,可以通过在网关中配置DMZ来实现计算机与ETM001的通信。DMZ:demilitarized zone,翻译为隔离区。目的是解决安装防火墙后外部网络不能访问内部网络的问题。通过在内部网络中设立一个单独的隔离区,用于提供一些需要公开的服务。
小型的家用路由器一般具有D M Z功能,而且设置简单。将路由器转发规则中的DMZ主机设置为局域网内ETM001的IP地址。见图6。
此时,PME的项目配置必须同时反映Rx3i的局域网地址和网关地址。ETM001模块的IP地址192.168.0.10不变,增加内网网关地址192.168.0.1,项目中target地址更改为网关的外网地址10.60.40.200.见图7。在计算机与PLC联机前,ETM001模块的地址信息必须与PME中项目的配置信息相同。
DMZ配置简单,缺陷是,使用小型家用路由器DMZ只能实现连接1台P L C,计算机要同时监控一群PACSystems的PLC无法实现。
3.2 VPN模式
VPN((Virtual Private Network,虚拟专用网络),指的是在公用网络上建立专用网络的技术。之所以称为虚拟网,主要是V P N网络的任意两个节点之间并没有专用的物理链路,数据通过架构在Internet上的逻辑网络进行传输。
采用VPN技术实现通信,网关要有VPN功能,计算机上一般须安装VPN客户端。通常,在VPN网关中进行配置步骤如下:
1)配置VPN网关的内外接口地址,见图8。
2)建立外网映射到内网的虚IP地址池和虚ip分配,见图9。
3)建立本地用户数据库和用户认证,用户名与虚ip分配的用户名一致,并添加用户登录的接口,见图1 1。这样,一个标准的VPN网关内配置基本完成,根据VPN网关的不同,可能具体配置略有区别。
4)在计算机上通过VPN客户端与VPN网关建立虚拟网,见图1 1。验证用户名y y和密码后,客户端与VPN网关连通,此时,根据配置,计算机的IP:10.60.40.1 0被映射为内网i p:1 9 2.1 6 8.0.2 4 0。对计算机和PACSystems的PLC来说,此时已经处于同一局域网段,采用第二节的局域网通信配置即可实现通信。由于计算机拥有了局域网内的ip地址,可实现对局域网内所有连机的PACSystems的PLC进行测试和监控,实现了通过广域网对局域网内多台PLC的控制。
4 结束语
本文介绍了计算机与GE PACSystems在不同的联网情况下,如何通过P M E的项目配置,网关设备的配置,采用DMZ和VPN网络技术实现计算机与控制器的通信,使工程师既能在局域网,又能在广域网进行设备的远程控制和监控。
参考文献
[1]GFK-2314B Rx3i Manual[Z].2005.3.
[2]GFS-333E Proficy Logic Developer ME PLC CourseManual[Z].2006.4.
[3]GFK-2332A IC695ETM001Z].2005.4.
工业以太网实时通信技术及进展 篇3
一、工业以太网的技术特点与适应性问题。
1.1以太网的不确定性
众所周知, 随着通信技术的发展, 以太网已经被广泛运用在各种各样的领域中。但因以太网使用的介质访问方式采用的是CSMA/CD协议, 导致其表现出实时性不高和非确定性的特征。也就是说, 带有冲突检测的载波在监听多路访问的过程中, 某一个节点想要发送报文时, 会首先进行网络监听。但当网络繁忙时, 则要等到空闲时才能进行监听, 否则将会立即进行发送, 而如果有两个或者更多的节点监听到网络处于空闲时就会同时发送报文, 势必会造成冲突。因此, 当每个节点在发送报文时, 还需要继续监听网络, 当发生冲突出立即停止发送并等待网络重新空闲时再进行发送。此时, 不但传输数据的时间过长, 甚至还可能存在传送不到的情况, 这也充分体现出以太网通信的不确定性和非实时性。
1.2以太网在工业环境中的适应性问题
事实上, 以太网不能够提供电源, 所以在实际的运用过程中需要提供额外的电缆来供电, 且以太网不是本质安全的系统。前面提到, 以太网采用的是CSMA/CD协议的介质访问方式, 该种方式不能够完全满足工业生产可控制的实时性要求, 具有很高的不确定性。因以太网的最初设计目的是运用商业领域, 传统上应用在办公室和商业用途的以太网能够解决现场总线之间互相不兼容、不同公司的控制器之间高速实时传输数据的目的, 但应用在自动化的工业领域, 还需要解决很多适应性的问题。
二、工业以太网实时性的解决方案
针对以太网的不确定性和环境适应性问题, 对于工业控制领域来说是非常棘手的问题。尤其是在直接进行测控的生产过程现场设备方面, 通信的实时性是当紧急状态发生时, 进行实时传输以及准确传输的必要条件, 因此, 我们必须针对工业以太网的实时性进行解决。
2.1降低网络负荷以提高网络传输速度
其实, 以太网的数据冲突概率是随着数据通信量的增加而增长的, 在网络中如果没有过多的数据通信, 发生发送报文冲突的概率就会较小。而实践证明, 当通信负荷达到25以下时, 一般情况下以太网通信可以保持畅通;如果负荷只在5左右时, 可以完全避免报文发送冲突。在工业控制领域中, 当网络负载低于或者等于10时, 有部分方案会认为这种冲突是可以避免的, 但实际上这些冲突仍然在发生, 尽管概率非常低, 但过低的网络负荷会降低实际利用的以太网带宽, 从而不满足经济性和利用率。
2.2运用交换机提高网络站点的带宽
传统的以太网利用的是共享式的集线器, 这种共享式的集线器其结构和功能仅属于物理层的中继器。因此, 当要将站点连接到共享式的集线器上来共享一个带宽时, 必须遵守以太网的介质访问方式CSMA/CD协议来进行数据发送和接收。而以太网交换机属于一个受控上多端口的开关矩阵, 此时, 各个端口的数据信息流都是相互隔离的, 只有同时处于同一端口上的信息流传送才会互相产生冲突。也就是说, 此时的每一个端口都是一个冲突域, 因此可以通过网络负荷来进行测算, 通过交换机的原理将网络进行分割。将不同的端口分割以形成多个数据通道, 此时, 各个端口上的数据输入和输出就不再受到以太网介质访问方式CSMA/CD协议的限制, 从而实现提高网路各个站点带宽的目标, 然而这种方式的附加成本较高, 运用在现场仪表时, 其存储和转发也存在一定的延迟和不确定性, 因此还有待改善。
结语:总的来说, 以太网的发展将会逐渐迅速, 将其运用于工业控制领域是近几年来工控行业的研究焦点。随着以太网产品和技术的不断推广, 越来越多的技术和产品得到了改善, 以太网应用在工控行业中的不确定性和非实时性还需要进行不断的研究和解决。通过降低网络负荷或者提高网络传输速度的方式, 亦或是利用以太网交换机来提高网络中每个站点的带宽的方式都能在一定程度上解决其不确定性和非实时性。相信在未来, 以太网通信技术还能更好的发挥在工控行业中。
参考文献
[1]王威, 缪学勤.试论工业以太网实时通信技术[J].自动化仪表, 2003, 02:3-6.
[2]王忠锋, 于海斌, 王宏, 徐皑冬, 周侗.工业以太网实时通信中的调度表构建策略研究[J].信息与控制, 2007, 03:261-265.
[3]邓昌建.工业以太网通讯协议和接口技术研究[D].电子科技大学, 2005.
工业以太网非实时通信带宽的测量 篇4
关键词：调度,非实时带宽,瓶颈带宽
工业以太网EPA (Ethernet for Plant Automation) 为了满足通信的确定性, 采用的措施之一就是对处于同一微网段的设备通信进行确定性调度, 将网络中传输的数据分为实时数据和非实时数据, 即周期信息和非周期信息, 所有EPA设备的通信均按周期进行[1]。不同的应用需求对控制网络中这两类数据传输的带宽有不同的要求, 由此在工业以太网实时性性能测试标准中引入了非实时通信带宽这个测试指标。
工业以太网非实时通信带宽的测量, 就是看实际的测量结果是否满足某一应用对控制网络的需求, 同时它可以帮助网络管理人员了解整个网络的状态, 及时发现网络的瓶颈所在, 更重要的是可以给网络设计人员, 特别是网络协议的开发人员提供指导。带宽测量分为链路带宽测量、瓶颈带宽测量和剩余带宽测量[2], 这里的带宽测量属于瓶颈带宽测量。许多网络协议和应用需要知道瓶颈带宽以判断协议和应用的效率。
1 工业以太网的确定性和实时性
1.1 通信确定性与实时性
以太网由于采用CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测) 介质访问控制机制, 因此具有通信“不确定性”的特点, 不能满足工业应用中通信的实时性, 成为其应用于工业数据通信网络的主要障碍[3]。EPA是实时以太网的一种, 是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术, 采用分段化系统结构和确定性通信调度控制策略, 能够适应工业现场特殊需要, 解决了以太网通信的不确定性的问题, 满足了系统的实时性要求。
1.2 确定性调度及时间同步
EPA系统中通讯调度规程处于协议栈链路层, 该规程规定在一个EPA子网段内, 所有EPA设备的时间均应同步, EPA设备的通信均按周期进行, 完成一个通信周期所需的时间T称为一个通信宏周期[4]。一个通信宏周期T分为2个阶段, 其中第1个阶段为周期报文传输阶段Tp, 第2个阶段为非周期报文传输阶段Tn, 如图1所示。
在周期报文传输阶段Tp, 每个EPA设备向网络上发送的报文是包含周期数据的报文。如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值或功能块输入、输出之间需要按周期更新数据。在非周期报文传输阶段Tn, 每个EPA设备向网络上发送的报文是包含非周期数据的报文。如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据, 以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等应用数据。通过划分周期和非周期传输阶段, 网络保证了重要的实时数据有充足的时间进行发送。
1.3 调度组态
EPA组态软件是应用于EPA分布式控制网络的监控软件, 组态软件在自动监控系统中起着重要的作用[5]。EPA组态软件可以对参与调度的设备的相关参数进行设置, 也即设置总的通信宏周期、非实时通信时间和某一设备的周期发包起始时刻及相应的时间片。
2 非实时通信带宽的测试方法
2.1 非实时通信带宽
非实时通信带宽 (Non-RTE bandwidth) :指一条链路上, 能够用于传输非实时信息的带宽占总的带宽的百分比, 测试是需要给出总的链路带宽[6]。
根据前面对工业以太网通信确定性和实时性的介绍可知, 用于传输非实时信息的带宽占总的带宽的百分比即等于用于传输非实时数据的时间占总的数据传输时间的比值。而整个工业以太网的数据通信是按固定的通信周期T来进行的, 在一个周期内非周期数据通信的时间为Tn, 则非实时通信带宽B为
但测量中真正要解决的问题是总的带宽的测量, 也就是定义中提到的那个总的链路带宽。至于比值可以从组态软件中直接读出, 也可以测量得到, 但考虑到当以时间片的形式来组态设备时这一值不可精确测量, 故以从组态软件中读出这一值为依据。非实时通信带宽的测量就以链路的瓶颈带宽和组态软件设置好的时间比值为主要参考, 一般习惯把百分比的形式换算成实际的带宽值的形式, 便于分析比较。
2.2 非实时通信带宽的测量方法
结合实际的技术条件和测试对象, 提出了一种改进了的网络带宽测试算法。这种算法简单易行, 避免了繁琐算法难以实施以及测试工具和条件要求苛刻的缺陷, 用到的测试方法是基于包组或包群的测试方法。
这种基于包群的测试方法所利用的工具仅仅需要两台PC机以及一个高效的网络数据开发包, 基本原理就是向网络上某一条链路在一段连续的时间内注入达到网卡线速的流量, 以完全占据一条链路, 排除干扰流量的影响。然后在这一股流量中除掉最开始和结尾的部分, 在中间位置在利用连续接收到n个大小为p的数据包的时间差Δt求解网络上一条链路的瓶颈带宽b。
这种方法的可行之处在于工业以太网中的设备为嵌入式的, 考虑到其上运行的操作系统及协议栈, 其发包能力原不如PC。实际测量中PC上用的网络数据开发包为Winpcap, 由于和操作系统核心和网卡驱动结合紧密, 在小一段时间内 (1 ms以内) , 利用其缓存发包机制, 可以不受操作系统调度影响, 使网卡的发包速率达到极限。测量中之所以用到n个数据包而不是2个主要是考虑到测量工具开发包WinPcap自身在打印时间戳上会存在误差。
3 非实时通信带宽的测量实现
3.1 测量模型
本测试采用主动测量的方式, 控制台PC向测试代理PC发送包含测试开始、参数设置和终止信息的报文, 测试代理PC根据收到报文的不同而执行不同的操作。整个测试流程由控制台PC控制, 它同时负责测设代理PC发送给它的数据流的接收、处理和结果的显示, 测试软件运行于前台。测试代理PC上的软件运行于后台, 以提高数据发送的效率。
3.2 软件实现流程图
测试中控制台PC上的软件和测试代理PC上的软件的运行流程图, 如图3所示, 图中忽略了一部分细节, 主要给出了大致的框架。控制台PC有两个线程, 一个是主界面线程, 一个是工作者线程。主界面线程负责测试流程控制、参数设置和数据结果显示, 工作者线程完成对数据流的高速处理, 并把处理结果提交给主界面线程。
3.3 软件运行及测试结果
测试软件的运行界面, 如图4所示, 从软件界面可以很直观地解释软件的大致框架和操作流程。测试时首先设置好相关参数再开始测量, 测试可以实时暂停或终止, 测试参数可以实时的更改, 操作很是方便。测试代理的发现由控制台PC广播一规定好格式的报文来实现, 当收到这一报文后, 代理PC会将相关的信息发送给控制台PC, 以后两个PC间的通讯就可以不用广播的形式了。
实际测量中测试结果依不同的链路而不同, 上述测试结果反映的是某一条链路上只有一个交换机的情况。从图4中可以看到, 非实时通信带宽随着帧长的变化而变化, 这主要是由于网络互联设备是基于存储转发的, 不同帧长的数据流在链路的利用率上不同所致。也就是帧与帧之间会有一个时间间隔, 这一间隔随着帧长的增加而增加, 但由于存储转发, 作为一个帧所消耗的时间比帧长这一因素更大, 所以帧长较小的就没有充分的利用链路资源。
4 结束语
考虑到网络带宽的测量已经很成熟, 有很多种测量方法, 尽管没有一种绝对完善和精确的方法 [5,6,7,8]。文中重点不在网络带宽测量方法的突破上, 而在于根据工业以太网自身的特殊性, 重点介绍其测量的背景和测试方法的选择与改进。文中给出了非实时通信带宽的定义, 介绍了与之联系密切的确定性、实时性、通信调度、组态和测量用到的开发包Winpcap, 研究了非实时通信带宽的测量方法, 最后给出了测量模型、流程图、软件测试界面及结果。事实证明这种测量方法是可行的, 结果令人满意。
参考文献
[1]缪学勤.论六种实时以太网的通信协议[J].自动化仪表, 2005, 26 (4) :1-6.
[2]陈中林, 牛志升, 金跃辉, 等.网络限速条件下的瓶颈带宽测量新方法[J].计算机应用与软件, 2006, 23 (5) :99-101.
[3]宋亚亮, 王平, 范生凯.EPA通信协议栈设计中的关键技术研究[J].微计算机信息, 2008 (2) :39-40, 19.
[4]孙攀, 王平, 谢昊飞.以太网工厂自动化协议中确定性调度的研究与实现[J].计算机集成制造系统, 2007, 13 (3) :563-567.
[5]冯小华, 王彦邦.工业以太网EPA实时性能测试中递交时间的确定[J].电子科技, 2008, 21 (9) :54-58.
[6]楼正华.基于EPA的电机控制系统的开发[J].计算机网络, 2008 (4) :157-159.
[7]IEC.IEC61784-2:Digital Data Communications for Measurement and Control-Part2:Additional Profiles for ISO/IEC8802-3Based Communication Networks in Re-al-time Applications[S].USA:IEC, 2005.
有关以太网通信的微机保护的研究 篇5
一、硬件构成
1、串行通信接口
装置中, 考虑到需要处理的数据较多, 数字算法的计算量大, 因此在保护CPU的选择上采用的是TI公司的新一代高性能32位浮点DSP芯片TMS320VC33。由于在VC33的内部结构中没有集成通用异步接收发送器 (UART) , 所以当保护系统与厂站局域网、远方调度进行数据通信, 并要求有较高的实时性时, 就必须扩展异步通用芯片, 以求得到较高的通信速度。本装置采用的通用异步接收发送器芯片是TI公司的TL16C752, 它具有低功耗、高速度的特点, 最大数据传输速率可达1.5Mb/s, 且接收器与发送器相互独立, 可进行DMA操作, 控制灵活方便。同时还具有回读功能, 可以在线诊断, 它提供了两组增强型的独立UART接口, 具有16字节的发送和接收FIFO、MODEM控制接口和通信状态寄存器。
2、以太网接口
在装置中选择RTL8019AS作为以太网控制芯片。选择好DSP芯片和网络芯片之后, 要以TMS320VC33和RTL8019AS构建以太网, 关键在于DSP处理器与网卡控制芯片之间的接口设计。下面就讨论TMS320VC33芯片与RTL8019AS芯片之间如何进行连接, 从而实现有效的数据通信。
二、通信功能的软件实现
1、串行通信的软件设计
(1) UART的驱动程序设计
对于通用异步接收发送器 (UART) TL16C752的驱动程序设计, 就是对与DSP芯片通信相关的内部寄存器进行操作, 下面就简要介绍一下相关的寄存器的情况与设置。
线路控制寄存器 (LCR) :线路控制寄存器 (LCR) 存放串口传送的二进制位串数据格式, LCR是一个8位的寄存器, 各位的定义如下:d0d1是字长选择位, 若d0d1=00, 传送的字长为5位;d0d1=1时字长为6;d0d1=0时字长为7;d0d1=11时字长为8。d2位是停止位选择, d2=0时停止位为1位;d2=1时停止位为1.5位。d3=0时校验有效;d3=1时检验无效。d4是校验类型位, d4=0时进行奇校验;d4=1时进行偶校验。d7位 (DLAB) 是锁定波特率发生器位, d7=1时访问波特率因子寄存器;d7=0时访问其他寄存器。在本系统中, 使d0d1=11, 选择的8位字长;d2=0, 选择1位停止位;d3=0, 校验有效;d4=1, 选择进行偶校验。
波特率因子寄存器 (DLL&DLH) :两个8位的波特率因子寄存器构成一个16位的波特率因子寄存器。在TL16C752的内部具有波特率发生器, 产生发送数据的时钟信号。波特率因子可以通过下列算式求出:波特率因子=基准时钟频率/ (16×波特率) 。在本系统中, 我们采用的基准时钟频率为1.8432MHZ, 先将LCR中的d7置1以便访问波特率因子寄存器, 再将波特率因子寄存器写为16, 将波特率设为9600。接着将LCR中的d7写回0, 以便访问其它寄存器。
FIFO控制寄存器 (FCR) :这个寄存器用来设置FIFO的允许/禁止、清除FIFO、设置接收FIFO的触发级别和选择DMA模式。先将FIFO的d0写1, 以使能接收与发送FIFO;将它的d0d1全写1, 用于复位接收与发送FIFO;将d6d7两位写1, 设置接收器FIFO中断的触发标准为60characters。
(2) 通信的软件设计
除了发送接收程序段在定时器中断中执行以保证稳定的通讯速率外, 保护软件通讯模块的大部分工作在主程序初始化后的死循环中进行。使用了串口芯片的FIFO功能以提高通讯的速度。
2、以太网通信的软件设计
通过对DSP编程, 来实现RTL8019AS初始化、发送数据、接受数据, 嵌入式TCP/IP协议等功能, 在处理数据步骤之前, 还需要对网络控制器进行必要的检测、复位和初始化。网络接口通过2个DMA操作来完成数据的接收和发送。本地DMA完成RTL8019AS与其内部FIFO队列之间的数据传送, 远程DMA完成RTL8019AS与CPU之间的数据传送。
(1) RTL8019AS的初始化
要进行网络通信就必须对网络控制芯片初始化, 初始化比较烦琐, 但是它有着非常重要的地位, 往往决定着网络通信的一些重要参数。为了使RTL8019AS启动并处于准备接收或准备发送数据的状态, 必须对相关的寄存器进行初始化。这些寄存器主要包括指令寄存器CR, 数据结构寄存器DCR, 远程字节数寄存器RBCR, 页面开始寄存器PSTART, 页面停止寄存器PSTOP, 中断状态寄存器ISR, 中断屏蔽寄存器IMR, 实际地址寄存器PAR0-5, 多点地址寄存器MAR0-7, 当前页面寄存器CURR, 传输配置寄存器TCR, 接收结构寄存器RCR。
(2) 数据包的接收
以太网数据包的接收过程和数据包的发送过程刚好相反。首先是将网络上的电信号变成数据存入芯片的接收缓存中, 然后主机设置好远端DMA开始地址 (RSAR0, 1) 和远端DMA数据字节数 (RBCR0, 1) , 并在CR中设置“写数据”, 从远端DMA口寄存器里把数据从芯片RAM读到系统RAM中。接收缓冲区构成一个循环FIFO队列, PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页, 这两个寄存器的设置是在以太网控制芯片的初始化中完成的。CURR为写入指针, 受芯片控制, BNRY为读出指针, 由主机程序控制, 根据表达式“CURR=BNRY+1”可以判断是否收到新的数据包, 当CURR=BNRY时芯片停止接收数据包。
(3) 嵌入式TCP/IP协议选择
TCP/IP协议实质上是一系列协议的总称, TCP/IP协议是一组不同层次上的多个协议的组合, 包含十几个协议标准。本文介绍的以太网接口是专门为继电保护而设计的, 不要求实现所有的TCP/IP协议, 所以选择的嵌入式TCP/IP是对TCP/IP协议族进行选择并简化而形成的协议集合。
本文介绍了微机保护的一种通信系统, 该通信系统采用以太网通信与串行通信相结合的方式构成。文章设计了通信系统的硬件结构、编写了驱动程序与功能软件。设计的通信系统不仅可以满足以太网组网的要求, 也可以兼容传统的串行通信要求, 将大大地促进电厂和变电站综合自动化的进程。
摘要：本文根据微机保护通信系统的要求, 设计了由以太网与串行通信相结合的通信系统, 阐述了通信系统的硬件构成, 完成了相关驱动程序与通信功能软件的编写。开发的通信系统对于提高电力系统综合自动化水平具有重要的现实意义。
关键词：通信专业,微机保护,以太网
参考文献
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[2]李正天.新型发电机保护装置及其通信系统的研究[D].华中科技大学硕士学位论文, 2005.
以太网通信 篇6
在某些情况下, 程序开发人员需要对计算机的键盘进行控制, 此种控制分为两种情况, 一种情况是在本地进行计算机键盘控制, 比如Windows操作系统自带的软键盘, 可以实现计算机键盘的操作效果; 另外一种情况是在远端对计算机键盘进行控制, 比如无线键盘, 但是可能存在信号遮挡和距离受限问题。 本文设计了一种基于以太网通信的有线遥控键盘, 可以实现对计算机键盘进行远距离控制。
2遥控键盘的含义
本文所设计的遥控键盘是通过有线的方式, 实现对键盘的远距离控制。 遥控键盘可以是用户自行设计的硬件实体键盘, 也可以是远端软件键盘或者远端键盘控制程序模块。 遥控键盘的使用方式如图1所示, 将遥控键盘通过以太网和实体计算机进行连接, 用户通过遥控键盘上的操作, 实现对计算机的操作控制。
3遥控键盘设计的基本原理
遥控键盘设计的基本原理如下:(1) 遥控键盘产生按键事件。 按键事件可以是针对实体键盘中所有的按键, 也可以是其中个别按键, 根据用户设计需求而定;(2) 遥控键盘将按键事件通过以太网传输给实体计算机中的键盘控制模块; (3) 实体计算机中的键盘控制模块接收到遥控键盘传输的按键信息后, 驱动计算机产生键盘单击事件, 进而实现遥控键盘的远程按键输入。
4遥控键盘的实现
遥控键盘的实现主要包括3部分: (1) 怎样产生遥控键盘按键事件,(2) 产生的遥控键盘按键信息如何通过以太网传输给实体计算机,(3) 实体计算机怎样接收遥控键盘按键信息并产生按键事件, 即按键驱动程序怎样实现, 下面进行分别阐述。
4.1遥控键盘控制事件的产生
遥控键盘按键事件的产生, 可能是由实体硬件遥控键盘、 软件遥控键盘产生, 也可能是由远端键盘控制程序模块产生, 控制事件产生源不同, 对应实现方式也不尽相同。 以硬件遥控键盘为例, 可以通过单片机编程方式实现遥控键盘主控程序, 产生键盘按键事件, 通过单片机以太网传输给实体计算机。
4.2键盘控制事件以太网传输
遥控键盘按键信息的传输通过以太网进行实现。 以太网传输时, 高层通信协议的选择有两种:(1) 选择面向连接的TCP协议。 利用TCP协议传输按键信息时, 每一按键信息的传输均需要经过3个过程: 建立连接、 按键信息传输和拆除连接, 因此, 传输时延相对较大, 但是信息传输可靠性较高。 因此, 选择TCP协议进行按键信息传输比较适合对按键信息可靠性要求较高而时延要求相对较低的场合。(2) 选择面向无连接的UDP协议, 通过UDP协议实现按键信息传输时, 无需首先建立连接, 按键事件一旦产生即可进行传输, 传输之后也不需要拆除连接, 因此传输时延较小。 但是, 由于传输过程不需要建立连接, 而且UDP协议也没有重传等差错控制机制, 数据传输可靠性较低。 因此, 采用UDP协议比较适合对传输时延要求较高、 按键频繁而对可靠性要求不高的场合, 至于按键信息在传输过程中可能丢失的问题, 可以通过重复按键即可解决。
4.3按键驱动程序
按键驱动程序的实现是基于以太网通信的遥控键盘设计的核心与关键, 通过VC++ 6.0进行实现。
4.3.1遥控键盘接收模块
为实现接收按键信息, 按键驱动程序专门建立接收线程, 用于接收按键控制信息。 建立线程核心代码如下:
Open Thread (m_Socket HTR,CVariable::m_software Rx- Port,Recv Proc HTR);
其中, m_Socket HTR表示用于接收按键控制信息的UDP套接字 , m_software Rx Port表示按键 驱动程序 接收端口 , Recv Proc HTR表示接收线程函数。 Recv Proc HTR函数实现如下:
其中, WM_RECVDATAHTR为按键信息来临时所对应的消息, 主要用于接收按键信息, 该消息的响应函数如下:
其中, Send Command HTR (r Ch) 函数用于将接收到的按键信息转换为驱动键盘响应的消息。
4.3.2键盘驱动模块
接收到的按键信息转换为驱动键盘响应的消息时, 调用键盘驱动模块, 键盘驱动模块主要通过keybd_event() 函数进行实现。 keybd_event() 函数可以产生键盘单击事件, 其函数原型为:
其中, b Vk表示键盘虚拟键代码, 键盘中每个按键都对应一个虚拟键代码, 具体值可以查看MSDN后3项参数, 在无特殊要求时可以设置为0, 其具体含义可以查看MSDN, 不再进行赘述。
利用keybd_event函数实现键盘驱动核心代码为:
keybd_event(b Vk ,0,0,0);
其中, b Vk的具体值是根据4.3.1中接收到的按键信息转换而来的虚拟键代码。
5实验分析
根据设计思路及实现方法, 在所承担的项目中进行了实验, 并成功实现了基于以太网通信的遥控键盘, 实验条件如表1所示。
实验过程中, 遥控键盘实现中文输入的效果如图2所示。
实验结果表明, 基于以太网通信的遥控键盘可以替代计算机自带实体键盘, 实现远程输入法切换、 中文输入、 英文输入, 而且按键输入流畅, 不受传输距离限制, 达到了实验目的。
6结语
一种提高以太网确定性通信的方法 篇7
以太网是开放的、数字化的通信网络, 能简单方便地把工业控制网络和企业信息网络连接起来, 实现工控企业管理的一体化, 且通信速率极高, 数据传输量超大, 拥有良好的扩展性和自适应特性, 相比其他通信协议它更具开放性[1]。这些优秀的性能使它成为了现在大部分局域网采用的最广泛的网络协议标准。我们的目的是在以太网基础上实现实时通信, 实时通信网络的要求是数据传输时间的确定性, 即保证在可以衡量的时间范围内系统得到响应。
为此, 在过去的几年里, 已经提出了多种基于以太网确定性通信方案的协议。此文中, 将应用与CAN现场总线通信的相似传输特性。我们知道CAN网络是一个实时通信网络, 广泛应用于现代工业场合, 它对于少量信息的传输是一个最佳的通信协议。CAN总线上的信息有不同的优先级, 优先级高的信息总是能获得访问总线的权限。因此, 对于高优先级的信息的传输延时长短是可以保证的, 能够进行实时传送, 但是和其他网络通信协议相比, CAN总线有明显的不足, 通信速率很小, 最大才1 Mb/s, 数据传输量也很小 (8字节) , 难以满足大型数据传输的应用场合。鉴于此, 在以太网基础上, 结合CAN的实时传输特性, 提高以太网的传输时间实时性, 来满足现代工业控制场合的大数据实时传输控制要求。
1 以太网的传输特性
1.1 以太网协议
标准的以太网协议是以CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测) 技术为基础的, 网络上的各工作站点对总线进行侦听以确认总线是否空闲[2]。如果监测到总线处于空闲状态, 需要发送数据的站点就开始发送数据。如果两个或两个以上的站点同时开始传输数据, 那么冲突就产生了。在这种情况下, 访问机制会首先确保站点单元停止传输数据, 而后根据预定义的随机选择算法, 工作站点再次尝试发送数据。这个过程将会反复执行直到碰撞消失。
1.2 实时性
实时性的一个重要特征就是时间的确定性, 通信时数据传输时间不是随机的, 而是可事先确定的。若一个事件发生后, 则系统会在一个可确切预料的时间范围内做到响应。反应速度由被控制过程来决定。对于高精密性的控制系统, 实时性的要求就会更高了[2]。
由以上可知, 虽然以太网具有很高的传输速率, 但是却不能确保实现控制设备间的实时控制通信。如上以太网协议只确保了数据的安全传输, 可是从确定性方面来看, 这却是一个很大的障碍。它允许数据传输时间可以被任意推迟, 所以也就不能实现数据的实时快速通信 (时间的确定性) 。要想使以太网技术在不改变其已有标准的大前提下实现以太网传输的确定性, 以太网传输的确定性又由传输时的抖动和延时以及碰撞所影响, 因此要找到一种解决方案来减少传输时的抖动、碰撞, 来提高以太网传输的确定性[3,4]。
1.3 抖动
在高速传输通道中, 抖动也是影响以太网确定性的关键因素, 目前存在的常用的所有通信协议中, 都有一定程度范围内的抖动。在实时控制系统中, 抖动的范围应保证它可以衡量, 使系统服务得到及时响应, 若系统不能实时响应, 有可能会引起灾难性后果, 抖动示意图如图1所示。
有关信息传输时的抖动的标准偏差如式 (1) 所示, N是数据包的总数量, xi是每个延时传输的数据包, x是每个包延时的平均值:
在下面的仿真分析中, 将会用标准偏差来测试传输时的抖动性。
1.4 BEB算法及作用
算法原理:选取最小退让时间作为基数, 假设2τ, 也就是一个争用期时间。定义一个参数N, 为碰撞后重传的次数, N=min[重传次数, 10][5,6]。从离散型整数集合[0, 1, 2, ……, (2N-1) ]中, 随机取出一个数记做R。那么重传所需要的退让时间为R倍的基本退让时间, 如式 (2) 所示, 即:
同时, 重新传输的次数也不是不眠不休地进行, 当已经重新传输了16次还不成功, 就放弃该帧, 发送失败, 报告给高层协议。此算法的作用:站点检测到碰撞并发完阻塞信号后, 为了降低再次碰撞的几率, 需要等候一段时间, 然后再传输数据[7]。二进制指数退让算法保证了这种退让操作的稳定, 但是也带来了等待时间的不确定性, 无法进行实时传输。
2 建模原理与实现
2.1 网络仿真模型原理
在通信网络中, 当一个站点需要发送数据时, 它会先监听总线 (传输介质) , 若传输总线已被占用, 它将推迟发送直到总线空闲。若多个站点同时检测到空闲并开始传输数据, 那么碰撞就会产生[8]。在这种情况下, 随机时间间隔的二进制指数退让算法的具体应用如下:
当碰撞发生时, 每个CSMA/CD站点会选择一段时间延时来避免冲突, 这段时间的大小由退让值来决定。每个单元在每次冲突碰撞中的退让时间值将会乘以2 (最大值的上限为1 024) 。初始化退让时间值为最小退让值, 每个CSMA/CD站点根据平等分配原则在最大退让值范围内随机选择一个退让时间。当数据成功传输后, 传输单元把退让值设置为0。如果同一数据包由于碰撞的发生, 传输了16次还没成功, 二进制指数退让算法将会强迫该单元丢弃该数据包, 而且退让值也将会清零, 若有新的数据包, 则重新分配最小退让值。
2.2 网络通信节点组成
结合以上原理在Matlab上建立模型框架, 控制系统由12个CSMA/CD站点组成, 它们共享以太网总线带宽。为了能够评估系统传输数据时的平均延迟和消息传输时的抖动等特征。在这个特定的设置中, 把所有的站点单元平均都以每秒100个数据包的速度传输数据, 包的固定大小为128 bytes。每个站点单元由以下结构构成:数据处理有关的应用程序模块、MAC控制器管理以太网单元使用的共享通道和T型结点, 把该站点链接到网络模型上, 具体模型如图2所示 (由于篇幅原因只画部分, 共12个) 。
在这个模型框架中, 可以指定数据包生成率和应用程序块的数据包大小范围、MAC控制器块的发送缓冲区的长度。为了便于实验, 规定缓冲区大小为20个数据包长度, 发送速度为100数据包/s (数据源有一定的抖动:假设每个数据包抖动为10μs (标准偏差) ) 。
2.3 以太网通信网络模型的实现
在以太网通信方案模型中需要设置3步:首先要有同步触发信号, 其次为每个以太网数据包分发一个发送时间槽, 最后分配给每个MAC不同的最小退让时间。在这模型中, 数据包的长度固定为128 bytes, 传输速度为100 Mbps。固定的长度和固定的顺序使包的传输时间可以预测, 减少数据包传输期间的碰撞。
同步信号:实时应用程序要求严格同步, 以便于在定义的传输周期内, 消息的传送控制得到保证。在这个模型中使用内部时钟信号作为同步信号, 这意味着在这些站点中共用一个精确的时钟, 以便于所有的站点能够给在自己的时间槽上传输数据。
专用时间槽:在这个通信网络模型中, 为每个站点单元指定专有的时间槽, 消息在各个已经分配好的时间槽上发送数据, 避免发生碰撞。图3显示了通信方法。
应用不同的最小退让时间:尽管数据在已经定义好的各自的时间槽内发送, 但是由于抖动的影响, 有的CSMA/CD单元的传输时间可能超过它们的时间槽, 从而引起冲突的发生。
对于这个问题, 在半双工以太网通信网络中采用二进制指数退让算法 (BEB) , 为每个站点单元分配专有的最小退让时间值。
3 测试数据采集及性能指标
我们的目的是通过分析研究不同的最小退让值和发送时间对实时通信的影响, 所以在以下分析方法中, 给这12个MACs分配不同的最小退让时间或者随机分配, 或者按线性方法分配, 以此来分析比较各种方法的性能。图4、图5、图6分别是在4种方案下测得的抖动、延时及碰撞次数的数据曲线图。
方案一:线性增加最小退让时间。给这12个MACs线性分配最小退让时间, 如表1所示。这种方法的思想是不同数据包在第一次发生碰撞时, 给每个MAC站点单元线性分配不同的最小退让时间, 然后运用二进制指数退让算法来降低数据包发送时的碰撞概率。因此, 在此网络模型中指定的最小退让时间如表1所示, 通信性能如图所示, 最小抖动为0.690 1 ms, 最大抖动为1.236 1 ms, 平均抖动和平均延时分别为0.916 0 ms和1.221 9 ms, 但是前一半的MAC站点单元的碰撞次数却很大, 尤其是第一次竟达到112 228次, 平均碰撞90 098次。
方案二:相同的最小退让时间, 数据包在各自的时间槽中发送。同上述一样, 在以太网通信网络中每个站点单元的最小退让时间均为51.2μs, 但是发送时间不同, 每个数据包都在分配好的时间槽内发送。通过观察数据可知最大抖动为1.100 3 ms, 最小抖动为0.696 1 ms, 平均抖动为0.895 6 ms, 平均延时为1.166 6 ms, 冲突次数平均80 137次, 明显减小。
方案三:相同的最小退让时间和相同的发送时间。在这种情况下所有的数据包的最小退让时间为51.2μs, 测得数据如上图所示, 最大抖动为1.519 3 ms, 最小抖动和平均抖动分别为1.012 1 ms和1.326 8 ms。平均数据传输延时为1.763 6 ms。观察可知, 由于数据在相同的时间段发送, 发生延时的时间和抖动时间明显高于方案一和方案二, 对于实时性有较大影响。
方案四:随机分配最小退让时间。在这次模拟测试中, 用产生的随机数乘以51.2μs作为各个站点单元的最小退让时间值, 如表1所示。这样做的目的是保证每个站点单元的最小退让值随机性不同, 这样引起的抖动也小。随机产生的数所得到的最小退让时间值如表1所示, 这种情况下统计得知最小抖动和平均抖动分别为0.465 6 ms和0.699 6 ms。最大抖动和平均延时分别为1.032 8 ms和1.061 5 ms。综合以上方案可知, 当一个站点的最小退让值很大时, 它的抖动也很大。总体来说, 在不同的最小退让值时间情况下, 随机产生的最小退让时间值能够有效避免站点单元重复进入退让状态。随机产生最小退让值的情况下, 平均冲突次数也大幅减少到71 026次。
4 实验对比分析
通过以上4种方案实验结果对比分析, 方案四为最佳, 可以看出最小退让时间对网络通信性能的影响:较小的和相似的最小退让时间很容易引起较高的抖动。随机的最小退让时间能使站点单元不再重复进入退让 (等待) 状态, 碰撞概率和抖动也大幅减少, 提高了整个网络通信的快速实时性和成功率, 而且还能很好地利用网络拥塞控制, 充分利用了网络宽带, 极大提高了网络通信性能[8,9]。
5 结束语
通过Matlab事件仿真模块构建了一个基于CSMA/CD协议的仿真模型。通过时钟同步信号触发, 数据包在各个站点单元的时间槽内发送, 当碰撞发生时, 结合随机产生的最小时间退让值, 应用二进制指数退让算法进行避让, 减少冲突。在这个实验中, 通过传输时的碰撞、抖动和延时来分析最小退让时间值对通信网络性能的影响[10]。实验结果表明, 给MAC控制器选择合理的最小退让时间值, 能有效减少延时和抖动。如果现实中有设备要求高, 也可以为特定的某一个MAC站点单元指定一个专有的退让时间值, 以期使它的抖动降到最低。通过这种简单的方法, 在实际应用中, 可以结合自己的需求, 来减少站点的延时和抖动, 可以有效提高以太网通信的确定性 (实时性) 。
摘要：提出一种方法来实现以太网通信的确定性, 应用多个媒体访问控制器组成半双工以太网用于模拟实时通信网络;通过分析和探讨最小退让时间对数据传输方面 (主要是冲突、抖动和延时) 性能的影响, 提出在时间槽内传输帧数据并随机指定最小退让时间;应用二进制指数退让算法 (BEB) 改善带宽利用率, 来提高以太网传输时间的确定性 (实时性) 。在这个仿真实验中, 为每个基于CSMA/CD协议的控制器单元分配不同的最小退让时间 (指定的范围) , 来减少数据包的冲突、抖动和延时。测试表明, 随机分配的最小退让时间, 整个通信网络的实时性大大 (确定性) 增强。
关键词：以太网,二进制指数算法,抖动和延时,确定性,退让时间
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