实时以太网POWERLINK技术基础

实时以太网POWERLINK技术基础

摘要：开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。

关键词：实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO

1.工业实时以太网技术

1.1为什么以太网得到发展？

以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。

以太网是一个电缆基础的数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，他能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。

以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，比特信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。

1.2 CSMA/CD及它带来什么影响？

CSMA/CD机制运行原理

通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），即，每个节点侦听网络，如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据

传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。

如果一个设备正在发送，其它节点保持直到线路清除，如果两个设备试图在同一个时间发送数据，CSMA/CD分配自由等待期给他们，当这些时间过后，节点尝试新的发送。

因此，当这个原则赋予以太网相当大的灵活性的同时，也极大的影响了它的速度特性，结局是碰撞和CSMA/CD要求在一个发送中的信号传输滞后，而这个滞后在工业自动化应用是不可接受的。 CSMA/CD机制在保障以太网数据冲突的同时影响了数据交换的实时性和确定性。

1.3实时性要求有多快？

实时性与时间间隔相关-通过定义,实时性意味着在触发一个事件和它的发生之间的时间间隔越短越好,并且这个时间间隔是可以预先定义的，应用被设计为最快的时间帧，而微小的延迟不影响需

要的输出，仅仅需要软实时。

在很多工业应用中，延迟不能被精确的预先设定可能会导致不可预期的结果，例如，现在的伺服轴通常的同步速度在16kHz，给定的控制循环仅仅能实现几百个微妙，即使信号-数字微妙范围的延迟也将使得控制精度打了折扣，因此，这些自动化应用需要硬实时：所有的链接必须是精确同步，所有由网络导致的延迟必须预知并可被预测。

交换机的使用可以潜在的降低数据碰撞，这些设备扮演了智能集线器的作用，给访问节点注册并路由数据到目标地址.结果，数据不再导致线路堵塞，---这降低网络上总的数据碰撞，--交换机缓

冲数据包并一个接一个的发送，然而，交换机导致了数据传输的延迟并且阻碍了实时性。因此，以太网的设计者寻求一种方案能够实现硬实时，设计了不同的方法来保持延迟发生CSMA/CD…一些尝试改变数据帧的大小，另外的添加时间依赖的交换设备，或者基于ASIC的位传输层，然而，这些方案，很多背离了以太网标准，结果是，用户很难理解，接受并集成改善到这些系统。

以太网协议扩展POWERLINK是 100%兼容标准以太网的协议，这意味着通信协议完全是基于软件的，并且不使用任何私有的硬件，所有的应用可以使用标准硬件来实现，POWERLINK准备与标准以太网的开发来合并，这将更加开放，总之，是最有前途的系统。

1.4 CANopen

CANopen是广为流行的现场协议，在机械制造领域和自动化领域具有广泛的应用，它依赖于其开放性获得了市场的长足发展，很多CANopen设备被开发出来并在全世界范围得到大量应用。

CANopen有着非常完善的数据交换机制，然而CAN总线却有一些局限性使得它无法适应未来更为高速的数据交换应用：

带宽低-即使在距离很短的时候最大能够提供1Mbps的数据传输速率;

数据效率低-CANopen数据帧无法满足较大的数据量传输需要;

节点限制-CANopen无法支持超过64个节点的数据交换;

CANopen优势

有着完整的SDO、PDO定义，非常清晰。

2. Ethernet POWERLINK技术

鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，Ethernet POWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO和PDO数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构，这样的好处在于：

z POWERLINK无需做较多的改动即可实现；

z保护原有投资的利益；

z开放性的接口；

POWERLINK基础性能指标