UDP通信在工业控制中的应用

摘 要 数据交换系统广泛应用于我国的工业控制中，而这一系统的应用原理主要是根据上位机与下位机的交换来实现，只有保障了系统单元之间的高速运转才能让整个数据通信系统正常工作，因此网络通信方式就显的尤为重要，而现实中应用在网络中常见的通信方式有串口232通信，485/422总线通信，串行I2C，这些串口能最大限度的满足人们的日常所需，但是上述的三种通信方式并不适用于所有的场合，尤其是那些要求高效的工业企业，上述的几种通信方式，如果在某一时间段发送大量的数据，必然会影响到工业系统的工作效率，笔者希望能够解决这一问题，因而对大量的网络通信协议进行分析，并在下文中以UDP协议通信在工业控制中的应用为例，重点分析UDP与串行232，485，I2C及基于TCP协议的工业以太网之间的差别。

【關键词】网络通讯协议 通行效率 总线通信

UDP是User Datagram Protocol缩写，简称用户数据包协议，是无线传输层的一种模式，主要为用户提供了一种相对简单但并不可靠的网络服务，随着互联网的不断发展，这一技术已经开始渗入了工业控制系统，总的来说他有如下特征：

（1）从UDP的本质来看UDP是一种无连接协议，它建立了电脑主机和从机之间的无线链接关系，当需要传递信息的时候，它可以用极快的速度从机器的存储器内抓取自己需要的信息，并以最快的速度将其发布到网络上，从发送端来看UDP传输数据的速度仅仅被计算机的能力和传输信息的宽带限制，而在接收端UDP将不同的信息分在不同的序列中，应用程序从队列中读取消息段时，UDP的传输速度高达毫秒，快速的传播速度无疑是我国大部分工业企业内部急需的。

（2）UDP在传输数据的时候不会建立连接关系，所以不用在意主机和从机的连接状态，这让主机可以同时与多个从机进行数据交换，而机器之间的信息不会互相干扰，这在无形之中提高了工作效率，让工业企业的计算机不用在局限于面对协议的怪圈，提高工业企业的工作效率。

（3）UDP的数据吞吐量不受空间控制算法调解，只受软件之间的数据传输速率和传输的带宽，以及计算机组的性能限制。

（4）UDP在进行数据传输的时候速度可高达10M/100M字节自适应，这让其传输的速度时间很短，这种传输速度是同类协议不可企及的高度。

（5）UDP的传输线路采用的是双绞线，抗干扰性很强，能够保证信息的稳定传输。

而和UDP做对比的通信方式有：串行232，485，I2C通信

1 从传输速率和实时性来看

在现代工业中，信息技术的应用范围越来越广，工业对网络速率的要求也越来越高，而UDP通信协议完全满足这一需求，将其应用在工业上时其数据传输速度和互联网的速率是相同的，设置好10M/100M字节的自适应后可以以极快的速度进行数据传输，完成工业计算机组之间的数据传输，这点和通常所使用的232，485，I2C等的通信相比速度得到了很大的提高，串行232，485，I2C的网络传输速度最高也仅有100K左右的速度，而强行增加运行速度则会增加系统的负荷导致系统的错误率和崩溃率增加，这几种通信方式的抗干扰能力也相对一般，面对需要传输大量数据的情况使用UDP，可以在最短的时间内完成任务。

2 从传输过程中的安全性来看

使用UDP协议来校准数值，以确保网络数据的安全性。UDP协议在校准前首先通过特殊的算法计算数据，当数据转移到接收方之后，还需要重新计算一次。如果在传输过程中数据被第三方篡改或损坏，由于数据错误等原因，导致验算的发送和接收方不一致，UDP就不会接收这部分数据，由此可见，UDP协议可以降低错误的发生率。

3 与基于TCP协议的工业以太网的比较

TCP是Transmission Control Protocol的缩写，简称传输控制协议。它是一种非常可靠的传输层通信协议和UDP位与OSI参考模型中的同一层。但是这三者之间却有非常明显的区别，是否是面向连接，从工业的角度来看，这一点造成的影响非常关键，从本质上来看TCP是连接时采用的通信协议，唯一的任务和使命就是发送与接受信号，但在发送数据之前，

它要保证数据传输之间的可靠性，而UDP协议则跨过这条，不需要和接收方建立安全连接，可直接向对方传输数据，也无需在对方返回数据时确认信号，排除了数据的可靠传递机制，减少了数据的延迟时间，将安全和排序的问题交与底层应用层来完成，减少了系统的传输速率，提高工作效率，从这点上来看UDP协议和TCP协议相比，优点有如下几点：

（1）不用建立连接，减少系统开销和延滞；

（2）不采用可靠的传输机制，主/从机不用维护很多用于记录连接的状态表；

（3）取消了确认信号的发送，提高了发送的速度和实时性

4 如何实现UDP协议

任何产品都需要考虑到自身的可行性，稳定性以及成本，而UDP的协议也是如此

4.1 可行性

工业控制往往会使用单片机，以及一些芯片来实现使用者所需的功能，而UDP协议需要的仅仅只是拥有网络模块的单片机及ARM之类的CPU就可以实现，因此其实现较为简单。例如菲利普芯片LPC2300，通信芯片DM9161A。

4.2 稳定性

软件的算法决定UDP的稳定性，这是因为Internet网络中的数据传输协议UDP通信的本质是高密度的芯片，稳定性对其而言是必不可少的一部分。

4.3 成本

数据传输协议所使用的硬件，就是数据传输协议的成本，这些电子元件的价格从现在来看价格并不贵，因而任何通信协议的成本在现在都不是很昂贵。

笔者通过上文分析了在工业环境中经常使用的几种网络传输协议，这其中就参数控制数据，系统单元状态数据，系统监控数据，系统故障诊断数据，系统报警数据等，这些工业系统在应用时都对网络传输速度有很高的要求，高效快速的传输是这些系统的基础，而串行232，485，I2C通信和TCP通信并不具备这种特性，UDP则完美的解决了这个问题。因此，可见基于UDP协议的通信是工业控制过程中不可缺少的通信模式。

参考文献

[1]陈宏.基于嵌入式WinCE的UDP通信[D].成都：电子科技大学，2011.

[2]王艳芳.基于UDP的多媒体数据实时可靠传输研究[D].湘潭：湘潭大学，2009.

[3]燕永新.一种基于UDP协议的即时通信系统的研究[D].大连：大连海事大学，2008.

[4]胡传军.UDP通信在工业控制中的应用[J].数字技术与应用，2013（01）.

作者简介

刘杰（1982-），男，上海市人。大学本科学历。现为中国船舶重工集团公司第七二六研究所科研岗位、工程师。研究方向为消防电子。

作者单位

中国船舶重工集团公司第七二六研究所 上海市 201108