工業實時以太網Ethernet POWERLINK 機制研究

趙 賽，張凱龍

(1.安徽廣播電視大學信息與工程學院， 安徽 合肥 230601； 2.西北工業大學計算機學院， 陜西 西安 710072；3.陜西省嵌入式系統技術重點實驗室， 陜西 西安 710072)

0 引言

隨著計算機、控制、網絡等技術的發展，工業控制網絡從最初的計算機集成控制系統發展到集散控制系統，乃至現場總線控制系統，呈現出網絡化、智能化特征。目前，CAN、DeviceNET、ModBus等多個現場總線協議已在不同領域得到應用。但由于不同現場總線都有專用的通信協議，使得不同總線產品間不能互聯、互用、互操作。有的現場總線支持的設備有限，不利于系統的擴展。此外，各個現場總線標準制定商之間也無法達成統一。在這樣的背景下，把以太網技術應用于工業控制領域，構成工業控制網絡，已成為當前的主要研究方向[1]。

Ethernet POWERLINK(EPL)是一種基于標準以太網的、滿足硬實時性的工業實時以太網，已經在工業網絡控制中得到了廣泛應用[2]。本文針對POWERLINK網絡通信技術，對協議的原理、通信機制進行了分析與驗證，并對網絡的配置進行了介紹。

1 EPL通信規范

1.1 EPL的通信架構

EPL是一種實時以太網通信規范，其通信模型采用如圖1所示的三層體系結構。其中，底層包括物理層(physicaol layer,PHY)和媒體訪問控制(meduim access control,MAC)層，采用快速以太網標準IEEE802.3。中間層是POWERLINK規定的數據鏈路層，也是POWERLINK的核心部分。其在MAC層之上增加了實時調度機制，保證了通信的實時性和確定性。此層定義了新的網絡傳輸機制，通過網絡通信管理(network management,NMT)對POWERLINK的整個協議棧進行初始化、配置以及錯誤處理，從而保證網絡通信的正常進行。頂層部分是POWERLINK的應用層，使用了CANopen協議標準，并對其進行了擴展，從而能夠傳輸更大的數據[3]。

圖1 EPL通信模型

1.2 EPL的實時機制

POWERLINK網絡中有兩類節點：管理節點(managing node,MN)和受控節點(controlled node,CN)。MN可以主動發送數據，而CN只有在MN授權的情況下才能進行數據發送。POWERLINK在數據鏈路層，使用了基于時分多路復用技術的時間槽通信網絡管理(slot communication network management,SCNM)機制，向網絡節點發送同步數據和異步數據分配時間槽，保證在用一時間段內只有一個節點可以占用網絡媒介。這樣既避免了網絡沖突的發生、實現了無沖突的數據傳輸，又實現了確定性的實時通信[4]。

1.3 EPL的運動控制接口

CANopen是構建在CAN總線上的通信協議。在EPL協議的設計中，應用層借鑒了CANopen規范的設計[5]，支持對設備參數的直接訪問以及用來傳輸對時間要求很嚴格的過程數據[6-7]。對象字典是連接應用程序中運動控制數據和EPL協議棧之間的接口。EPL直接操作的是對象字典，設備的配置參數以及應用程序中的控制數據，必須和對象字典相關聯，才能通過EPL協議棧進行傳輸，用來對設備進行實時控制。

對象字典是一個有序的對象組，每個入口即對象字典的條目都通過一個16位的索引和8位的子索引唯一確定。在EPL網絡中，過程數據對象(process data object,PDO)用來傳輸運動控制中的實時數據，而服務數據對象(service data object,SDO)則用來傳輸非實時數據。SDO的操作比較簡單，只需索引及子索引信息就可以對對象字典進行讀寫操作。PDO的傳輸則較為復雜，需要通信雙方配置通信參數以及映射參數信息，才能進行實時控制信息的交互。

2 openPOWERLINK協議棧

2.1 openPOWERLINK的軟件架構

openPOWERLINK軟件邏輯架構如圖2所示。

圖2 openPOWERLINK軟件邏輯架構

openPOWERLINK是EPL的一個軟件實現。其設計基于事件驅動模型，使用了模塊化的軟件架構，以對象化的思想實現各個模塊，從而易于軟件移植到不同的平臺。軟件邏輯結構在實現上可以分為以下主要部分：工業控制應用(application,AP)、應用程序接口(application programing interface,API)、對象字典(object dictionary,OD)、通信抽象層(communication abstraction layer,CAL)、網絡通信管理、數據鏈路層(data link layer,DLL)、共享緩沖區、以太網驅動、定時器模塊。

在AP中，通過API提供的函數接口初始化以及啟動協議棧，并進行工業控制應用開發。在對象字典的設計中，以靜態方式分配內存，其構建使用結構體數組的方式，并設計成宏定義方便用戶進行操作。AP中應用程序的實時數據通過和對象字典條目相關聯，通過映射和通信參數的配置，作為PDO數據在PReq或者PRes幀中進行傳輸。AP中使用的設備屬性參數以及需要傳輸的非實時數據，也需要使用對象字典進行存儲，并通過SDO進行讀寫。CAL把軟件架構劃分為內核部分和用戶部分，分別處理AP以及協議棧中優先級比較高的硬實時任務，并負責如SDO傳輸的低優先級任務。為了易于協議棧移植和優化到新的平臺，CAL的設計放在了事件模型之后。位于CAL上面的是用戶部分，下面的是內核部分。兩者任務之間的通信被封裝在了CAL中。對于AP中同步實時數據的發送，為了分配準確的高精度時間槽，必須使用高精度定時器；同時，觸發協議狀態機運行的定時事件，以及簡單的超時檢測，因精度要求不高而使用普通定時器。定時器也生成事件，存儲在共享緩沖區里，用于觸發狀態機的運行。

在設計中，動態分配了兩個單向循環隊列作為共享緩沖區，分別用于存放協議棧內核部分和用戶部分雙向交互的事件。存放在共享緩沖區的事件，由線程調用相應的回調函數進行處理，驅動NMT狀態機狀態的轉移，實現NMT網絡管理，使網絡啟動和通信正常能夠進行。協議棧中數據的收發通過DLL調用對應于數據屬性的回調函數，對收發的數據進行處理。然后，通過以太網驅動實現網卡數據的收發。以太網驅動不能使用已有的網卡驅動模塊，需要根據EPL提供的接口函數進行移植。另外，EPL中也可以使用虛擬以太網驅動，從而使UDP/IP堆?？擅善涮峁┑慕涌?，通過EPL網絡發送數據，并且使SDO也可以通過UDP和IP進行封裝傳輸。

2.2 openPOWERLINK周期輪詢機制

網絡通信分為三個階段：同步階段、異步階段、空閑階段[8]。其中，空閑階段不作任何處理，只是等待本周期的結束，從而開始下一個通信周期。在網絡通信中采用SCNM通信機制；對發送實時數據的節點，在同步階段分配一個時間槽用于數據通信；非實時數據在異步階段發送，可以用來作為MN對CN節點的身份、狀態輪詢，或者CN向MN申請獲得權限進行異步數據的發送，并且只能有一個節點發送數據。

MN的循環周期機制如圖3所示。

圖3 MN的循環周期機制

CN的循環周期機制如圖4所示。

圖4 CN的循環周期機制

周期性通信的設計如下。

①使用高精度定時器計時，從而時間觸發MN廣播發送SoC。在網絡中，只有SoC是時間觸發的。所有CN接收到SoC后，開始準備自己的數據，并等待接收PReq，以獲取時間槽。

②SoC的發送中斷會產生對應的事件，觸發啟動定時器。其設置的時間為從SoC發送結束到第一個PReq開始發送之間的延遲，并且定時器超時會生成事件WaitSoCPReq。

③事件WaitSoCPReq的產生，將觸發MN按照設置的CN順序，單播發送PReq給第一個CN節點，從而CN被分配發送數據的時間槽。此時，MN等待回應信息Pres的發送，并啟動定時器檢測Pres的發送是否超時。

④CN接收到PReq后，立即廣播發送Pres，然后等待接收SoA，即異步階段的開始。如果設置了此節點和其他CN節點間有數據交互，等待期間也可以接收并處理網絡上收到的Pres。MN在接收到Pres后，按照同樣的方式對下一個CN節點分配時間槽進行數據發送。當MN接收到最后一個Pres后，開始發送SoA，從而通信就開始進入異步階段。

⑤進入異步階段后，CN節點就開始等待接收SoC，即等待同步階段的開始。等待期間可以收發異步數據。如果有異步數據發送，那么MN就等待數據幀ASnd的發出，然后等待下一周期的開始，執行步驟①；否則，直接等待下一個周期的開始，執行步驟①。

3 應用原型設計與驗證

目前，自動化控制系統要求集中式和分布式的統一。這就要求控制網絡具有高速度、實時控制、交叉通信和自由拓撲等特性[9]。EPL作為一種實時以太網完全滿足這些要求，并且對硬件沒有特殊要求，可以適用于任何以太網硬件。因此，EPL得到了廣泛的應用。

3.1 試驗設計與協議棧配置

在試驗室環境下，使用三個現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)設備和一臺計算機來模擬三軸控制通信，并以LED燈的閃爍作為三軸控制電機運動的模擬效果。其中，計算機運行在打過實時補丁的linux系統下，作為管理節點MN，并使用wireshark軟件抓取通信數據包；FPGA設備作為3個受控節點CN，模擬控制電機的3個軸。由于集線器所產生的傳輸延遲是納秒級別，對EPL通信的實時性影響可以忽略不計[10]，所以計算機、FPGA之間采用集線器進行連接。

openPOWERLINK中，結構體struct tEplApiInitParam包含了協議棧初始化所需要的信息，在應用程序中根據需求進行設置。協議棧參數配置如表1所示。

表1 協議棧參數配置

表1列出了4個重要的參數配置。在試驗中，MN和CN之間的通信數據作為控制信息和反饋信息，并通過LED燈的閃爍模擬實際工業應用中的控制。因此，在試驗中需要執行的操作有：定義對象字典；把變量鏈接到定義的對象；事件回調函數中各個事件發生時用戶的操作；同步回調函數中的應用操作，在此函數中，當節點發送或者接收到SoC時，把數據轉化為相應的控制信息。

3.2 網絡的啟動過程

為了觀察網絡通信細節，計算機上的wireshark軟件獲取了EPL數據包。以CN1為例，網路啟動時主要數據包如表2所示。

表2 網路啟動時主要數據包(以CN1為例)

以下根據openPOWERLINK協議棧，并結合這些數據包，總結MN引導CN的啟動過程。

在網路的通信中，節點的啟動過程是非常重要的。所有節點啟動時，將根據NMT狀態機執行相應的任務。然后，根據配置的ID，選擇MN或CN，并分別進入狀態NMT_MS_NOT_ACTIVE和NMT_CS_NOT_ACTIVE。最后，MN執行整個狀態機管理工作，引導CN的啟動。根據表2進行分析，可得出在網絡初始化時，MN引導CN的啟動過程如下。

①MN監聽網絡，若在規定時間內收到SoC或SoA，則說明網絡上已經存在一個MN，而此MN把錯誤信息上傳給應用層；否則，進入NMT_MS_PRE_OPERATIONAL_1狀態。在此狀態下，執行的是一個縮減的周期，即只有正常周期的異步階段。MN向網絡發出若干個SoA幀，從而觸發網絡上的CN進入NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_1狀態。

②MN使用命令NMTResetNode復位所有CN，隨后執行BOOT_STEP1過程：通過IdentRequest和IdentResponse幀，把CN的設備類型與MN里存儲的CN信息進行核對；檢查和更新CN的軟件版本以及配置信息。此過程經過一系列的SoA和SDO實現。然后，MN進入NMT_MS_PRE_OPERATIONAL_2狀態，并且開始啟動EPL的完整周期。

③MN發送的SoC幀，觸發CN進入狀態NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_2。MN執行BOOT_STEP2過程：通過StatusRequest 和StatusResponse，驗證所有的CN是否已經位于NMT_MS_PRE_OPERATIONAL_2狀態；使用NMT命令NMTEnableReadyToOperate，使所有的CN進入狀態NMT_CS_READY_TO_OPERATE。然后，MN進入狀態NMT_MS_READY_TO_OPERATE。

④執行CHECK_COMMUNICATION過程：MN發送PReq幀對CN進行輪詢，檢測CN是否能夠在規定的時間內應答Pres幀，以及PRes幀是否符合要求。如果檢測結果正確，MN會進入NMT_MS_OPERATIONAL狀態。

⑤執行START過程：MN發送NMT命令NMTStartNode，使CN進入NMT_CS_OPERATIONAL狀態。當所有的CN都已進入NMT_CS_OPERATIONAL狀態后，就開始正常的數據交互。

3.3 試驗結果分析

在網絡進入正常的通信后，可以看到從站CN的LED燈，在MN的控制下周期性地閃爍。EPL正常通信周期數據包如表3所示。

表3 EPL正常通信周期數據包

表3是提取的一個周期的數據包信息?？梢钥吹?，這和2.2節描述的通信過程一致。EPL周期的大小，即相鄰兩個SoC之間的時間差，在10 000次的連續周期統計中，周期是1 000 μs的所占比例是48.18%、周期是999 μs的所占比例是19.09%、周期是1 001 μs的所占比例是16.36%、其他的所占比例是16.37%。該結果符合均值是1 000 μs的正態分布，與表1中的配置1 000 μs基本一致，并且抖動只有5 μs，能夠滿足工業中確定性的要求。通過分析還可發現，SoC幀只是保證了各個CN進行采樣的同步，從而在應用中需要采取插補方法，才能保證CN處理和輸出的同步。另外，通信周期大小以及數據幀響應的最大超時限制，都會對EPL的實時性能產生影響。因此，需要根據具體應用需求進行驗證設置。

4 結論

EPL能夠很好地滿足工業實時以太網的實時性和確定性需求，在國內外工業實時控制中得到了應用。本文基于EPL網絡和FPGA平臺進行通信，模擬了工業中的三軸電機控制。通過分析wireshark數據包，對EPL的通信機制進行了分析與驗證。試驗結果表明，該通信機制能夠很好地滿足工業控制的實時性和確定性需求。