JB／T 13075-2017 标准规范下载简介：
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JB／T 13075-2017 工业机械电气设备及系统用的EtherMAC系统结构与通讯规范.pdfEtherMAC是一种主站基于标准硬件设备，满足工业控制系统（如多轴运动控制系统、过程 先）严格实时和同步要求的实时以太网协议规范
5.2EtherMAC 结构
5.2.1EtherMAC网络拓扑结构
EtherMAC使用如图1所示的链状拓扑结构作为其基本网络拓扑。对于可靠性要求严格的应用， EtherMAC可使用图2所示的环形余网络拓扑。环形网络不仅能提高物理连接的可靠性JT/T 258-2021 长江运输船舶操纵性衡准，并且还可通 过穴余数据的方式降低系统因误码传输引起的总线错误
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2EtherMAC网络模型
图3EtherMAC环形穴余机制
EtherMAC符合GB/T15629.3一2014规定的标准以太网的物理层和数据链路层的介质访问层的规 定，通过修改逻辑链路层的方式实现实时通信调度。EtherMAC推荐采用三层协议结构：物理层、数据 链路层和应用层。EtherMAC所有的节点均工作于同一个网段，因此所有的从节点可以共同使用一个 MAC地址。为保证网络兼容性，EtherMAC旁路了TCP/IP及UDP协议，其主节点和从节点的网络层 次模型如图4所示。
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5.2.3EtherMAC的同步
图4EtherMAC网络模型
为满足多轴同步的运动控制要求，EtherMAC需周期性地补偿因时钟源制造误差和时钟漂移 节点间时钟不同步
5.2.4EtherMAC故障检测
EtherMAC具有一定的检错功能，可分析因误码传输而产生的出错顿，并具有一定的错误处理 防止因传输出错而引起的整个系统的严重错误
5.2.5EtherMAC穴余机制
EtherMAC支持环形几余结构，实现数据和链路的双重几余。在网络中若某从节点或某处网络连接 因故障导致连接断开，EtherMAC的环形结构应能进化为两条链状网络继续维持主从之间的通信，并实 现两个链状网络的时钟同步。
5.3EtherMAC各层概述
5.3.1EtherMAC物理层
EtherMAC物理层是设备之间的传输媒体及互连设备，作为整个通信系统的基础为数据端设备提供 专送数据的通路，保证数据能在其上以一定的速率正确通过。EtherMAC物理层包括传输介质（如光纤 双绞线等）、连接器（插头/插座）、接收器、发送器、中继器等。 GB/T15629.3一2014适用于EtherMAC，提供了建立和解除物理连接、位流传输、管理等协议规范。 EtherMAC物理层传输介质为屏蔽的超五类双绞电缆或光纤，通信速率最高为100Mbit/s。
5.3.2EtherMAC数据链路层
与GB/T15629.3一2014中关于以太网的相关规定相同，EtherMAC的数据链路层位于物理层之上， 通过数据封装和差错控制为网络节点间提供透明、可靠的信息传输服务，并用集总顿的方式完成主节点 与从节点之间的数据交换。 除GB/T15629.3一2014规定的基本功能之外，EtherMAC链路层还要求提供节点同步和除CRC校 验之外的差错控制方法，以满足工业控制中同步性和安全性要求。
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5.3.3EtherMAC应用层
EtherMAC应用层位于数据链路层之上，负责完成数控装置对现场驱动装置、O装置等现场装备 的控制、参数调整、状态监控和诊断等功能。 应用层提供的服务包括集总顿协议打包和解包、节点地址分配、通信周期配置、同步时间设定、主 节点延时测量、命令字管理和指令结构、设备数据字典服务、设备和总线状态机行为定义、流量控制、 错误检测和处理等。
支持超五类双绞线和光纤传输方式。EtherMAC物理层是其机械特性规范，包括网络物理连接 寸、形状、规格。
6.2.2.1基本要求
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对采用光信号互联的EthcrMAC连接端子设计要求如下： EtherMAC连接端子插座处应有保护盖帽及保护盖帽固定位置； EtherMAC连接端子插座及插头需采用符合IP54防护等级要求的接插件： EtherMAC物理连接端子插头及插座之间必须具备额外的连接固定装置，固定装置必须在完全 解锁后才允许端子插头与端子座之间光纤接触面分离。
6.2.2.2IEEE1394
1394连接器应符合IEEEStd1394a的要求，见
光纤应符合GB/T15972.102008的要求，见
EtherMAC物理层电气特性包括信号电平、信号的脉冲宽度和频率、数据传送速率、最大传 摩，应符合GB/T15629.32014的规定。
EtherMAC采用链状或环形拓扑结构。如图1、图2所示。 EtherMAC主节点与从节点采用屏蔽的超五类双绞电缆或光纤依次连接，形成EtherMAC通信环 路，工业以太网的安装指导见附录E。每个从设备包含两个网络接口，每个接口包含独立的物理层芯 片和两个收发端口（端口A和端口B）。本协议仅规定EtherMAC物理拓扑结构，利用网络2X100Mbps 传输特性，支持网络完余、容错处理。
6.4.2链状网络拓扑
erMAC采用如图1所示的链状结构作为其基本网络拓扑，每个站点包含两个相同的网络接口 A和端口B），通过两对双绞线连接只形成1个物理环路。
6.4.3环形网络拓扑
安全性要求严格的应用，EtherMAC提供如 用通信过程中EtherMAC依然按照链状结构进行数据通信，不同之处在于末节点需要通过主节点 工作，且主节点在周期通信阶段分别从两个网口下发控制数据，两者互为备份。
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若通信过程中，网络因故障从中间断开，则环形网络自动进化为两条链状网络保持与主节点通信， 保证系统的正常运行，如图3所示。
EtherMAC数据链路层位于标准以太网物理层硬件之上，将物理层提供的可能出错的物理连接改 造成逻辑上无差错的数据链路，负责数据链路的建立、维持和释放管理。数据链路层的数据单位为数 据帧，链路层完成帧界定、同步和收发顺序的控制，并为应用层用户提供数据封装和解析服务。数据 顿中包含一定的控制信息和应用数据。 EtherMAC数据链路层位于物理层之上，通过数据封装和差错控制为网络节点间提供透明、可靠的 信息传输服务。本章主要规定了顿格式、差错控制方法、节点寻址等。
数据链路层为建立在物理层之上的数据通道。物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其 连接。传输媒体可长期存在，而数据连接则有其生存期。数据链路层为终端设备建立数据收发关系， 在连接生存期内，收发两端可以进行不对称的一次或多次数据通信。在物理媒体上传输的数据会受到 各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层上的不足和为上层提供无差错的数据传输，数据 链路层要具备对数据进行检错和纠错的能力。 一般将数据链路层划分成两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC，如图5 所示）
MAC子层的主要功能是对传输介质的信号进行数据比特流发送和接收控制。 LLC子层的主要功能包括数据帧的接收与发送、数据顿的封装/解封、顿的寻址和识别、链路的管 理、顿的差错控制等。LLC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性，提供可靠的连接服务类型。 链路层为上层提供数据传送服务，通过一些数据链路控制规程（协议），实现可靠的数据传输。链 路层的主要功能如下： a）链路连接的建立、拆除、分离； b）顿定界和顿同步：由于物理层仅仅接收和传送比特流，并不关心比特流的意义和结构，所以只 能依赖链路层来产生和识别顿边界； c）冲突控制：确保数据顿能够无冲突地传送到从设备，并返回至主设备； d）顺序控制、流量控制：对顿的收发顺序以及数据链路上传输顿流量的控制； e）差错检测和恢复：差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码，而顿丢失 等用序号检测，各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成； f）实时控制：确保数据顿及时准确地收发、封装、解封控制。 数据链路层的协议功能如图6所示
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图6数据链路层协议功能
7.3.2数据顿的定义
GB/T15629.3—2014规定的标准以太网顿结构
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图8EtherMAC数据顿标准组成
EthcrMAC数据顿对原始数据进行数据封装，形成数据传输过程中的数据。在封装的数据顿信息 中，包含实际要传输的数据，用来表示数据帧的节点号、节点数据长度、地址、指令等信息。 标准的EtherMAC数据包含以下几个部分： a）以太网标准顿头，包含目的地址、源地址、以太网类型等； b）EtherMAC顿头，包括帧序列号、控制字、数据顿长度等； c）数据区，包含1个或者多个从节点信息； d）顿校验序列，GB/T15629.3一2014规定的32位CRC校验
7.3.4顿定界和顿同步
EtherMAC采用GB/T15629.3一2014规定的以太网的顿定界和帧同步方式，以7个字节的前 1个字节顿起始定界符作为1个EtherMAC的开始，且不使用顿结束定界符，当以太网总线 信号为空时，信道空闲，网络接口检测不到信号，意味着一个顿的结束。
7.3.5数据顿的寻址和识别
首先是网段寻址一一EtherMAC根据目的地址和以太网顿类型对以太网顿进行识别。所有的 EtherMAC从设备均可当作一个标准以太网设备处理，EtherMAC网络也接收物理地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF的广播数据帧。除对目的地址判定之外，EtherMAC的节点还会检测以太网类型的 字段是否为0x8283，识别其是否是属于本网络的数据帧。对EtherMAC从节点反馈至主节点的数据采 用广播顿的形式，其目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF，采用广播包的形式不仅能使主节点接收到反馈数 据顿，还能便于其他计算机通过集线器或交换机对从节点网络进行监控。 其次是节点数据寻址，数据顿转发过程中，EtherMAC根据节点号和节点长度将本地节点的数据从 EtherMAC集总帧中解析出来。
7.3.6差错检测与纠错
差错检测能力是通信系统发现通信过程中差错的能力，系统应具备相当的差错检测能力使得差错能 被控制在一个尽可能小的范围之内。对于整个以太网顿，EtherMAC有标准的32位CRC校验，如图9 所示。
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GB15629.3—2014中规定的以太网顿CRC校
EtherMAC总线的纠错方式如下： a）错误重发：周期通信过程中，若从节点检测到主节点下发的数据顿CRC校验错误，则末节点会 根据周期计时器判断下一轮通信启动前主节点是否有足够时间重发控制数据，从而决定是立即 发起上传还是等待下一轮周期通信通知主节点数据的丢失。上传数据中顿属性控制字中的相应 位会被置位。 b）序列号校验：EtherMAC数据顿中有表示慎序列号的字节，每次进行数据交互后都会自动加1， 节点如果检测到序号不连续说明有丢失的数据，主节点和从节点据此执行相应的重发或故障处 理操作。 c）主节点超时：若某一周期主节点并未下发控制数据，则从节点上传时置位相应的顿属性控制字， 通知主节点有数据丢失
主节点导从节点之间对应应用层实体之间的通信规范的集合，包括所传输数据的格式、差错 以及在计时与时序上的有关约定等。
网络数据传输时，目的地址为网络中所有设备的一种传输方式。在EtherMAC中从节点通过广播包 的形式将数据发送给主节点。
网络数据传输时，目的地址为单一目标的一种传输方式。EtherMAC中所用从节点共享同一个物理 地址，主节点通过单播包的形式将数据报文发送给所有的从节点。
8.2.3通信状态机概述
在周期通信阶段，总线状态包括：初始、枚举、配置、周期运行、停止。通过状态机机制，EtherMAC 在不同的状态执行相应权限的总线功能，从而保证EtherMAC总线的有序性、安全性和健壮性。
8.2.4通信状态机切换
初始态：在系统上电后，主节点、从节点均进入初始化状态。 枚举态：主节点发出枚举数据包，查询网络中从节点的个数和类型 配置态：主节点配置总线的通信周期、同步时间等基本通信参数。 周期运行态：各节点周期性交换数据并执行相应动作。 状态之间的转换关系如图10所示。
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8.3数据顿定义与封装
图10EtherMAC状态机转换
信息。主节点下发到从节点的数据结 11所示
图11EtherMAC数据区结构
每个节点的数据段都包括节点号、节点数据长度和节点数据三部分，上层协议据此解析出每个节点 的数据。节点数据解析完之后，上层服务程序再依据节点内部的索引地址和索引长度解析出不同的指令， 并据此执行相应操作。 除源地址的目的地址不同之外，EtherMAC返回顿中的节点数据的次序和下发数据顿的次序也正好 相反。因为数据上传过程中每个节点的数据是逐个追加的，所以末节点的数据在数据区的最前方，而0 从节点的数据位于返回帧的末尾。
8.4EtherMAC的数据交换
8.4.1通信过程中的数据的交换
EtherMAC数据交换分为控制数据 上传两个阶段。主节点下发控制数据之后等待从 回状态数据，如此周而复始完成数据的周期性交换，如图12所示。
8.4.2非周期数据的传输
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图12EtherMAC周期通信过程
EtherMAC支持基于握手的非实时数据交换方式。EtherMAC在从节点中设置了一块独立的缓冲 区，主节点下发的数据只有确认被从节点读取成功后才能再次写入，即主节点每次将数据下发之前都 需要查询从节点对该段存储区域的操作状况。EtherMAC通过这种方式来实现周期通信过程中一些配 置数据和其他上层协议数据的传输。
8.5网络连接的建立与管理
为实现数据顿在通信链路上的无差错传输，差错控制是通信链路层必须具备的基本功能，差错控制 包括差错检验和纠错两个方面的内容。工业系统往往要求系统具有较高的可靠性，EtherMAC通过以 容错机制进行差错控制。
差错检测能力是通信系统发现通信过程中差错的能力HG/T 2638-2011 搪玻璃设备质量分等，系统应该具备相当的差错检测能力使得差 能被控制在一个尽可能小的范围之内。
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EtherMAC针对上传和下发过程的区别制定了相应的差错检测机制。对主节点下发的控制数据采用 GB/T15629.3一2014规定的32位CRC校验，而对从节点上传的状态数据，因为节点数据是逐次追加在 数据顿末尾，所以为准确定位错误数据每个节点的数据采用8位CRC校验，如图13所示。
图13上传数据顿的校验信息
顿序列号：为检测数据包丢失的情况，EtherMAC顿头中用1个字节来表示顿序列号JC/T 2143-2012 四方相氧化锆多晶陶瓷材料，用来表示主 节点下发或者从节点上传的数据顿个数。正常情况下，无论下发还是上传的顿序列号均为连续递增序列， 并且下发和上传的顿序列号差值为固定的。顿序列计数值溢出后继续从0开始，若有数据包丢失则会有 顿序列号的跳跃。 工作字计数器：工作字包含本节点应用厂 作结果，见表1。
表1EtherMAC从节点工作字寄存器