基于PowerLink的实时通信网设计看家狗

　以太网技术的通信系统，可以满足大部分工业控制系统在通信速率、组网方面的要求，但是以太网采用的CSMA/CD介质访问机制造成了通信延迟的不确定。在实时性要求较高的通信场合，以太网技术已经无法满足实时通信的要求。
　　Ethernet Powerlink实时以太网标准在2001年由奥地利贝加莱公司设计规划，目标是利用以太网技术构建一个实时、高速、确定性强的网络协议。PowerLink是一项开源技术，无购置成本，基于标准的以太网，无需专用硬件支持，速度快，支持10M-1000M的以太网，支持所有以太网的拓扑结构，布线灵活自由，刷新周期可达到100μs，抖动小于1μs，每个网段可以连接超过200个从站，节点距离可达到100米并支持光纤连接[1][2]。
　　1 PowerLink协议
　　Powerlink的通信协议模型如图1所示。Ethernet Powerlink在CSMA/CD的基础上引入SCNM（Slot Communication Network Management）管理网络通信机制。在网络中某个节点作为管理节点，通过管理节点控制其他节点的数据收发，节点的数据只有在规定的时间片内才能发送到网络上，保证了在同一时刻只有一个设备可以占用网络资源，从而避免了介质共享冲突，这样就可以使数据在限定的时间内被传输。
　　Powerlink物理层采用标准的以太网，遵循IEEE802.3以太网标准。数据链路层是Powerlink的核心，主要实现构建/解析数据帧、帧定界、同步、流量控制、差错检测、网络状态机等功能。
　　应用层采用了CANopen的机制作为网络配置和实时数据传输的接口。Powerlink协议在TCP/IP协议基础上进行了一定的实时扩展，增加了Async中间件来传输异步数据，采用ISOchron中间件来传输实时性较强的周期性数据[2][3]。
　　2 PowerLink主站设计
　　PowerLink是一个软协议，可以运行在各种操作平台之上。PowerLink 是基于普通以太网的实时通信协议，物理层采用标准的以太网，而数据链路层的控制和应用层的CANopen协议都是C语言编写的开源代码。PowerLink协议栈可运行在各种支持C语言的硬件平台和操作系统上。
　　本文将PowerLink主站建立在Linux操作系统之上，并运行于通用计算机硬件平台。Linux 操作系统开源且免费，在Linux 系统下有免费开源的实时补丁，大大增强了Linux 的实时性，其最小循环周期可达到十几微秒。
　　先下载开源的PowerLink主站协议栈，然后使用openCONFIG URATOR进行参数配置，并给Linux打一个RT-preempt的实时内核补丁，可大大提高性能并减少抖动。
　　3 PowerLink从站设计
　　3.1 netX网络控制芯片
　　德国Hilscher公司的netX是一种高度集成的网络控制器，适合工业通讯和大规模的数据吞吐。支持目前所有主流的实时以太网和现场总线系统，如Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink、CANOpen等协议。
　　netX50的结构如图2所示[3][4]，netX50网络控制器内部集成ARM 966的CPU核，netX50具有双端口内存DPM接口，用于连接外部CPU，片上集成112KB的RAM和64KB的ROM，并包含引导区装载和实时内核。netX50 具有多个可以自由定义的智能通讯接口，可以配置为实时以太网或者现场总线通道。内部集成了各种实时以太网协议所需的ASIC硬件资源，如Hub、Switch、IEEE1588等。
　　3.2 基于netX芯片的开发模块comX
　　comX是德国Hilscher公司开发的嵌入式实时以太网模块，通过加载不同的协议栈可实现Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink等实时工业以太网协议。comX模块是基于netX50网络控制芯片的开发模块，主机通过双端口内存DPM接口来进行数据交互，通过对DPM读和写来实现网络通信及模块控制。DPM是netX50控制器和主机之间共享的存储区，应用程序通过DPM来实现PowerLink数据通讯、配置netX50系统和诊断信息的获取。模块上带有2个RJ45接口，用于连接以太网。如图3所示。
　　PowerLink从站设计方案如图4所示，主要由主控芯片和comX及接口组成，主控芯片负责处理应用程序，netX50实现网络通讯。主控芯片采用STM32F103，是一款基于STM32的处理器（ARM Cortex-M3内核）。STM32F103通过FSMC总线读写comX的DPM，在comX上实现PowerLink从站协议。STM32F103实现用户接口和应用，从站的各种用户和业务都通过STM32F103接入实时以太网，comX上的两个以太网接口为PowerLink网络接口，STM32F103上可扩展一个标准以太网接口，因而从站方案可实现标准以太网和PowerLink实时以太网之间的相互通信。
　　4 PowerLink通信网络
　　PowerLink网络是一个实时网络，PowerLink网络中各个节点的通信，有着严格的时序性。各个节点在哪个时间段得到总线的使用权，是由主站统一分配的。每个PowerLink网只能有1个主站MN。
　　搭建的PowerLink通信实验网络如图5所示，3个从站CN和1个主站MN组成了星形网络，为了保证实时性，网络中只能使用集线器，各个站点通过RJ45端口与集线器相连，各个站点之间可实现延时极小的实时通信，主站可以实现对所有从站的控制和通信。
　　5 结语
　　采用PowerLink组建实时以太网通信系统组网简单，网络延迟小。主站采用PC搭建，并移植Linux下的PowerLink主站协议栈，从站采用嵌入式STM32F103和实时以太网模块ComX搭建，模块内装载PowerLink从站协议栈。给出了采用集线器搭建的PowerLink星型网络拓扑方案。此通信网方案可应用于工业控制、军事通信、电网控制等需要实时通信的领域。
　　参考文献  
　　[1]奚清漪，麦云飞.基于Ethernet PowerLink的伺服通信控制.工业控制计算机，2006，19（7）：23-24.
　　.http：//，2008.
　　[3]林志磊.基于netX芯片实现实时以太网通讯的研究与开发.北京工业大学硕士论文，2010.
　　[4]Hilscher Gesellschaft for System automation mbH. Technical Data Reference Guide：netX50，2008.