基于FPGA的實時以太網（PowerLink）星載通信技術

鐘鐵君 ，李華旺 ，常 亮

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心上海201203；

3.中國科學院大學北京101407）

目前國內在航天器上采用的總線主要是CAN總線和1533B總線等傳統(tǒng)總線，隨著中國航天和空間技術的快速發(fā)展，航天器對其內部總線的通信性能提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)總線的工作方式的已經難以滿足航天器對其內部通信系統(tǒng)提出的新要求[1]。普通以太網雖然具有穩(wěn)定、可靠，通信速率高、成本低等特點，但其采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問）介質訪問控制方式[2]，導致傳輸延遲和傳送時間的不確定性，因此普通以太網并不適合航天器上的安全關鍵場合[3-4]。為了滿足安全關鍵場合對高實時性的需求，目前已經出現了EtherCat，TTEthernet等多種以太網實時性的技術解決方案[5-7]。

相對于幾種主流的實時以太網，Powerlink具有開放性好，速度快，性能卓越等特點[8]，且支持多種硬件平臺實現，其中，采用FPGA為硬件平臺可獲得相對更高的實時性能，因此，本文以FPGA為核心設計實現了一個嵌入式以太網通信系統(tǒng)，并以此為硬件平臺運行Powerlink協(xié)議，通過實際測試驗證了系統(tǒng)設計的正確性。

1 Powerlink協(xié)議概述

Powerlink基于標準的OSI模型，它規(guī)定了OSI模型七層協(xié)議中的三層：物理層、數據鏈路層以及應用層[9]。

Powerlink的OSI參考模型如圖1所示[10]，除了物理層之外，每層建立在下一層的基礎之上。Powerlink協(xié)議棧是建立在快速以太網IEEE802.3標準基礎之上的，它采用Ethernet標準網絡的物理層和 MAC（Media Access Control，媒體訪問控制），通過修改數據鏈路層，使用時間槽網絡通信管理機制SCNM達到實時控制。其應用層遵循廣泛使用的CANopen協(xié)議標準[11]。Powerlink協(xié)議支持標準以太網的通信接入，并能很方便的與TCP、UDP以及IP協(xié)議等結合工作。

以實時性，確定性為目標Powerlink性能十分優(yōu)越，通信系統(tǒng)的循環(huán)周期最小可達數十μs，每個節(jié)點最大可支持1 490 Bytes的數據幀傳輸。

圖1 Powerlink的OSI參考模型

1.1 SCNM機制原理

SCNM機制通過配置主站和從站兩種不同的節(jié)點來避免標準以太網采用的CSMA/CD機制產生的數據碰撞，其中，管理節(jié)點（Manage Node）MN負責對總線的使用權進行分配，避免產生沖突，實現實時通信。同一時刻只允許一個活動的MN節(jié)點存在，根據具體的應用場景可以設置冗余的MN，其余的節(jié)點在網絡中作為受控節(jié)點（Control Node）CN運行[12]，其數據收發(fā)完全由管理結點控制。網絡通信階段，MN為每個CN分配一個固定的時隙，確保在同一時刻僅有一個CN能夠對網絡媒體進行訪問，有效地避免了沖突。

1.2 Powerlink通信機制

Powerlink有兩種通信機制：基于請求/應答模式（Preq/Pres模式）和基于定時主動上送模式（PRC）模式[13-14]。

1）請求/應答模式

該模式下主站（MN）根據預先設置的節(jié)點號依次對所有從站（CN）進行輪詢訪問。首先MN發(fā)送同步幀SOC對所有節(jié)點進行同步，然后，MN發(fā)送單向Preq數據幀給第一個CN，CN收到PReq數據幀后向整個網絡廣播一個Pres數據楨，網絡中其他CN對該幀進行監(jiān)控并選擇是否接收，如此主站和從站完成了一次信息交互，重復這個過程，直至輪詢完所有節(jié)點。網絡中所有節(jié)點完成一次通信所需的時間為一個循環(huán)周期。該模式的性能取決于物理層的傳輸速度和通信數據幀的大小。

2）定時主動上報模式

該模式下，MN將配置各個CN在循環(huán)周期上報數據的時刻。在MN廣播發(fā)送Preq數據幀后，各CN以廣播的方式在指定的時間上發(fā)送Pres報文。該模式下MN僅需發(fā)送一次Preq數據幀，因此，這種模式相比于基于請求/應答模式有更好的性能。

2 通信系統(tǒng)設計

文中以Microblaze為核心，通過調用IP核在FPGA內部搭建包括存儲器、Powerlink MAC，節(jié)點撥碼開關等多種外設的SOPC系統(tǒng)，利用片上PLB總線進行連接整合，外接以太網PHY芯片實現協(xié)議棧物理層的功能，通過RJ45接口連接到PC機，構建出完整的嵌入式網絡通信系統(tǒng)[15]。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

2.1 硬件設計

文中設計的基于FPGA的Powerlink硬件系統(tǒng)的基本架構如圖3所示。

Mircoblaze軟核CPU是目前處理性能最好，使用最廣泛的軟核處理器之一。在本系統(tǒng)中，Mircoblaze為Powerlink協(xié)議棧提供硬件運行平臺，控制Powerlink實時以太網的數據傳輸。

圖2 通信系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)架構

Powerlink MAC主要負責控制與鏈接物理層的物理介質，提供MII/RMII等標準接口實現與外界PHY芯片的連接，同時提供MDIO/MDC接口來訪問PHY芯片的內部寄存器，管理PHY芯片。

PHY芯片用來實現Powerlink協(xié)議棧的物理層功能，是直接面向實際承擔數據傳輸的物理媒介，并且為數據鏈路層提供一個傳輸原始比特數據流的物理連接。

SRAM存儲器主要負責存儲協(xié)議棧的源代碼以及對MAC的數據暫存。

撥碼開關用來設置節(jié)點的節(jié)點號，Powerlink是通過節(jié)點號來尋址的，因此可以通過撥碼開關來設置每個節(jié)點自己的NodeID。

本文采取的通過在FPGA中構建一個軟核處理器來運行Powerlink協(xié)議棧的設計方法，相對于其他解決方案，具有靈活度高，成本低，實現容易等特點，而且能滿足絕大部分的應用場合。在這個系統(tǒng)中，SRAM、撥碼開關等作為CPU的外部設備，Microblaze會給每一個設備分配一個地址，在CPU中可以直接對地址進行操作，訪問各個外部設備。此外，根據具體應用場景，可以添加一些新的邏輯功能，編寫一個外部設備，掛到總線上。

2.2 軟件設計

Powerlink以快速以太網標準IEEE802.3為基礎。一個完整的Powerlink通信周期分為同步階段和異步階段兩個階段，在Powerlink循環(huán)的同步段，管理節(jié)點MN對控制節(jié)點CN進行周期性的輪詢訪問。異步段用于傳輸非周期性的、沒有太高實時性要求的數據，其應用層通信規(guī)范改編自CANopen協(xié)議標準。CANopen協(xié)議有主要有3個部分：用于交換周期性數據的過程數據對象PDO、用于配置對象字典的服務數據對象SDO以及保存對象參數的對象字典OD。

Powerlink是唯一個真正基于標準的以太網硬件平臺，并且與標準以太網完全兼容的純軟件解決方案，軟件結構如圖4所示。

圖4 Powerlink軟件結構

Powerlink API層為用戶提供應用程序和協(xié)議棧間的一個簡單的接口。應用程序通過使用API層的函數初始化Powerlink協(xié)議棧并執(zhí)行不同的任務。

Powerlink協(xié)議棧可處理硬實時任務和低優(yōu)先級任務，其中硬實時任務用于處理循環(huán)事件，低優(yōu)先級任務負責異步事件的處理以及協(xié)議棧參數配置，這些任務之間的通信被封裝在通信抽象層，便于對新平臺的移植和優(yōu)化。

Powerlink對象字典用于對協(xié)議棧參數的配置，配置的過程可以在協(xié)議棧的初始化階段調用相應的API函數執(zhí)行，也可以在協(xié)議棧運行期間通過SDO的遠程傳輸來配置。

Powerlink網絡管理模塊通過NMT（Network managemengt）狀態(tài)機來實現，NMT狀態(tài)機決定通信單元的行為。主要包括通用初始化NMT狀態(tài)機、MN NMT狀態(tài)機和CN NMT狀態(tài)機。

圖5 系統(tǒng)測試連接圖

3 數據通信與測試

為了驗證系統(tǒng)設計的正確性，利用裝有Wireshark網絡診斷工具和windows操作系統(tǒng)的PC機上建立主站，在FPGA上建立從站，用網線將主站和從站連接起來，進行測試驗證，主站和從站的通信方式采用請求/應答模式。系統(tǒng)測試連接圖由圖5所示。

運行Powerlink網絡，需要設置網絡的循環(huán)周期，循環(huán)周期的長短很大程度上取決于主站硬件處理器的性能，如果有操作系統(tǒng)，和操作系統(tǒng)的實時性也有關。例如在VxWorks上，可以達到幾十至幾百微秒的循環(huán)周期；在Linux+實時補丁下，可以達到幾百毫秒的循環(huán)周期；在Windows下，最短循環(huán)周期在2 ms以上。因此，本次設置的網絡循環(huán)周期為3 ms。

當Powerlink協(xié)議正常運行時，PC機上能夠抓取到通信過程產生的數據包。圖6為PC機上Wireshark成功抓取到的數據包。由圖可知在t1=3.452 432、t2=3.455 431和t3=3.458 434的時刻，主站發(fā)出了一個preq數據楨，根據Powerlink協(xié)議通信原理，該系統(tǒng)的循環(huán)周期為t2-t1或t3-t2約等于3 ms，與系統(tǒng)配置的循環(huán)周期相等，驗證了系統(tǒng)設計的正確性。

圖6 Wireshark軟件通信測試

4 結束語

文中對Powerlink實時以太網進行了理論研究，在此基礎上，基于SOPC的方式實現了一個Powerlink網絡通信系統(tǒng)，可以根據具體的應用場景靈活的進行增添裁剪，克服了原有普通以太網CSMA/CD訪問沖突檢測機制帶來的時間延遲和不確定性的問題。通過實際測試可以得出，Powerlink實時以太網具有很高的實時性、可靠性、實現起來具有很高的靈活性且符合航天業(yè)務的發(fā)展對通信系統(tǒng)的要求，這為我國在空間應用中大規(guī)模使用以太網提供了一種有效的思路。

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