工业以太网与现场总线

1、工业以太网与现场总线现场总线的出现不仅简化了系统的结构，还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化，所以现场总线技术的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，近十多年来也在工业控制领域得到了迅速发展，并且在工业自动化系统中得到了广泛的应用。但现场总线技术至今还没有一个统一的标准。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。正当现场总线标准大战之时，以太网悄悄进入了控制领域，从而产生了一个新的名词“工业以太网”，并且由于以太网传输速率较现场总线更快等优势，以太网技术一出生就风华正茂，近年来其势头更是盖过了现场总线。然而，正如当年的现场总线的标准之争一样，工业以太网也出现了多种不同的以太网技术，如Ethernet/IP，Profinet，ModbusTCP，EtherCAT，Powerlink等，而且这些网络在不同层次上基于不同的技术和协议，包括了OPC，CP，IP等，而且，每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持，这就决定了多种以太网技术并存的局面。无线技术，从复杂的布线到如今仅需要一台无线信号发射器，从依赖PC机到现在可利用任何配有无线终端适配

2、器的设备，连接网络呈现出在任何时间、任何地域、任何设备上都畅通无阻的现状。技术的发展同时也推动了社会的进步，无论是军用产品、工业产品，甚至民用产品，无线技术俨然成为社会发展中必不可少的一部分。相比有线网络，无线网络具有移动性，没有通信线缆的限制，通信终端可以在通信区域内自由移动或随意布置;组网快速灵活，安装无线通信系统避免了安装有线网时挖掘电缆沟、铺设电缆的繁琐工作，减轻了施工量;覆盖面积广，无线通信可以遍及有线通信可以到达的区域，还可以在不方便使用有线网的地方实现数据通信;扩展能力强，可以组成多种拓扑结构，十分容易扩展节点。当然，现阶段人对无线技术的安全性、可靠性、性价比情况等，仍持有怀疑和观望态度，对无线技术适合怎样的工业应用亦不甚了解。现场总线、以太网、无线技术各有优劣，那么谁才会是未来的主导方向呢？显然对所有生产商或机器并非只有一种技术才是“正确的”方案?生产商必须权衡各类方案带来的价值。有没有比采用普通方案带来的利益更有价值的另一种利润?如果有，这些方案如何和几年内维护另一个工厂层技术和对应供应商关系的成本相比较?这是个关键的问题，并且只有最终用户可以回答。同样，这些问题也适

3、用于现场总线和以太网技术，甚至是将来无线网络方案的选择。 CAN简介现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN(ControllerAreaNetwork)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;其次,CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CAN

4、L与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的

5、,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAEJ1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA2000等。 PCI 设备 RTX 驱动开发方法1. RTX 下操作外设时, 需要把设备从 Windows 移动到 RTX 下面,具体移植方法可以参考 RTX Help 文档中间 Converting a Windows Device to an RTX Device 一节或者参考附件2. PCI驱动程序的特点在设计驱动程序之前，首先要对欲控制的硬件设备进行细致地分析，更需要详细了解硬件设备的特性

6、。硬件设备的特性会对驱动程序设计产生重大的影响。需要了解的最主要的硬件特性包括：(1) 设备的总线结构设备采用什么总线结构非常关键，因为不同的总线类型（如ISA和PCI）在许多硬件工作机制上是不同的，所以驱动程序设计也不同。(2) 寄存器要了解设置的控制寄存器、数据寄存器和状态寄存器，以及这些寄存器工作的特性。(3) 设备错误和状态要了解如何判断设备的状态和错误信号，这些信号要通过驱动程序返回给用户。(4) 中断行为要了解设备产生中断的条件和使用中断的数量。(5) 数据传输机制最常见的数据传输机制是通过I/O端口（port），也就是通过CPU进行数据读写。PC的另一种重要的传输机制是DMA，但PCI规范不包括从属DMA的说明。(6) 设备内存许多设备自身带有内存，PCI设备大多是采用映射的方式映射到PC系统的物理内存。有的设备还要通过驱动程序设置设备的接口寄存器3. RTX 驱动整体架构使用 RTX Device Driver 开发向导, 选择支持(1) Interrupt Service Routine (ISR)(2) Support for Sharing an Interrup

7、t(3) Basic Port I/O Support(4) Basic Mapped Memory Support,即可生成 RTX PCI 设备驱动程序框架。该程序框架分成两个函数, Driver 文件和 DriverFunc 文件：Driver 文件主要包括 main 函数，中断服务程序和中断服务线程;DriverFunc 文件主要是对 PCI 设备的基本操作函数, 包括 PCI 设备搜索， PCI 设备初始化，使能或关闭中断， 处理 PCI 设备共享中断, 以及 PCI 驱动程序资源清理等函数。4. 完整的 RTX PCI驱动基于RTX PCI 设备驱动程序框架, 用户需要添加相应的代码, 下面基于反射内存卡的 RTX 驱动进行分析。反射内存卡的基本特点:(1) PCI、PCIe、PMC、VME 外形, 节点之间组成环形连接或通过光纤 Hub 组成星型连接(2) 节点之间数据确定性的传输延迟, 延迟小于 750usPCI 反射内存卡的 RTX 驱动也分成 Driver 文件和DriverFunc 文件两个文件。Driver 文件主要包括 main 函数，中断服务程序和中断服务线

8、程, 下面是详细的分析：(1) Main 函数:Main 函数并不是 RTX PCI 驱动程序的一部分, 准确的讲它是如何使用 RTX PCI驱动程序的流程。用户需要做的工作:a. 在 RTX PCI 设备驱动程序框架生成的 main 函数需要在设备初始化 (DeviceInit() 完成之后与使能 PCI 中断之前添加设备打开(open()函数, 该函数的功能主要是创建信号量和初始化板卡.b. 使能 PCI 中断之后, 用户即可调用 PCI驱动程序里的读写等函数写一段简单的读写测试程序。(2) 中断服务程序:这个函数接收到中断后交给中断服务线程来处理, 用户一般不需要改动。(3) 中断服务线程:中断服务线程主要完成读取和记录 PCI 板卡的中断信息, 释放相关的信号量等工作, 一般不完成具体的中断处理工作。PCI 驱动程序一般还提供一个函数来捕捉这些释放的信号量, 完成中断具体含义的解析工作。DriverFunc 文件主要是对 PCI 设备的基本操作函数, 包括 PCI 设备搜索， PCI 设备初始化，使能或关闭中断， 处理 PCI 设备共享中断, 以及 PCI 驱动程序资源清理,

9、数据读写, 发送和接收消息类中断等函数。下面是详细的分析：(1) DeviceSearch 函数这个函数根据 PCI设备的 Vendor ID 和 Device ID 搜索 PCI 设备, 返回 PCI 配置信息和 slot Number. 用户修改 Vendor ID 和 Device ID 即可。(2) DeviceInit 函数PCI设备初始化函数. 该函数中间调用了两个RTX 系统函数RtTranslateBusAddress() 和 RtMapMemory(), RtTranslateBusAddress() 作用为把 PCI 设备地址转换为 CPU 可以直接访问的物理地址, RtMapMemory() 函数把物理地址映射到虚拟地址。映射到虚拟地址空间后 ring3用户即可以读写 PCI 内存空间或者 I/O 空间了。用户需要关注的是物理地址到虚拟地址映射的地址范围，一般设置为 4K Bytes. RtMapMemory() 函数默认最大可以映射的地址范围为 64M Bytes, 如果需要更大的范围, 可以参考内存管理一节。(3) Enable/Disable Interrupts On Chip 函数使能或者关闭 PCI 设备上的中断。用户根据 PCI 设备进行修改。(4) IsMyInterrupt函数RTX 下 PCI 设备中断号可以共享。如果有 RTX 下 PCI 设备共享, 需要在该函数中间区分是否是该设备的中断.(5) DeviceCleanup 函数该函数释放中断句柄和

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