（4）具有灵活的安装选择，可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方式。

2.3 通信模式

ControlNet在单根电缆上支持两种信息传输：一种是对时间有苛刻要求的控制信息和I/O数据，ControlNet授予他们最高优先权，保证其不受其他信息的干扰，二是无时间苛求的信息和程序上/下载，他们被授予较低的优先权，在保证第一种信息传输的条件下进行传递。

用户具有对这种信息的控制能力，可选择控制和I/O数据的刷新速率，并确知数据的传输时刻。

ControlNet技术采用了一种通信模式，以生产者/消费者模式取代了传统的源/目的模式。他不仅支持传统的点对点通信，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/消费者模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率。

用一种形象的方式来描述两者的区别，一个班有30同学，现在需要把当前的确切时间告知某些同学，在源/目的模式中时间被告知每个人,其中有的同学可选择听，另一些则选择不听，在信息传输过程中，时间已发生变化，因此时间在告知第一个同学以后就变得不准确了。而在生产者/客户模式中，时间被同时告知室内所有的同学，有的同学可选择听，其他的可选择不听。这样就不会出现信息是真的现象，室内人数的增减也不会影响通信时间和效率。因而保证了高效率和高确定性。

ControlNet使用的同轴电缆全部距离能够长达6Km，可寻址节点最多为99个，两节点间最长距离最长可达1000m，48个节点距离可达250m;采用光纤和中继器后,通信距离可达几十公里，支持大多数介质结构，网络结构可采用总线、树型、星型等结构或组合结构。使用时，用户可根据需要扩展物理长度，增加节点数量，提高安全性能。

3 ControlNet介质访问方式

3.1 ControlNet数据链路层的介质存取控制协议

ControlNet采用了一个特殊的令牌传递机制叫隐性令牌传递机制,网络上每个节点被分配一个唯一的MAC ID,只有获取令牌的节点才可发送数据，但是ControlNet网络上并没有真正的令牌在传递,每个节点监视收到的每个数据帧的源节点地址,并在该数据帧结束之后,将隐性令牌寄存器的值设置为收到的源MAC ID加1，如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点本身的MAC ID,则该节点即可发送报文，由于所有节点的隐性令牌寄存器中的值都相同,因此避免了冲突的发生。

3.2 ControlNet链路层的NUT划分

ControlNet中被称为网络刷新时间NUT(work update time)的周期通常分为三个主要部分：预定时段,未预定时段和维护时段,ControlNet网络刷新时间通信原理。

（1）预定时段(scheduled)

预定时段用来传送对时间有苛刻要求的数据或称预定数据,如I/O信息、控制器互锁信息等。在每一个NUT预定时段内,欲发送预定数据的各个节点访问媒体的机会都是相同的,即有一次且仅有一次发送预定数据的机会，这可保证网络在NUT预定时段内发送的数据是可预测的、确定的。每一个地址在0和SMAX (SMAX表示NUT中需利用预定时段时段传送控制信息的具有最高网络地址的节点)之间的节点都可保证在每一个NUT中获取一次传输机会。CTDMA（并存时间域多路访问）算法保证对控制信息有发送需求的每一个节点在这一部分中都有一次循环，以顺序的机会拿到隐性令牌上网传送信息。每个节点可传输最多510位。这一部分的带宽已预先组态和保存以支持实时数据传输。

预定时段服务范围从0到SMAX。节点地址大于SMAX的节点在预定时段部分中不发送信息。

不同的应用程序对预定时段的数据发送有不同的要求，如果以同一速率发送所有数据，其速率将是很低的。

（2）未预定时段(unscheduled)

未预定时段内,用来传送对时间无苛刻要求的数据,这部分时间内，所有传送显性报文的节点按循环、顺序的拿到隐性令牌。在一次NUT中，这种循环不断重复，直到所分配的NUT时段用完。根据用完预定时段后NUT所剩时间的多少,在每个NUT中,各节点在未预定时段内访问媒体的机会可不同,即可有0次、1次或多次机会来发送未预定数据。CTDMA算法根据网上控制信息流的负载量，在不影响预定时段的前提下，保证至少有一个节点再一次NUT中可拿到隐性令牌上网传送显性报文。

未预定时段服务范围从0到UMAX的最大值。另外，UMAX总是大于或等于SMAX。地址大于SMAX而小于UMAX的节点只能传送unscheduled信息。地址小于SMAX的节点可传送scheduled和未预定时段信息。地址大于UMAX的节点无法在网络上通信。

（3）维护用时段(maintenance)

当维护时段到来时,所有节点停止发送数据，在维护时段内,具有最小MAC ID的节点、即协调节点发送一个维护报文(协调帧),此报文可维持网络上每个节点的NUT定时器的同步和发布一些重要的网络链路参数。

在每个NUT中，节点地址从1到SMAX的每个节点都允许在Scheduled时段中传输数据，如果某个节点由于某种原因从网络上丢失，其下一个节点必须等待一个slot-time时间，一个slot-time时间是信号在链路上走一个来回所需的最小时间，它的计算取决于链路的物理特性，如电缆的长度、中继器的数量。如果网络上的某个节点没有要发送的数据则会发送一个NULL帧。因而，scheduled时段的边界有时会随着每个节点的利用率而改变。

3.3 参数设置

从上面对MAC层的分析中可以看到,要想使用好ControlNet,其中最主要的是要对NUT,SMAX,UMAX,RPI等参数进行设置。用户应根据网络的实际配置情况对它们进行初步计算,然后组态软件。

NUT的大小决定了系统的循环周期，太大,系统的实时性变差;太小,影响了预定时间和无预定时间,使得系统的控制信息和显性报文的发送得不到保证.下面从理论上分析决定NUT大小的因素。

由CTDMA控制规则可知：

NUT=tscheduled+tunscheduled+tmaintenance

式中:tscheduled,tunscheduled,tmaintenance分别对应系统的预定时间、未预定时间和维护时间。若在每一个NUT内,所有Scheduled节点都有数据发送,且每个MAC帧中Lpacket部分的长度都达到了其规定的最大值510个字节;同时,无预定时间段中由于CTDMA协议保证了至少要有一个节点发送数据,因此：

tscheduled=T×SMAX,

tunscheduled=T

式中T为节点发送一个最大MAC帧所需的时间。从上式中可以看到,当网络的结构、长度和所带的节点数等物理特性确定后, tmaintenance和T值也就确定了,因此NUT的大小主要受SMAX值的影响。由ControlNet的MAC方法可知,网络编址的的合理与否对网络性能影响很大，要想很好的使用ControlNet应注意以下几点：

（1）对ControlNet进行编址时，应把需要发送实时信息的节点都给与比较低的地址。

（2）因为对应于每个空地址，网络都要等待一个槽时间，因此网络上最好不要有比SMAX和UMAX小的空地址。

4 结束语

ControlNet网络采用生产者/消费者模式,通过CTDMA控制机制,结合隐性令牌的传递方法,保证了系统的实时性和确定性。它最适用于对时间有苛刻要求的工业现场,是一种高速的、确定性的网络.是工业控制网络中性能最优的国际标准现场总线，ControlNet得到了世界众多公司的支持,目前安装节点已达几十万个,发展和应用前景十分广阔。

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