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【摘 要】根据嵌入式工控一体机TPC-1062KS具有的以太网通讯功能和自带MCGS组态软件嵌入版，本文研究了当个人电脑PC作为上位机装有MCGS嵌入版组态软件后，通过对上位机MCGS的以太网协议的组态设计，实现与TPC1062KS的以太网通讯，使得一台PC主机与多台工控机的广播式通讯或一对一通讯，实现工业自动化生产的实时监控功能。
【关键词】以太网；MCGS组态软件；工控机；PC
0.引言
从网络通讯协议IEEE802.3标准[1]出现到全双工以太网提速，现已出现10Gbps的以太网原型。而目前以太网占整个局域网市场的85%左右，不仅在宽带中被广泛应用，也在工业控制、通讯技术、自动化领域得到运用：比如混合Ethernet/Fieldbus[2]的工业以太网、专用工业以太控制网络、基于Web的网络监控。总线 RS-485通讯的数据最高传输速率为10Mb/s，而工业以太网其传输速率可以达到10～100Mb/s；RS-485总线一般最大支持32个节点，而以太网内最大节点数可以达到254个；以太网可以实现广播或者一对一的网络形式。显然以太网优势就是共享资源能力强，通信速率高，从而为工业控制开辟了广阔的应用前景。
近年来，在工业自动化生产线上，中央监控已从现场总线升级到以太网，实现了以太网与internet互联网链接，在管理上达到对工业控制的全球监控。嵌入式工控机TPC-1062KS在监控应用中目前主要与PLC连接 的RS485总线通讯，但它又具有以太网通讯接口，本文论述了在装有MCGS嵌入版的PC机实现与工控机TPC 1062KS的以太网通讯开发研究，以及小的成本提升现有监控系统的网络等级，特别实用于小型网络监控系统的技术升级。
1.以太网通讯原理
太网（Ethernet）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，是当今局域网最通用的协议标准。在网络通讯的在OSI七层参考模型[3]中以太网只定义了其中的数据链路层和物理层。然后由TCP/IP协议实现传输层和网络层，再由高层HTTP、FTP等协议最终实现用户交互，如表1所示。
TCP/IP协议是个协议组，由TCP协议、IP协议以及其他一些协议组成。
IP协议规定了IP数据包的组成，将以太网发出的不同类型的MAC帧（物理地址[4]）转换为统一的IP包，以实现不同物理网络的互联，有如规定了一种语言使来自不同地域的人得以交流。IP协议完成寻址、路由选择和分段组装功能。路由选择按存放在IP网上的主机和路由器中的路由表确定路径和地址[5]；当数据包通过短帧子网时需要分段组装，每一段仍包含原来的标志符。
表1 TCP/IP协议以太网模型
TCP协议建立的源主机与目的主机的连接，双方必须建立连接才能通讯，通讯结束则停止连接，所以可靠性很高。此外，TCP协议能保证在IP数据包丢失时进行重发
2.以太网物理层和数据链路层
OSI七层参考模型中的数据链路层用于数据传输时的帧转换，将数据帧转换成可传递给物理层的二进制位。反之，从物理层接收二进制位并将其转换成帧。数据链路层又分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。逻辑链路控制子层通过在IP包上加了8位的目的地址服务接入点和源地址服务接入点来保证在不同网络类型中传输。MAC子层是为了实现在空中接口容量范围内，允许话音、电路型数据和分组型数据业务的组合且同时传送。它与物理层直接相关，都在IEEE802.3中定义。
物理层在IEEE802.3中定义的，规定了以太网帧有特定的格式。物理层又分为物理信令PLS子层和物理媒体连接件PMA子层。PLS子层向MAC子层提供服务，负责比特流的编、译码和载波监听功能[6]。其中IEEE802.3的MAC的帧格式五个字段组成如图2。
表2 IEEE802.3的MAC的帧格式
MAC帧的帧头包括3个字段。前两个字段分别是目的和源地址字段，表示接收和发送数据帧的设备的地址，类型字段指定接收数据层协议。FCS用于对前四个字段进行CRC校验。当MAC帧传到物理层时，必须加上7个字节的1、0交叉序列的前同步码。紧跟它的是起始界符，为10101011，接收方一旦接收到两个连着的1，后面的数据即是MAC帧。因此，数据在经过物理层和数据链路层的处理后，将被传送给类型段指定的高层协议（HTTP协议组）最终完成通讯。
3.应用MCGS对上位机PC设计以太网通讯协议
为TPC1062KS和PC通讯，首先在PC方设置的IP地址，IP地址就是给连接在网络上的主机分配一个32位的二进制地址。但实际应用中IP地址经常被写成十进制的形式，中间用符号“.”分开；为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0～255，所以32位地址范围是0～13368089053625086407。其次设置的是子网掩码，又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是用来指明一个IP地址的哪些位标识是主机所在子网，哪些位标识的是主机的位掩码[7]。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用，将IP地址划分成网络地址和主机地址两部分，用来判断任意两台计算机的IP地址是否属于同一子网络的根据。最后设置默认网关，是一个可直接到达的 IP 路由器的 IP 地址，可以在 IP 路由表中创建一个默认路径。一台主机可以有多个网关，意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。一台电脑的默认网关是不可以随随便便指定的，必须正确地指定，否则一台电脑就会将数据包发给不是网关的电脑，从而无法与其他网络的电脑通信。TCP/IP协议在PC方设置如图3所示： 图3 TCP/IP协议通讯设置
图3是在PC机开始菜单栏中选择“设置”→“网络连接”→“本地连接→ 属性”，再选择“常规”，双击“Internet协议（TCP/IP）”就又跳出图4对话框。
图3中IP地址、子网掩码、默认网关各自的前3段网段保持一致，分别是200、255、200。IP地址最后段的数值不能比工控机自带的IP地址最后段数值大，不可以填0和255，1～254均可用，因为0表示子网号，255是广播号。子网掩码一般默认为255.255.255.0不需改动；习惯上将默认网关的最后一段设为最大主机位，即254。
在PC方安装MCGS网络版组态软件，打开一个MCGS一工程，按F4进入“组态结果检查”功能（也可按MCGS界面工具栏中图标实现）。系统便会进行检查，界面上会跳出一个对话窗显示“正常”与否。然后按F5（或点击图标）进入工程下载界面，点击【连机运行】，连接方式选择TCP/IP网络，目标机名就是TPC1062KS的自带的IP地址。点击【通讯测试】，测试通讯是否正常，如图4。若无法通讯可以检查网线是否插好。若测试通讯正常，再点击【工程下载】，如图5。于是就可以将工程下载到触摸屏上了。在触摸屏上将显示如图6，只要在触摸屏上点击“进入运行环境”，就可以将主机PC机上设计的工程上传到各个工控机上。
4.总结
通过MCGS在上位机的组态操作， 实现PC与工控机TPC1062KS的以太通讯。本论文中其中硬件接口连接是：PC方为USB接口，而TPC1062KS方为设备提供的RJ45接口，使得上位机PC上安装的控制、管理应用软件与多台TPC1062KS的广播式传输或一对一通讯。
参考文献：
[1]潘仕彬 ，潘绍明，罗功坤.基于嵌入式 USB的以太 网应用系统设计[J].微型机与应用，2009，28（24）：36—38.
[2]博尔曼，希尔根坎普.工业以太网的原理与应用国防工业出版社[M]. 北京： 国防工业出版社，2011.26.
[3]冯先成，李德骏，刘晓华.计算机网络及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[4]佟为明，高蕾，刘勇. RTL8019AS在以太网MAC帧检测实验系统中的应用[J].低压电器，2010，2：37.
[5]彭易朱磊刘玲.多信道无线Mesh网络的路由协议[J].计算机应用，2011年，第31卷第7期：1929-1930.
[6]张有光、潘鹏译者.Multicarrier Communications[M].北京：电子工业出版社，2010.428.
[7]刘晨阳，张西中.基于 Modbus TCP/IP协议的 Premium PLC网络[J].工业控制计算机 ，2007，20（9）.
【关键词】以太网；MCGS组态软件；工控机；PC
0.引言
从网络通讯协议IEEE802.3标准[1]出现到全双工以太网提速，现已出现10Gbps的以太网原型。而目前以太网占整个局域网市场的85%左右，不仅在宽带中被广泛应用，也在工业控制、通讯技术、自动化领域得到运用：比如混合Ethernet/Fieldbus[2]的工业以太网、专用工业以太控制网络、基于Web的网络监控。总线 RS-485通讯的数据最高传输速率为10Mb/s，而工业以太网其传输速率可以达到10～100Mb/s；RS-485总线一般最大支持32个节点，而以太网内最大节点数可以达到254个；以太网可以实现广播或者一对一的网络形式。显然以太网优势就是共享资源能力强，通信速率高，从而为工业控制开辟了广阔的应用前景。
近年来，在工业自动化生产线上，中央监控已从现场总线升级到以太网，实现了以太网与internet互联网链接，在管理上达到对工业控制的全球监控。嵌入式工控机TPC-1062KS在监控应用中目前主要与PLC连接 的RS485总线通讯，但它又具有以太网通讯接口，本文论述了在装有MCGS嵌入版的PC机实现与工控机TPC 1062KS的以太网通讯开发研究，以及小的成本提升现有监控系统的网络等级，特别实用于小型网络监控系统的技术升级。
1.以太网通讯原理
太网（Ethernet）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，是当今局域网最通用的协议标准。在网络通讯的在OSI七层参考模型[3]中以太网只定义了其中的数据链路层和物理层。然后由TCP/IP协议实现传输层和网络层，再由高层HTTP、FTP等协议最终实现用户交互，如表1所示。
TCP/IP协议是个协议组，由TCP协议、IP协议以及其他一些协议组成。
IP协议规定了IP数据包的组成，将以太网发出的不同类型的MAC帧（物理地址[4]）转换为统一的IP包，以实现不同物理网络的互联，有如规定了一种语言使来自不同地域的人得以交流。IP协议完成寻址、路由选择和分段组装功能。路由选择按存放在IP网上的主机和路由器中的路由表确定路径和地址[5]；当数据包通过短帧子网时需要分段组装，每一段仍包含原来的标志符。
表1 TCP/IP协议以太网模型
TCP协议建立的源主机与目的主机的连接，双方必须建立连接才能通讯，通讯结束则停止连接，所以可靠性很高。此外，TCP协议能保证在IP数据包丢失时进行重发
2.以太网物理层和数据链路层
OSI七层参考模型中的数据链路层用于数据传输时的帧转换，将数据帧转换成可传递给物理层的二进制位。反之，从物理层接收二进制位并将其转换成帧。数据链路层又分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。逻辑链路控制子层通过在IP包上加了8位的目的地址服务接入点和源地址服务接入点来保证在不同网络类型中传输。MAC子层是为了实现在空中接口容量范围内，允许话音、电路型数据和分组型数据业务的组合且同时传送。它与物理层直接相关，都在IEEE802.3中定义。
物理层在IEEE802.3中定义的，规定了以太网帧有特定的格式。物理层又分为物理信令PLS子层和物理媒体连接件PMA子层。PLS子层向MAC子层提供服务，负责比特流的编、译码和载波监听功能[6]。其中IEEE802.3的MAC的帧格式五个字段组成如图2。
表2 IEEE802.3的MAC的帧格式
MAC帧的帧头包括3个字段。前两个字段分别是目的和源地址字段，表示接收和发送数据帧的设备的地址，类型字段指定接收数据层协议。FCS用于对前四个字段进行CRC校验。当MAC帧传到物理层时，必须加上7个字节的1、0交叉序列的前同步码。紧跟它的是起始界符，为10101011，接收方一旦接收到两个连着的1，后面的数据即是MAC帧。因此，数据在经过物理层和数据链路层的处理后，将被传送给类型段指定的高层协议（HTTP协议组）最终完成通讯。
3.应用MCGS对上位机PC设计以太网通讯协议
为TPC1062KS和PC通讯，首先在PC方设置的IP地址，IP地址就是给连接在网络上的主机分配一个32位的二进制地址。但实际应用中IP地址经常被写成十进制的形式，中间用符号“.”分开；为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0～255，所以32位地址范围是0～13368089053625086407。其次设置的是子网掩码，又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是用来指明一个IP地址的哪些位标识是主机所在子网，哪些位标识的是主机的位掩码[7]。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用，将IP地址划分成网络地址和主机地址两部分，用来判断任意两台计算机的IP地址是否属于同一子网络的根据。最后设置默认网关，是一个可直接到达的 IP 路由器的 IP 地址，可以在 IP 路由表中创建一个默认路径。一台主机可以有多个网关，意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。一台电脑的默认网关是不可以随随便便指定的，必须正确地指定，否则一台电脑就会将数据包发给不是网关的电脑，从而无法与其他网络的电脑通信。TCP/IP协议在PC方设置如图3所示： 图3 TCP/IP协议通讯设置
图3是在PC机开始菜单栏中选择“设置”→“网络连接”→“本地连接→ 属性”，再选择“常规”，双击“Internet协议（TCP/IP）”就又跳出图4对话框。
图3中IP地址、子网掩码、默认网关各自的前3段网段保持一致，分别是200、255、200。IP地址最后段的数值不能比工控机自带的IP地址最后段数值大，不可以填0和255，1～254均可用，因为0表示子网号，255是广播号。子网掩码一般默认为255.255.255.0不需改动；习惯上将默认网关的最后一段设为最大主机位，即254。
在PC方安装MCGS网络版组态软件，打开一个MCGS一工程，按F4进入“组态结果检查”功能（也可按MCGS界面工具栏中图标实现）。系统便会进行检查，界面上会跳出一个对话窗显示“正常”与否。然后按F5（或点击图标）进入工程下载界面，点击【连机运行】，连接方式选择TCP/IP网络，目标机名就是TPC1062KS的自带的IP地址。点击【通讯测试】，测试通讯是否正常，如图4。若无法通讯可以检查网线是否插好。若测试通讯正常，再点击【工程下载】，如图5。于是就可以将工程下载到触摸屏上了。在触摸屏上将显示如图6，只要在触摸屏上点击“进入运行环境”，就可以将主机PC机上设计的工程上传到各个工控机上。
4.总结
通过MCGS在上位机的组态操作， 实现PC与工控机TPC1062KS的以太通讯。本论文中其中硬件接口连接是：PC方为USB接口，而TPC1062KS方为设备提供的RJ45接口，使得上位机PC上安装的控制、管理应用软件与多台TPC1062KS的广播式传输或一对一通讯。
参考文献：
[1]潘仕彬 ，潘绍明，罗功坤.基于嵌入式 USB的以太 网应用系统设计[J].微型机与应用，2009，28（24）：36—38.
[2]博尔曼，希尔根坎普.工业以太网的原理与应用国防工业出版社[M]. 北京： 国防工业出版社，2011.26.
[3]冯先成，李德骏，刘晓华.计算机网络及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[4]佟为明，高蕾，刘勇. RTL8019AS在以太网MAC帧检测实验系统中的应用[J].低压电器，2010，2：37.
[5]彭易朱磊刘玲.多信道无线Mesh网络的路由协议[J].计算机应用，2011年，第31卷第7期：1929-1930.
[6]张有光、潘鹏译者.Multicarrier Communications[M].北京：电子工业出版社，2010.428.
[7]刘晨阳，张西中.基于 Modbus TCP/IP协议的 Premium PLC网络[J].工业控制计算机 ，2007，20（9）.