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100s，抖动小于1s，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. 【2】EPSG.Ethernet PowerLink Communication Profile Specification.http：//www.ethernet-polerlink.org，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.。