作者：南京航空航天大学 自动化学院 付海洋 赵敏 刘延飞

摘   要：介绍了所开发的Ethernet接入模块，重点论述了基于Ethernet接入模块的机动车安全性能检测线监控系统各种功能的实现。

关键词：Ethernet接入模块；  TCP/IP协议；  监控系统

引言

    以太网(Ethernet)因其技术成熟，通信速率高，硬件产品种类丰富、价格低廉，已在商用计算机的通讯领域和工业控制系统的信息管理领域得到了广泛的应用。但长期以来由于Ethernet采用的介质访问控制方式是冲突检测载波监听多点访问CSMA/CD,决定了Ethernet通信具有不确定性，成为其应用于工业自动化控制网络的主要障碍。

    随着以太网通讯速率成几何级数的增长，百兆/千兆网技术的成熟、交换机技术和全双工通信方式的发展，以太网在低网络负荷时通信响应确定，并能可靠传输工业现场数据，使以太网用于工业现场具备了现实可能性。与其它现场总线相比，采用以太网的工业控制网络具有结构简单、设备成本低、传输距离远等诸多显著的优点。

    以太网进入控制现场的关键是现场设备的嵌入式Internet技术，目前已开发出的产品主要是在现场设备的16位或32位高性能MCU上驻留TCP/IP协议栈，通过与设备上的WEB服务器交互来达到监控设备的目的。对于中小型的普通工业控制现场而言，这类产品价位偏高，并不实用。笔者开发了基于通用8位单片机的Ethernet接入模块，应用于机动车安全性能检测线现场，设计并完成了一套功能完备的机动车安全性能检测线监控系统。

监控系统结构

    机动车安全性能检测线监控系统如图1所示。现场各检测设备(含光电管、继电器等)通过Ethernet接入模块与监控节点、数据库服务器、WEB服务器构成总线式Ethernet网络，其物理层实质上是基于交换式集线器的星形结构。

    系统中，Ethernet接入模块嵌入各检测设备，一端与检测设备的I/O接口或RS-232等串口通信，另一端接入基于TCP/IP协议的以太网。现场检测的控制主要靠主控机来完成，依据流程，主控机通过Ethernet接入模块和各检测设备之间进行控制信息交互，从检测设备读取的检测数据存入网络数据库中。监控管理机除可以进行检测项目、标准、权限设定等静态管理外，还可对现场的任一检测设备进行实时监控。远程监控中心通过Internet访问检测线的Web服务器，根据权限实现对检测线的远程监控，亦可借助Internet供应商提供的服务，通过Ethernet接入模块直接对现场设备进行控制。

图1  机动车安全性能检测线监控系统

图2  Ethernet接入模块结构

图 3 现场级以太网节点的通信协议

Ethernet接入模块

模块结构

    Ethernet接入模块实质上是一个网络协议转换器，主要完成TCP/IP协议与现场总线RS-232协议的转换。模块结构如图2所示。该模块将通用的8位单片机与以太网控制芯片相结合，加上相应的外围电路而构成。可分成三个子模块：以太网控制芯片子模块，负责接收以太网帧，并把数据送给单片机处理；接收单片机发来的数据，按以太网帧格式发到以太网。单片机子模块，负责控制整个模块，从以太网控制芯片子模块中将数据包读入内存，进行拆包处理，并将有关数据发向RS-232串行接口；将RS-232串行口来的数据按有关协议进行打包，送以太网控制芯片子模块发至以太网上。扩展子模块，单片机外围扩展了程序和数据存储器，满足程序和数据的存储需要。

    为模块开发的软件主要有：模块初始化程序、以太网控制器驱动程序、TCP/IP协议栈程序、系统网络配置程序等。模块初始化程序用于设置单片机工作模式及外围芯片选择字；以太网控制器驱动程序用于设置以太网控制芯片的工作状态及工作方式，配置收发数据的缓冲区；TCP/IP协议栈程序实现ARP、IP、UDP协议；系统网络配置程序用于给监测系统分配IP地址及域名。

TCP/IP协议“剪裁”

用于现场级的以太网TCP/IP协议如图3所示。

    受8位单片机自身结构和功能的限制，从实用、够用角度出发，该模块对嵌入单片机的TCP/IP协议栈进行了“瘦身”处理，对TCP/IP进行“剪裁”，主要保留数据传输的基本功能。

    由于机动车安全性能检测线负责监控的站点相对固定，线上测控数据量非常小(一次数据传送量一般不超过100Byte)，“剪裁”的方案是：在链路层，单片机维护一个静态的IP地址与MAC地址的映射表，取消RARP，实现的ARP也仅响应网络ARP请求，发送ARP回答包。请求者广播出包含ARP请