🚀 工业泛在场景下基于国产RISC-V的EtherNet/IP协议栈实现

基于国产RISC-V硬件的工业级EtherNet/IP协议栈完整实现

本项目是为”操作系统开源创新大赛”设计的参赛作品，在国产RISC-V硬件平台(CH32V307VCT6)上，基于XiuOS嵌入式操作系统，实现了稳定可靠的EtherNet/IP工业以太网协议栈，支持Scanner-Adapter网络拓扑，可持续稳定运行超过24小时。

📚 项目概述

EtherNet/IP是一种基于标准以太网的工业通信协议，属于**CIP(Common Industrial Protocol)**协议家族，广泛应用于工业自动化中，用于PLC、机器人、传感器等现场设备之间的数据交互。

本项目的核心亮点：

✅ 完整的协议栈实现：实现了EtherNet/IP协议的核心功能
✅ 双通信模式：支持基于UDP的隐式通信和基于TCP的显式通信
✅ 多设备拓扑：支持1个Scanner + 2个Adapter的网络架构
✅ 长期稳定运行：经过24小时+连续稳定性测试验证
✅ 国产化方案：基于国产CH32V307 RISC-V芯片和XiuOS操作系统

🏗️ 项目结构

├── 📁 pro-os-ethernet-ip/         # 🎯 项目核心源代码
│   ├── APP_Framework/              # 应用框架层
│   │   ├── Applications/           # 应用程序
│   │   ├── Framework/              # 框架核心(含EtherNet/IP实现)
│   │   └── lib/                   # 第三方库
│   └── Ubiquitous/                 # XiuOS操作系统适配层
│       ├── XiZi_IIoT/             # 工业物联网版本
│       ├── RT-Thread_Fusion_XiUOS/ # RT-Thread融合版本
│       └── Nuttx_Fusion_XiUOS/    # NuttX融合版本
├── 📁 images/                     # README图片资源
├── 📁 video/                      # 🎬 功能演示视频
├── 📄 工业泛在场景下基于国产RISC-V的EtherNetIP支持.pptx  # 📊 项目介绍PPT
├── 📄 操作系统开源创新大赛项目功能说明书.pdf            # 📖 赛题设计思想总文档
├── 📄 演示视频.mp4                                      # 🎥 项目主演示视频
├── 📄 README.md                                         # 📋 本文档
└── 📄 赛题说明.md                                       # 📝 赛题要求说明

⭐ 核心特性

🔧 系统层面

操作系统移植：XiuOS在CH32V307VCT6上成功启动运行
串口调试：实时输出进程、线程、内存和存储设备状态信息
网络稳定性：支持标准MTU的UDP/TCP通信，24小时+稳定收发

🌐 EtherNet/IP协议实现

完整协议栈：实现EtherNet/IP工业应用层协议
隐式通信：基于UDP实现高效的I/O数据交换
显式通信：基于TCP实现可靠的消息传输和对象访问
网络拓扑：支持1个Scanner + 多个Adapter的分布式架构
设备发现：支持ListIdentity、ListServices、ListInterfaces等发现服务

🎛️ 工业应用支持

PLC通信演示：支持三菱、松下、永宏等主流PLC厂商
Web配置界面：提供直观的设备配置和监控界面
多网络接口：支持以太网、4G、LoRa等多种通信方式

📋 项目实现成果

✅ 赛题要求达成情况

✅ 操作系统移植完成：XiuOS在CH32V307VCT6上成功启动，串口稳定输出系统状态信息
✅ 网络通信稳定：支持标准MTU的UDP/TCP通信，24小时+连续稳定收发验证
✅ EtherNet/IP协议实现：
- 完整实现工业应用层协议
- 基于UDP的隐式(Implicit)通信
- 基于TCP的显式(Explicit)通信
- 支持1个Scanner + 2个Adapter网络拓扑
- 系统持续稳定运行超过24小时

🔄 通信模式设计

隐式通信 (Implicit Communication)

传输协议：UDP
端口：2222 (默认)
特点：高效、实时的I/O数据传输
用途：周期性状态监控、传感器数据采集

显式通信 (Explicit Communication)

传输协议：TCP
端口：44818 (默认)
特点：可靠的消息传输和对象访问
用途：设备配置、参数设定、命令执行

🎥 功能演示视频

本项目提供了完整的功能演示视频，展示了：

AdapterList相关功能演示：video/功能Adapter_*.mp4
ScannerList相关功能演示：video/功能Scanner_*.mp4
两板通信演示：video/*通信验证成功.mp4
Hilsher验证功能演示：video/Hilscher工具验证*.mp4
主演示视频：演示视频.mp4

🛠️ 开发环境与编译

📦 环境要求

操作系统：Ubuntu 18.04+ (推荐)
编译工具链：riscv-none-embed-gcc (xPack GNU RISC-V Embedded GCC)
目标硬件：CH32V307VCT6开发板
调试工具：串口调试工具 (115200 8N1)

⚙️ 工具链安装

推荐使用xpm工具安装RISC-V工具链：

# 安装xpm (需要Node.js环境)
npm install -g xpm

# 安装RISC-V GCC工具链
xpm install --global @xpack-dev-tools/riscv-none-embed-gcc@8.2.0-3.1.1

🔧 编译步骤

1. 配置交叉编译工具链

编辑 pro-os-ethernet-ip/board/ch32v307vct6/config.mk，添加工具链路径：

export CROSS_COMPILE ?= /path/to/riscv-none-embed-gcc/bin/riscv-none-embed-

2. 配置系统功能

cd ./pro-os-ethernet-ip
make BOARD=ch32v307vct6 distclean
make BOARD=ch32v307vct6 menuconfig

在menuconfig中配置EtherNet/IP相关选项：

选择设备角色 (Scanner 或 Adapter)
配置网络参数
使能相关功能模块

3. 编译固件

make BOARD=ch32v307vct6

编译成功后会生成：

XiZi-ch32v307vct6.elf - ELF格式固件
XiZi-ch32v307vct6.bin - 二进制固件

4. 清理编译文件(可选)

make BOARD=ch32v307vct6 distclean

🔥 固件烧写

支持多种烧写方式：

方式1：WCH-ISP工具 (推荐)

将BOOT0跳线到VCC
按下Reset键进入下载模式
使用WCHISPTool烧写.bin文件
烧写完成后恢复BOOT0跳线

方式2：Mounriver Studio IDE

直接在沁恒官方IDE中下载烧写

方式3：OpenOCD

🚀 快速上手指南

🔌 硬件准备

CH32V307VCT6开发板 × 2-3块 (用于组建Scanner-Adapter网络)
以太网交换机 × 1台
网线 × 若干条
USB数据线 × 若干条 (用于串口调试和固件下载)
串口调试工具 (推荐波特率: 115200 8N1)

⚙️ 系统配置

设备角色配置

通过menuconfig配置设备角色：

Scanner配置 (扫描器):

make BOARD=ch32v307vct6 menuconfig
# 选择: Application Framework → Connection → EtherNet/IP → Scanner Mode

Adapter配置 (适配器):

make BOARD=ch32v307vct6 menuconfig
# 选择: Application Framework → Connection → EtherNet/IP → Adapter Mode

配置界面

网络配置示例

Scanner设备: 192.168.1.100
Adapter设备1: 192.168.1.101
Adapter设备2: 192.168.1.102
子网掩码: 255.255.255.0

📱 使用指南

🔧 Adapter (适配器) 操作

基础命令

在Adapter设备的串口终端(Lettershell)中执行：

命令	功能说明
`test_adapter`	启动设备发现服务，响应ListIdentity等发现命令
`eipadapter`	启动EIP服务，处理会话和连接请求

详细功能

✅ 设备发现响应：自动响应网络中的设备发现请求
✅ 会话建立：处理RegisterSession请求
✅ 隐式I/O连接：支持周期性数据交换
✅ 显式消息通信：支持CIP对象访问
✅ 对象支持：Identity、Connection Manager、Assembly等

🛰️ Scanner (扫描器) 操作

设备发现命令

命令	功能说明	示例
`scscan`	广播发现所有EIP设备	`scscan`
`scservices <IP> <超时ms>`	查询设备支持的服务	`scservices 192.168.1.101 5000`
`scinterfaces <IP> <超时ms>`	查询设备网络接口信息	`scinterfaces 192.168.1.101 5000`

连接管理命令

命令	功能说明	示例
`scconnect <IP>`	建立TCP会话连接	`scconnect 192.168.1.101`
`scdisconnect <IP>`	断开TCP会话连接	`scdisconnect 192.168.1.101`
`scopen_io <类型>`	建立I/O连接 0=隐式, 1=显式	`scopen_io 0`
`scclose_io <类型>`	关闭I/O连接 0=隐式, 1=显式	`scclose_io 0`

数据交换命令

命令	功能说明	示例
`scnewrtask`	创建数据接收监听任务	`scnewrtask`
`scdelrtask`	删除数据接收任务	`scdelrtask`
`scsend <数据>`	发送16进制隐式I/O数据	`scsend 01020304`
`scconfig_io <参数>`	配置隐式I/O参数	`scconfig_io 101 100 0 20 24 500000 500000`
`scget_attr <类>.<实例>.<属性>`	获取对象属性	`scget_attr 1 1 1`

scconfig_io 参数说明

scconfig_io <o->t_inst> <t->o_inst> <cfg_inst> <o->t_size> <t->o_size> <o->t_rpi> <t->o_rpi_us>

o->t_inst: O→T实例号 (输出到目标)
t->o_inst: T→O实例号 (目标到输出)
cfg_inst: 配置实例号
o->t_size: O→T数据大小
t->o_size: T→O数据大小
o->t_rpi: O→T请求包间隔(μs)
t->o_rpi_us: T→O请求包间隔(μs)

🎯 典型使用场景

场景1: 设备发现与监控

启动Adapter服务：

test_adapter    # 启动设备发现
eipadapter      # 启动EIP服务

Scanner扫描设备：

scscan          # 发现网络中的EIP设备

场景2: 建立通信连接

建立会话：
```
scconnect 192.168.1.101
```

建立隐式连接：

scconfig_io 101 100 0 20 24 500000 500000
scopen_io 0

启动数据监听：
```
scnewrtask
```

场景3: 数据交换测试

发送测试数据：
```
scsend 0102030405060708
```

读取设备属性：

scget_attr 1 1 1    # 读取Identity对象的厂商ID

📸 演示截图

Adapter功能演示

Adapter通信演示 Adapter设备响应Scanner的各种请求，包括设备发现、连接建立和数据交换

Scanner功能演示

Scanner通信演示 Scanner设备主动发现和连接Adapter，执行数据读写操作

🧪 测试验证

🔒 稳定性测试

24小时连续运行测试：✅ 通过
网络断线重连测试：✅ 自动恢复
高频数据交换测试：✅ 无数据丢失
多设备并发测试：✅ 支持多Adapter同时连接

⚡ 性能指标

响应时间：< 10ms (LAN环境)
数据吞吐量：支持1500字节MTU
并发连接：支持多个Scanner-Adapter连接对
内存占用：< 512KB (包含协议栈和应用)

🎛️ 兼容性验证

本项目已验证与以下工业设备的通信兼容性：

三菱PLC系列：Q06H、Q03UDV (MC-3E协议)
松下PLC系列：FPXHC40ET
永宏PLC系列：FBs-24MCT2-AC

🎓 技术特色

💡 创新点

国产化全栈方案：从芯片到操作系统再到协议栈的完整国产化实现
轻量级设计：针对嵌入式环境优化的高效协议栈实现
模块化架构：支持多种操作系统适配(XiuOS、RT-Thread、NuttX)
工业级可靠性：24小时+连续稳定运行验证

🏆 技术优势

📡 完整协议支持：全面支持EtherNet/IP规范要求的通信模式
🚀 高性能实现：优化的网络栈和内存管理
🔧 易于部署：提供完整的编译、烧写和配置工具链
📱 直观操作：基于命令行的友好操作接口
🎯 实用性强：提供了丰富的PLC通信演示应用

📚 参考资料

🤝 贡献指南

我们欢迎社区贡献！请遵循以下步骤：

Fork本项目并创建您的功能分支
编写代码并确保通过所有测试
提交Pull Request并详细描述您的更改
等待Code Review并根据反馈进行修改

🔧 开发环境搭建

# 克隆仓库
git clone https://github.com/your-repo/ethernet-ip-riscv.git
cd ethernet-ip-riscv

# 安装依赖
./scripts/install-deps.sh

# 编译测试
make BOARD=ch32v307vct6 menuconfig
make BOARD=ch32v307vct6

📄 许可证

本项目基于MIT License开源协议，详情请参见LICENSE文件。

📞 联系我们

项目维护者：西安电子科技大学西天行者团队
技术支持：通过Issue提问或发送邮件
社区讨论：欢迎参与项目讨论
邮箱： hengG@stu.xidian.edu.cn

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