开源实时以太网POWERLINK详解.html.pdf

前言 工业实时以太网技术属于工业现场总线的范畴。工业现场总线在工业应用中占有重要地位，也是“兵家必争之地”，如西门子、AB等国际知名的公 司都拥有自己的总线技术。POWERLINK是开放源码的实时以太网技术，它最早开始于2001年，是最早、最成熟、使用最广泛的实时以太网协议之一， 后来成了IEC国际标准及中国的国家标准。它是目前唯一一个技术开放、代码开源的工业实时以太网技术，与其他总线相比，具有实现容易、可以掌握核 心技术、拥有源代码和自主知识产权等特点，因此被国内很多大公司采用，如和利时、南瑞、南车、格力及一些军工单位。POWERLINK的优点是无需 专用的硬件，在普通的以太网硬件平台上就能实现，而软件又全部开放了源码，可免费从网上下载。对于中小企业，POWERLINK的优势是实现方便、 价格便宜，能为企业节省一笔可观的授权费，而且实现POWERLINK的硬件成本也很低廉。 本书以现有工业以太网技术的比较为出发点，概要介绍了几种主流的实时以太网技术，详细介绍了POWERLINK实时以太网技术，内容包括 POWERLINK的技术原理、特点、功能，以及应用层CANopen的概念等。进而介绍了如何实现和使用POWERLINK，包括如何组建和配置POWERLINK 网络，如何诊断网络错误等。最后介绍了POWERLINK的典型应用，包括运动控制和过程控制。本书从POWERLINK的技术原理开始，逐一介绍了组 网、运行、诊断以及行业的应用，从理论到实践逐步深入。通过阅读本书，读者定能熟练掌握POWERLINK技术。 出版本书就是为了更好地推广POWERLINK，让更多人了解、学习、掌握、使用POWERLINK。 第1章 总线概述 1.1 现场总线 现场总线是智能装备从单机生产到连线生产的一个重要技术阶段，今天，总线已经普遍应用于各个装备制造领域，我们有必要将其进行横向比较， 并对其纵向的发展进行梳理，以便为机器开发者提供适应性的网络选择。 第1章 总线概述 1.1 现场总线 现场总线是智能装备从单机生产到连线生产的一个重要技术阶段，今天，总线已经普遍应用于各个装备制造领域，我们有必要将其进行横向比较， 并对其纵向的发展进行梳理，以便为机器开发者提供适应性的网络选择。 1.2 以太网技术 以太网技术自推出以来即得到了广大用户的认同，这主要是因为一些商业背景促进了它的发展。 20世纪90年代，随着IT技术、Internet、智能传感器、电力电子技术、数据库技术等的快速发展，管理系统与自动化系统的集成变得更为迫切，更 为全局的生产所需求。例如：柔性制造技术FMS、计算机集成制造技术CIMS、制造执行系统MES等的集成使得对于数据的需求大增。 信息化是基于MES、CIMS的发展而发展的，其对于数据的传输的实时性要求低，但要求数据容量大。且标准化的网络可以确保各个设备之间没有物 理上的瓶颈，信息化也在控制系统上体现出更多的应用，如PLC增加了更多的网络传输功能，B&R的PCC增加了VNC Server的访问、FTP Server的访 问，以及OPC-UA的功能集成，这些都使得网络进一步向管理层方向延伸，必须与管理层接轨，而这些都是基于以太网来实现的，这使得工业网络与管 理层管理的融合表现出更为迫切与需求更为突出的趋势。 1.以太网的技术优势 以太网之所以快速发展，因其具有以下优势： （1）速度更快 传统的现场总线的传输速度最大仅为12Mbps，如Profibus。而以太网则可以达到100Mbps，甚至1Gbps。 （2）传输距离 普通现场总线可以实现较长的传输距离，但往往会降低速率，例如CAN总线若传输1km，其速度仅为12.5kbps，而以太网则是以固定传输速率传输 100m，速度为100Mbps。 （3）拓扑结构 以太网的拓扑结构较为灵活，而传统总线则往往不够灵活，且节点数有限。 （4）成本更低 由于Profibus、CAN等需要专用的芯片，这些专用芯片的使用量远远小于以太网芯片的数量，因此，以太网的成本反倒更低。 （5）应用更为广泛 以太网技术的应用范围从商业网络延伸到工业网络领域。 2.以太网的缺点 尽管以太网技术有以上优点，但是，就工业现场应用而言，仍然存在一些问题。 以太网发展迅速，而且相对于传统的现场总线有很大的优势，因此，工业界开始尝试将其应用于工业领域。但是，工业领域的一些应用需求使得基 于IEEE802.3的以太网无法在工业现场应用，原因包括： 1）CSMA/CD机制的非确定数据交换。 2）严苛的工业环境对于可靠性的需求。 3）网络安全要求。 1.3 实时以太网技术 为了充分利用以太网技术的优势而避免其劣势，不同的公司开始研究针对其的解决方案。在2001年，奥地利B&R（Bernecker&Rainer）率先在实 际项目中应用了其所开发的Ethernet POWERLINK实时以太网技术，它在实现更高的传输速率的同时，可以达到微秒级的数据循环周期。 之后，SIEMENS在2006年推出ProfiNet，之后，ProfiNet RT/IRT、Rockwell AB的Ethernet/IP、SERCOSIII、EtherCAT等技术相继问世，用于解 决传统以太网无法实现实时性的问题。除此之外，新的实时以太网技术均实现了对功能性的设计的升级，不仅是性能升级，在功能上也进行了升级。 1.4 现有实时以太网的标准 目前，高速实时现场总线种类繁多，很多厂家都在推广自己的总线协议。这些协议从性能上可分为两类：高实时性总线和低实时性总线。 低实时性的总线包括Ethernet/IP、ModbusTCP、ProfiNet SRT等。 高实时性的总线包括POWERLINK、EtherCAT、MECHATROLINK、SERCOS等。 在这几种总线中，EtherCAT和MECHATROLINK需要用专用的ASIC才能实现，之所以采用ASIC芯片来实现的原因之一是为了能够控制市场，使总 线知识产权的拥有者处于有利地位，以便在将来可以垄断市场，战胜竞争对手。 EtherCAT的ASIC芯片只提供数据链路层和物理层，而没有实现应用层。用户买了ASIC芯片，还不得不自己来实现应用层（如CANopen），这需要 花费很长时间。此外，不同用户实现的应用层往往不同，这就造成同样都是基于EtherCAT的设备，却相互不能通信的情况。 POWERLINK是一个可以在普通以太网上实现的方案，无需ASIC芯片，用户可以在各种平台上实现，如FPGA、ARM、x86 CPU等，只要有以太网 的地方，就可以实现POWERLINK。 POWERLINK公开了所有的源码，任何人都可以免费下载和使用（就像Linux一样）。POWERLINK的源码里包含了物理层（标准以太网）、数据链 路层（DLL）、应用层（CANopen）这3层完整的代码，用户只需将POWERLINK的程序在已有的硬件平台上编译运行，就可以在几分钟内实现 POWERLINK。 POWERLINK是一个易于实现的、高性能的、不被任何人垄断的、真正互连互通的平台。 POWERLINK定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议，同时定义CANopen为应用层协议，这样用户在实现了POWERLINK的同时，也实 现了CANopen。 在纷繁的总线协议中，POWERLINK将是实时以太网的未来，其原因如下： 1）POWERLINK是一项开源技术，开放性好，无需授权，无需购买。 2）POWERLINK基于标准的以太网，无需专用的ASIC芯片，有以太网的地方，就可以实现POWERLINK。其硬件平台多种多样（如ARM、FPGA、 DSP、x86等），不依赖于某个公司。 3）POWERLINK速度快，支持100M/1000M以太网。以太网技术进步，POWERLINK的技术就会跟着进步，因为POWERLINK建立在标准以太网的 基础上。 4）POWERLINK性能卓越，即使使用价格低廉的FPGA（价格仅几美元）来实现，性能也能达到100200s的循环周期。 5）POWERLINK支持标准的网络设备，如交换机、HUB等，并支持所有以太网的拓扑结构，这使得布线更自由、更灵活。 6）数据吞吐量大，每个节点每个循环周期支持1500字节的输入和1500字节的输出。 第2章 POWERLINK的原理 本章介绍POWERLINK的基本原理，内容包括物理层、数据链路层以及应用层，对每一层都有详细的介绍。通过阅读本章，读者会对POWERLINK 的机制有全面的认识，从而为阅读后续的章节提供基础。只有了解了POWERLINK的原理，才能正确地运行POWERLINK的DEMO，才能理解 POWERLINK诊断时收到的数据包的含义。 2.1 IEC国际标准POWERLINK POWERLINK是IEC国际标准，同时也是中国的国家标准。 1）通信描述为IEC 61784-2。 2）服务和协议如下： ·IEC 61158-300 ·IEC 61158-400 ·IEC 61158-500 ·IEC 61158-600 3）设备描述如下： ·ISO 15745-1 ·中国国家标准（GB/T-27960） 2.2 OSI模型 OSI是一个用于开放信息处理系统标准化的通信模型，它是当今许多通用无数据优先级传输协议的参考模型。这个模型将数据传输的任务分为7层， 每层（除了最底层）建立在其下一层的基础之上。如图2-1所示为POWERLINK网络模型在OSI模型中的层次划分。 如图2-1所示，POWERLINK是一个3层的通信网络，它规定了物理层、数据链路层和应用层，这3层包含了OSI模型中规定的7层协议。 如图2-2所示，具有3层协议的POWERLINK在应用层上可以连接各种设备，例如I/O、阀门、驱动器等。在物理层之下连接了Ethernet控制器，用来 收发数据。由于以太网控制器的种类很多，不同的以太网控制器需要不同的驱动程序，因此在“Ethernet控制器”和“POWERLINK传输”之间有一 层“Ethernet驱动器”。 图2-1 POWERLINK的OSI模型 图2-2 POWERLINK通信模型的层次 2.3 POWERLINK的物理层 POWERLINK的物理层采用标准的以太网，遵循IEEE802.3快速以太网标准。因此，无论是POWERLINK的主站还是从站，都可以运行于标准的以太 网之上，这使得POWERLINK具有以下优点： 1）只要有以太网的地方就可以实现POWERLINK，例如，在用户的PC机上可以运行POWERLINK，在一个带有以太网接口的ARM上可以运行 POWERLINK，在一片FPGA上也可以运行POWERLINK。 2）以太网的技术进步就会带来POWERLINK的技术进步。因为POWERLINK是基于标准以太网的，而标准的以太网是一个开放的、全民的网络，在 各个领域广泛应用，各行各业的人不断地为以太网的升级而进行研发。目前POWERLINK支持100M/1000M以太网，只需在硬件驱动程序中稍作改 动，POWERLINK就可以支持10G以太网。 3）实现成本低。如果用户的产品以前基于ARM平台，一般ARM芯片都会带有以太网，这样用户无需增加任何硬件，也无需增加任何成本，就可以 在产品中集成POWERLINK，用户所付出的只是把POWERLINK的程序集成到应用程序中，而POWERLINK的源程序又是开放且免费的，所以很容易实 现。 用户可以购买普通的以太网控制芯片（MAC）来实现POWERLINK的物理层，如果用户想采用FPGA解决方案，POWERLINK提供开放源码的 openMAC。这是一个用VHDL语言实现的、基于FPGA的MAC，同时POWERLINK又提供了一个用VHDL语言实现的openHUB。如果用户的网络需要做 冗余，如双网、环网等，就可以直接在FPGA中实现，其易于实现且成本很低。此外，由于是基于FPGA的方案，从MAC到数据链路层（DLL）的通 信，POWERLINK采用了DMA，因此速度更快。 2.4 POWERLINK的数据链路层 2.4.1 POWERLINK概述 POWERLINK基于标准以太网CSMA/CD技术（IEEE802.3），因此可工作在所有传统以太网硬件上。但是，POWERLINK不使用IEEE802.3定义的用 于解决冲突的报文重传机制，该机制会引起传统以太网的不确定行为。 POWERLINK的从站通过获得POWERLINK主站的允许来发送自己的帧，所以不会发生冲突，因为管理节点会统一规划每个节点收发数据的确定时 序。 2.5 POWERLINK的同步机制 POWERLINK可以支持多种同步机制，这里介绍两种典型的机制： ·主站通过广播同步帧来同步网络上所有设备。 ·分布式同步。 1.主站广播同步帧的机制 POWERLINK支持1588分布式时钟协议，每个循环周期的开始，主站都会广播一个SoC数据帧到网络上，该数据帧包含了两个重要信息：网络的绝 对时间和相对时间。 1）网络的绝对时间：这个时间是以1970年1月1日00点00分为基准的时间间隔。这个信息由两部分，一共8个字节组成。 ·69这4个字节为秒（s）的信息，即网络时间与1970年1月1日00点00分间隔多少秒。 ·1013这4个字节为纳秒（ns）信息，即网络时间中与1970年1月1日00点00分间隔多少秒又多少纳秒。 2）相对时间：这个时间在主站的NMT_GS_INITIALISING状态下清零，然后每产生一个SoC，该数值就累加一个循环周期，其单位为微秒（s）。 SoC数据帧有两个功能：时钟同步和动作同步。 1）时钟同步：网络中的节点需要有一个统一的网络时间。 利用网络时间来同步网络中所有设备的分布式时钟，让网络中所有节点的时钟有一个共同的基准。POWERLINK主站在每个循环周期的开始将SoC 数据帧广播到网络上，该数据帧包含了网络时间信息，网上的各个从节点可以将这个时间作为统一的网络时间。 2）动作同步：网络中的节点需要同时去做一件事情。 在POWERLINK协议中有两种方法触发一个同步的事件： ·通过从节点自己的时钟触发。 ·通过SoC数据帧触发。 这里主要介绍通过SoC数据帧触发同步事件的原理。 在POWERLINK数据链路层里，每当收到了SoC数据帧时，都会触发一个同步的事件（中断或者同步回调函数），用户可以用此信号来触发需要同 步执行的程序，这样就可以执行同步动作。举例来说，假设有一个运动控制器，要控制10台伺服做同步运动，例如需要10台伺服同时启动。每个循环周 期，运动控制器（作为POWERLINK的主站）将10台伺服所需要的新的位置信息依次传给各个伺服。每个伺服收到新数据的时间是不同的，第一个和最 后一个得到位置数据的时间可能会差100多s。如果收到新数据，伺服就开始启动，那么就会出现这种情况：第一个伺服已经开始运转，而最后一个伺 服还没有收到数据，这显然不是我们想要的结果。因此我们需要一个同步信号，使所有的伺服都得到新数据以后，再同时启动。这个同步信号就是 SoC，如图2-12所示。 图2-12 SoC触发同步 主站在上一个循环周期结束（即下一个循环周期开始）时广播一个SoC数据帧，此时所有的从站会同时收到这个数据帧。该信号触发一个同步回调 函数或者硬件中断，来处理同步事件。因为在SoC数据帧之前，每个从站都已经从主站（控制器）那里得到了新的位置信息，因此SoC信号触发的同步 事件中可以同时启动，运行到设定位置。 如果是星型拓扑，各个从站收到该信号的时间差取决于传输电缆的长度，电信号可以认为是以光速在导线中传播的，因此用户可以计算出该时间 差。可近似为1m为3.3ns。这个级别的时间差基本上可以忽略。 如果采用的是菊花链连接，那么每经过一级HUB会有1s左右的延迟（该延迟主要是PHY的延迟），第一个从站和最后一个从站在接收到SoC信号的 时间差可能会达到几个微秒，用户需要根据应用场合来决定该延迟是否可以忽略。如果不可以忽略，POWERLINK提供了测量机制，可以测出来相邻两 个节点的传输延迟。用户根据这些延迟时间给各个节点一个补偿，从而使各个节点同步。 2.分布式同步 除了通过网络广播帧来产生同步信号以外，也可以在POWERLINK的节点里做一个定时器，定时产生同步信号，这样的话，从站的同步信号就可由 自身的定时器产生，如图2-13所示。 图2-13 SoC触发定时器（Timer） 这种方式的好处是，当同步信号帧丢失时，网络系统的同步性不受影响。但这种方式也有弊端。由于网络中每个节点的同步信号由自己产生，所以 每个节点产生同步信号的时刻各不相同，有可能偏差很大。解决这个问题的方法是通过网络同步帧来启动各个节点的定时器，使各个节点的定时器在同 一时刻启动，如图2-14所示。 图2-14 同步启动定时器 由网络上广播的同步帧触发第一次定时器的启动，这样CN1、CN2、CN3同时启动本地的定时器，同时产生同步信号。在这些从站长时间工作后， 可能会产生时钟偏差，即产生如图2-15所示结果。 图2-15 实际的本地同步 也就是经过长时间运行以后，CN1、CN2、CN3的本地时钟出现了一些偏差，从而导致各个节点产生的同步信号在时间上有一些偏差。解决这个问 题的一个方法是，每隔一段时间，就使用网络上广播的同步信号同步一下网络上节点的定时器，如图2-16所示。 图2-16 周期性地同步定时器 此外，随着各个节点的运行，各个节点会产生晶振的漂移，因此各个节点需要周期性地根据主站的SoC数据帧来校正本地Timer。 以上是POWERLINK数据链路层的整个工作原理和过程。下面介绍各种数据帧的格式。 2.6 POWERLINK数据帧的结构 POWERLINK通信一共有5种数据帧：SoC、Preq、Pres、SoA、AsyncData。POWERLINK数据帧结构如图2-17所示。 图2-17 POWERLINK数据帧结构 POWERLINK的数据帧嵌在标准的以太网数据帧的数据段中，因此POWERLINK数据包具有标准的以太网数据帧的帧头和帧尾。如图2-17所示，从 14n字节为POWERLINK数据帧信息，而013字节是标准以太网的帧头。 2.7 DLL状态机 DLL（Data Link Layer）状态机用来描述一个POWERLINK周期内节点的数据收发过程。主站和从站有不同的DLL状态机，而且该状态机与NMT状 态机相关。 2.8 主站网络管理（NMT）状态机 NMT状态机决定通信功能单元的操作行为。应用状态机与NMT状态机的耦合是设备相关的，并且属于设备行规的范畴。 MN和CN通过通用初始化过程启动。在这个过程结束之后，评估节点特定POWERLINK NodeID，以决定将节点设置为MN还是CN。后续过程区分 MN特定部分和CN特定部分。 2.9 CANopen简介 POWERLINK的应用层遵循CANopen标准。CANopen是一个应用层协议，它为应用程序提供了一个统一的接口，使得不同的设备与应用程序之间 有统一的访问方式。 CANopen协议有3个主要部分：PDO、SDO和对象字典OD。 （1）PDO 过程数据对象，可以理解为在通信过程中，需要周期性、实时传输的数据。 （2）SDO 服务数据对象，可以理解为在通信过程中，非周期性传输、实时性要求不高的数据，例如网络配置命令、偶尔要传输的数据等。 （3）OD 对象字典。什么是对象字典？对象字典就是很多对象的集合。那么什么又是对象呢？一个对象可以理解为一个参数。假设有一个设备，该设备有很 多参数，CANopen通过给每个参数一个编号来区分参数，这个编号就叫做索引（Index），这个索引用一个16bit的数字表示。如果这个参数又包含了很 多子参数，那么CANopen又会给这些子参数分别分配一个子索引（SubIndex），用一个8bit的数字来表示。因此一个索引和一个子索引就能明确地标 识出一个参数。 一个参数除了具有索引和子索引信息外，还应该有参数的数据类型（如8bit还是16bit，有符号还是无符号）、访问类型（可读的、可写的，还是可 读写的）、默认值等。因此一个参数需要有很多属性来描述，所以一个参数也就成了一个对象（object），所有对象的集合就构成了对象字典（object dictionary）。 在一次实际应用中，需要周期性传输的对象，就叫过程数据对象（PDO）；非周期性传输的对象，就叫服务数据对象（SDO）。 CiA（CANinAutomation）针对不同种类的设备需要哪些参数做了统一规定。 ·CiA401：对通用输入输出设备的规定。 ·CiA402：对驱动和运动控制设备的规定。 ·CiA403：对人机界面设备的规定。 ·CiA404：对测量设备和闭环控制器的规定。 ·CiA406：对编码器设备的规定。 ·CiA408：对比例阀设备的规定。 用户需要根据自己开发的设备的类型，遵循相应的规定，从而实现不同的对象字典，编写与之对应的XDD文件。 小结 经过本章的学习，读者会对POWERLINK通信协议的架构有一个清晰的认识，了解了POWERLINK物理层、应用层以及数据链路层。数据链路层是 POWERLINK的核心，它规定了POWERLINK的DLL状态机（什么时候应该发送什么数据帧）以及NMT状态机。熟悉了这些状态机，对于以后运行和调 试POWERLINK有很大帮助。 第3章 POWERLINK的功能和特点 POWERLINK所具有的功能及特点决定了它的用途。POWERLINK的最短周期可以达到几十微秒，最长可达到几十秒。它支持各种冗余技术，支持 周期性通信以及非周期性通信。这些特点决定了POWERLINK可以满足工业上的各种需求。典型的应用是运动控制和过程控制，以及工厂自动化。下面 介绍几个应用案例。 3.1 应用案例 POWERLINK技术应用广泛，在运动控制和过程控制方面都有众多国内外知名厂家支持。 1.运动控制 1）典型应用：伺服驱动器的控制，用于各种机器系统，如包装机、纺织机、印刷机、机器人等。 2）典型厂家：B&R，ABB，武汉迈信电气技术有限公司，上海新时达电气股份有限公司等。 2.过程控制 1）典型应用：DCS系统、工厂自动化。 2）典型厂家：Alstom，B&R，北京和利时集团，北京四方继保自动化股份有限公司，南京南瑞，南京大全电气有限公司，中国南车，卡斯柯信号 有限公司等。 3.2 一“网”到底 POWERLINK物理层采用普通以太网的物理层，因此可以使用工厂中现有的以太网布线，从机器设备的基本单元到整台设备、生产线，再到办公 室，都可以使用以太网，从而实现一“网”到底，如图3-1所示。 图3-1 一“网”到底模型 3.3 性能参数 1.循环周期 ·100s（高性能CPU或者FPGA的VHDL解决方案） ·200s（低性能CPU或者FPGA的软核解决方案） 循环周期是指网络上所有的设备都通信一次，即网络上所有的设备都Preq/Pres一次所花费的时间。循环周期的长短取决于3个因素：节点数，每个 节点传输的数据量，传输速度（波特率）。 2.抖动 抖动是指实际循环周期中最大值与最小值的差。例如设定的循环周期是200s，但是实际的循环周期不可能是非常准确的200s，有可能是 199.999s，也有可能是200.0001s。假如最大循环周期为200.5s，最小循环周期为199.5s，循环周期会在199.5200.5抖动。抖动的大小和运行 POWERLINK的硬件及软件平台有关，如果采用Windows操作系统，在没有实时扩展的情况下，抖动可能在毫秒级；如果使用FPGA，抖动可能小于 100ns。 3.网络容量 支持240个节点，每个节点支持1500Byte的输入和1500Byte的输出。 240个节点意味着在一个POWERLINK的网络中可以连接240个设备或者I/O站，每个设备或I/O站每个循环周期支持1500Byte的输入和1500Byte的 输出，所以网络容量为240×（1500+1500）=720000Byte。 3.4 网络拓扑 3.4.1 网络拓扑概述 由于POWERLINK的物理层采用标准的以太网，因此以太网支持的所有拓扑结构它都支持。而且可以使用HUB和Switch等标准的网络设备，这使得 用户可以非常灵活地组网，如： ·菊花链 ·树型 ·星型 ·环型 ·其他任意组合 因为逻辑与物理无关，所以用户在编写程序的时候无需考虑拓扑结构。网络中的每个节点都有一个节点号，POWERLINK通过节点号来寻址节点， 而不是通过节点的物理位置来寻址，因此逻辑与物理无关。 由于协议独立的拓扑配置功能，POWERLINK的网络拓扑与机器的功能无关。因此POWERLINK的用户无需考虑任何网络相关的需求，只需专注满 足设备制造的需求。POWERLINK环境里的控制器不需要了解网络更底层的内容。 3.5 热插拔 热插拔意味着从正在运行的网络上拔除或插入设备时，系统会自动意识到网络的变化。POWERLINK支持热插拔，而且不会影响整个网络的实时 性。根据这个属性，可以实现网络的动态配置，即可以动态地增加或减少网络中的节点。 实时总线上，热插拔能力带给用户两个重要的好处：当模块增加或替换时，无需重新配置；在运行的网络中替换或激活一个新模块不会导致网络瘫 痪，系统会继续工作，不管是不断的扩展还是本地的替换，其实时能力不受影响。在某些场合中系统不能断电，如果不支持热插拔，这会造成即使小机 器一部分被替换，都不可避免地导致系统停机。 配置管理是POWERLINK系统中最重要的一部分。它能本地保存自己和系统中所有其他设备的配置数据，并在系统启动时加载。这个特性可以实现 即插即用，这使得初始安装和设备替换非常简单。 POWERLINK允许无限制地即插即用，因为该系统集成了CANopen机制。新设备只需插入就可立即工作。 3.6 冗余 POWERLINK的冗余包括3种：双网冗余、环网冗余和多主冗余。 3.7 交叉通信 交叉通信是指从站间具有无需通过主站而交换数据的能力。 如图3-30所示，由于每个从节点在向外发送数据时，都是以广播的形式发送出去的，因此网络上的所有节点都可以在本周期内收到。如果其中某个 节点需要该数据，那么就可以直接收取。例如，CN1将自己的数据放在PresCN1中，以广播的方式发送出去，主站和其他所有的从站都可以收到该数据 包，如果CN2需要接收CN1的信息，就可以直接收取该数据包的某一段或者某几段数据，而无需经过主站。 图3-30 交叉通信的原理 交叉通信的好处如下： ·集中或分布式控制设计 ·控制器-控制器通信 ·主轴直接给从轴设定值 ·直接传递编码器的值 ·直接事件传播 ·减少主站负载或者应用负载 ·多种模式，最小的数据负载 ·分散式安全设计 其他系统不能实现这些优点，因为它们不支持直接交叉通信，即使这本来就是标准以太网基本属性。 3.8 实时域与非实时域 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。 经常会有人问，现在有一个局域网，在这个网络中，有一些非POWERLINK的设备，是否可以让POWERLINK的网络共用这个局域网？ 答案是：可以，也不可以。 可以，是因为POWERLINK网络就是基于标准以太网的，因此POWERLINK的设备可以与其他以太网设备共存，而且可以相互通信。 不可以，是因为POWERLINK网络中，每个站什么时候收发数据，是由POWERLINK主站管理的，现在接入了一些非POWERLINK的设备，这些设备 收发数据，不受POWERLINK主站管理。这就会造成冲突，即POWERLINK的设备想要发送数据，却发现当前总线被非POWERLINK的设备使用。从而造 成POWERLINK设备通信超时或者数据丢失，产生一些通信报警和错误。 因此，正确的做法是将实时控制网络与非实时控制网络分开，可以通过网关隔开，或者干脆使用两个不同的网络。 3.9 基于POWERLINK的功能安全 openSAFETY是基于POWERLEINK的安全协议，它是一个技术开放、源代码开源的安全协议。它不单可应用于POWERLINK，也可以应用于其他各 种实时以太网，如ProfiNet、Modbus、EthernetIP，以及普通的以太网。 第4章 POWERLINK的实现方案 POWERLINK是一个实时以太网的技术规范和方案，它是一个技术标准，用户可以根据这个技术标准自己开发一套代码，也就是POWERLINK的具 体实现。POWERLINK的具体实现有多个版本，如ABB公司的POWERLINK运动控制器和伺服驱动器、赫优讯的从站解决方案、SYSTEC的解决方案等。 openPOWERLINK是一个C语言的解决方案，它最初是SYSTEC的商业收费方案，后来被B&R公司买断版权。为了推广POWERLINK，B&R将源代码 开放。现在这个方案由B&R公司和SYSTEC共同维护。 目前常用的POWERLINK方案有两种：基于MCU/CPU的C语言方案和基于FPGA的Verilog HDL方案。C语言的方案以openPOWERLINK为代表。 下面分别介绍这两种方案的实现。 4.1 C语言实现方案 如前所述，该方案最初由SYSTEC开发，B&R公司负责后期的维护与升级。该方案包含了POWERLINK完整的3层协议：物理层、数据链路层和 CANopen应用层。其中数据链路层和CANopen应用层采用C语言编写，因此该方法可运行于各种MCU/CPU平台。该方案性能的优劣取决于运行该方 案的软硬件平台的性能，例如MCU/CPU的主频、操作系统的实时性等。 4.2 HDL语言实现方案 该方案是针对FPGA开发的，采用硬件编程语言Verilog HDL，无需软核，无需外扩RAM，即可达到硬实时的性能。之所以开发Verilog HDL的方 案，主要原因如下。 1）对实时性的要求：该方案实时性极高，最短通信周期可以达到几十微秒，抖动小于100ns。如果采用MUC/CPU的方案，则很难达到这样的指 标。 2）对易用性的要求：采用该方案，集成了POWERLINK的FPGA相当于一个专门负责通信的专用芯片，用户即使不知道内部的原理和机制，也可以 通过简单的配置寄存器使之正常运行。 3）对应用层的要求：标准的POWERLINK的应用层是CANopen，但是有些行业或者有些用户有他们自己的标准和习惯，因此他们想使用 POWERLINK数据链路层的通信机制，但是不想使用CANopen。对于这样的需求，Verilog HDL的方案可以非常方便地满足。 4）对物理层的要求：有些用户希望使用100Mbps以太网作为物理层，有些用户希望使用1000Mbps以太网作为物理层，有些用户希望使用LVDS作 为物理层，也有些用户希望使用RS485作为物理层。采用该方案，只要稍做修改，就可以适应各种物理层，而数据链路层却可保持一致。 该方案有3种使用形式。 1）通信芯片：集成了该协议的FPGA芯片，可以被当作通信芯片使用，直接集成到用户的电路上。 2）通信模块：用户可以直接购买集成了该协议的模块，该模块包含了POWERLINK最小系统所需要的硬件资源和相应的软件。 3）通信IP：如果客户需要在一颗FPGA中除了要实现POWERLINK外，还要实现其他的功能，此时可以使用POWERLINK的IP。 第5章 POWERLINK应用层 POWERLINK技术规范规定的应用层为CANopen，但是CANopen并不是必需的，用户可以根据自己的需要自定义应用层，或者根据其他行规编写 相应的应用层。 无论是openPOWERLINK还是前面提到的HDL POWERLINK，都可以使用本章介绍的应用层软件。 5.1 CANopen应用层 POWERLINK的应用层遵循CANopen标准。CANopen是一个应用层协议，它为应用程序提供了一个统一的接口，使得不同的设备与应用程序之间 有统一的访问方式。 CANopen协议有3个主要部分：PDO、SDO和对象字典OD。 1）PDO：过程数据对象，可以理解为在通信过程中，需要周期性、实时传输的数据。 2）SDO：服务数据对象，可以理解为在通信过程中，非周期性传输、实时性要求不高的数据，例如网络配置命令、偶尔要传输的数据等。 3）OD：对象字典，可以理解为所有参数、通信对象的集合。 5.2 对象字典 什么是对象字典？对象字典就是很多对象（object）的集合。那么什么又是对象呢？一个对象可以理解为一个参数，假设有一个设备，该设备有很 多参数。CANopen通过给每个参数一个编号来区分参数，这个编号就叫作索引（Index），这个索引用一个16bit的数字表示。如果这个参数又包含了很 多子参数，那么CANopen又会给这些子参数分别分配一个子索引（SubIndex），用一个8bit的数字来表示。因此一个索引和一个子索引就能明确地标 识出一个参数。 一个参数除了具有索引和子索引信息外，还应该有参数的数据类型（是8bit还是16bit，是有符号还是无符号），还要有访问类型（是读的、可写 的，还是可读写的），还有默认值等。因此一个参数需要有很多属性来描述，所以一个参数也就成了一个对象object，所有对象的集合就构成了对象字 典（object dictionary）。 在POWERLINK对OD的定义和声明在objdict.h文件中。这个文件采用宏定义的方式，定义了一个数据结构，如图5-1所示。 下面是一个object定义的实例： EPL_OBD_BEGIN_INDEX_RAM（0x6000， 0x02， NULL） EPL_OBD_SUBINDEX_RAM_VAR（0x6000， 0x00， kEplObdTypUInt8， kEplObdAccConst， tEplObdUnsigned8， number_of_entries， 0x1） EPL_OBD_SUBINDEX_RAM_USERDEF（0x6000， 0x01， kEplObdTypUInt8， kEplObdAccVPR， tEplObdUnsigned8， Sendb1， 0x0） EPL_OBD_END_INDEX（0x6000） 图5-1 CANopen对象字段结构 1）索引：16bit的无符号整数，可以把索引看作一个object的编号，用来对对象字典内的所有object进行寻址。 2）子索引：8bit的无符号整数，可以把子索引看作一个object的子编号。索引和子索引组合起来，就唯一确定了一个object。在POWERLINK中， 通过索引和子索引来寻址object。 3）默认值：object的初始默认值。 4）对象类型：用来描述object的类型，是字符串、变量，还是时间等，object的类型说明如表5-1所示。 表5-1 对象数据类型说明 5）数据类型：object的数据类型的C语言定义。例如，该object的对象类型是kEplObdTypUInt8，那么它的数据类型定义应该是unsigned char。 由于在EplObd.h文件中对各种数据类型做了宏定义，如typedef unsigned char tEplObdUnsigned8，所以可以用tEplObdUnsigned8替换unsigned char。 对象类型和数据类型的对应关系如表5-2所示。 表5-2 对象类型和数据类型的对应关系 当对象类型为kEplObdTypInt8时，相应的数据类型应该为tEplObdInteger8，否则，会出现错误。 6）访问类型：指object是可读的、可写的，还是常量等。各访问权限对应的值和相应的描述如表5-3所示。 表5-3 对象的访问类型 一个object可以具有一个权限，也可以具有多个权限，例如某个object的访问类型为可读写的，而且可以被映射为PDO的，那么它的权限值应该为 kEplObdAccVar、kEplObdAccPdo、kEplObdAccWrite或kEp