（机械设计及理论专业论文）基于canopen的ethermac实时以太网应用层及网关研究.pdf

c i a s s i f i e di n d e x ：t p 2 7 3 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho na p p l i c a t i o nl a y e ra n dg a t e w a yo ft h ee t h e r m a c r e a l - t i m ee t h e r n e tb a s e do nc a n o p e n c a n d i d a t e ：z h a n gj i n z e f a c u l t y ：s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s u p e r v i s o r ：p r o f l i ur i l i a n g c o - s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h e n g r u i s h a n d o n gu n i v e r s i t y ，j i n a n ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 2 m啪1 0圳，0洲8川川i2帅y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期：! 丛! 塑! 丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蝉导师签名：乏之弘刍l 日 期： z ，l 鼻r j i 硎 目录 目录 目录i c o n t e n t s v 摘要i a 】j l s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 工业以太网发展现状1 1 2 1 工业以太网模型描述3 1 2 2 几种应用层协议分析4 1 3e t h e r m a c 协议简介7 1 4 研究内容与意义7 第2 章c a n o p e n 协议分析9 2 1c a n o p e n 协议介绍9 2 1 1c a n o p e n 协议总体架构9 2 1 2c i a3 0 1 协议1 0 2 1 3c i a3 0 2 规范18 2 1 4c i a3 0 5 协议。18 2 1 5c i a 4 0 2 协议1 9 2 2c a n o p e n 协议性能分析1 9 2 2 1c a n o p e n 协议的优点1 9 2 2 2c a n 总线作为物理层和数据链路层的不足2 0 2 3 在工业以太网上实现c a n o p e n 的必要性2 2 2 4 本章小结2 3 第3 章基于c a n o p e n 的e t h e r m a c 应用层设计2 5 3 1e t h e r m a c 协议介绍2 5 3 1 1e t h e r m a c 的拓扑结构及工作原理2 5 山东大学硕十学位论文 3 1 2e t h e r m a c 的优势2 6 3 1 3e t h e r m a c 数据帧结构及应用层分析2 8 3 2 在e t h e r m a c 的应用层上实现c a n o p e n 3 0 3 2 1 需要实现的通信对象分析3 0 3 2 2 基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 帧格式3 2 3 2 4 周期性p d o 对象设计3 3 3 2 5 非周期性通信对象设计3 4 3 3 本章小结3 5 第4 章基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 主站设计3 7 4 1 主站功能需求分析3 7 4 2c a n f e s t i v a l 协议栈介绍3 7 4 3 主站操作系统选择与软件结构3 8 4 4 主站对象字典定义修改3 9 4 5 基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 网络启动过程3 9 4 5 1e t h e r m a c 网络启动4 0 4 5 2c a n o p e n 主站初始化4 1 4 5 3c a n o p e n 网络初始化4 l 4 5 4c a n o p e n 通信配置4 2 4 5 5 基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 从站启动4 4 4 6 报文数据派发及处理流程4 4 4 6 1 报文派发4 5 4 6 2e m c y 紧急对象处理4 5 4 6 3p d o 对象处理4 5 4 6 4s d o 数据处理4 6 4 7 本章小结一4 7 第5 章基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 从站和网关设计4 9 5 1 基于e t h e r m a c 的c a n o p e n 从站软硬件设计4 9 5 1 1 从站硬件设计一4 9 目录 5 1 2 从站软件功能设计5 l 5 1 2 1 从站对象字典设计51 5 1 2 2 从站n m t 网络管理功能5 2 5 1 2 3 从站s d o 服务器与p d o 处理5 2 5 2 基于e t h e r m a c 从站的c a n o p e n 网关设计5 3 5 2 1 网关功能分析5 4 5 2 2 网关数据帧设计。5 4 5 2 3 主站网关功能分析。5 4 5 2 4c a n o p e n 耦合器设计。5 5 5 2 5c a n o p e n 网段间同步。5 6 5 2 6 数据帧溢出解决办法5 6 5 3 通信验证5 6 5 3 1p h a s e ( 菲仕) 电机介绍5 6 5 3 2u l t r a c t t w 系列电机支持的c i a4 0 2 运行模式5 7 5 3 3 验证测试5 8 5 4 本章小结5 9 结论6 1 参考文献6 3 致j 射6 7 i l l 山东大学硕士学位论文 i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 ib a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h 1 1 2o v e r v i e wi n d u s t r i a le t h e m e td e v e l o p m e n t 1 1 2 1d e s c r i p t i o no f t h ei n d u s t r i a le t h e r n e tm o d e l 3 1 2 2a n a l y s i so fs e v e r a la p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l s 4 1 3b r i e fi n t r o d u c t i o no fe t h e r m a c ，：，7 1 4m a i nc o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 8 c h a p t e r 2a n a l y s i so fc a n o p e n 9 2 1i n t r o d u c t i o no fc a n o p e np r o f i l e s 9 2 1 1a r c h i t e c t u r eo fc a n o p e np r o f i l e s 9 2 1 2c i a3 0 1p r o f i l e 1 0 2 1 3c i a3 0 2p r o f i l e 一l8 2 1 4c i a3 0 5p r o f i l e 18 2 1 5c i a4 0 2p r o f i l e 19 2 2p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc a n o p e np r o f i l e s 19 2 2 1a d v a n t a g eo fc a n o p e np r o f i l e s 19 2 2 2d i s a d v a n t a g eo fc a nb u s 弱t h ep h y s i c a la n dd a t a l i n kl a y e r 2 0 2 3n e c e s s i t yt or e a l i z a t i o nc a n o p e no ni n d u s t r i a le t h e r n e t 2 2 2 4s u m m a r y 2 3 c h a p t e r 3d e s i g no fe t h e r m a ca p p l i c a t i o nl a y e rb a s e dc a n o p e n 2 5 3 1i n t r o d u c t i o no f e t h e r m a c 2 5 3 1 1e t h e r m a c st o p o l o g ya n dm e c h a n i s m s 2 5 ：；1 1 a d v a n t a g eo f e t h e r m a c 2 6 3 1 2e t h e r m a c sf r a m ef o r m a ta n da n a l y s i so f t h ea p p l i c a t i o nl a y e r 2 8 v 山东大学硕十学何论文 3 2r e a l i z a t i o nc a n o p e no ne t h e r m a c sa p p l i c a t i o nl a y e r 3 0 3 2 1a n a l y s i so f c o m m u n i c a t eo b j e c tt ob er e a l i z e d 3 0 3 2 2f r a m ef o r m a to fc a n o p e no v e re t h e r m a c 3 2 3 2 4d e s i g no fc y c l i c a lp d o 3 3 3 2 5d e s i g no f n o n c y c l i c a lc o m m u n i c a t eo b j e c t 3 4 3 3s u m m a r y 3 5 c h a p t e r 4d e s i g no fc a n o p e nm a s t e ro v e re t h e r m a c 3 7 4 1a n a l y s i so fm a s t e r sf u n c t i o n 3 7 4 2h l t r o d u c t i o no fc a n f e s t i v a lp r o t o c o ls t a c k 3 7 4 3c h o i c eo fo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo fs o f t w a r e 3 8 4 4m a s t e r sr e d e f i n e do b j e c td i c t i o n a r y 3 9 4 5b o o t - u pp r o c e d u r eo fc a n o p e no v e re t h e r m a c 3 9 4 5 1b o o t u pp r o c e d u r eo fe t h e r m a c 4 0 4 5 2i n i t i a l i z a t i o no fc a n o p e nm a s t e r 4 1 4 5 3i n i t i a l i z a t i o no f c a n o p e nn e t w o r k 4 1 4 5 4c o m m u n i c a t ec o n f i g u r a t i o nf o rs l a v e s 4 2 4 5 5p r o c e s so fb o o tc a n o p e ns l a v eo v e r 4 4 4 6d i s t r i b u t ea n dd e a lw i t hm e s s a g e s 4 4 4 6 1d i s t r i b u t i o no fm e s s a g e s 4 5 4 6 2p r o c e s so fd e a lw i t l le m c yo b j e c t 4 5 4 6 3p r o c e s so fd e a lw i t hp d oo b j e c t 4 5 4 6 4p r o c e s so fd e a l 、 ，i ms d oo b j e c t 4 6 4 7s u m m a r y 4 7 c h a p t e r 5d e s i g no fc a n o p e n s l a v ea n dg a t e w a yo v e re t h e r m a c 4 9 v l 5 1d e s i g no fc a n o p e ns l a v e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo v e re t h e r m a c 。4 9 5 1 1d e s i g no fc a n o p e ns l a v e sh a r d w a r e 4 9 5 1 2d e s i g no fc a n o p e ns l a v e ss o f t w a r ef u n c t i o n 51 5 1 2 1d e s i g no fs l a v e so b j e c td i c t i o n a r y 51 c o n t e n t s 5 1 2 2s l a v e sn m tn e tm a n a g m e n t 5 2 5 1 2 3s l a v e ss d os e r v e ra n dp r o c e s so fd e a lw i t hp d o 5 2 5 2d e s i g no fc a n o p e ng a t e w a yb a s e do ne t h e r m a cs l a v e 5 3 5 2 1a n a l y s i so f g a t e w a y sf u n c t i o n 5 4 5 2 2d e s i g no f g a t e w a y sd a t af r a m ef o r m a t 5 4 5 2 3a n a l y s i so fm a s t e r sf u n c t i o nf o rg a t e w a y 5 4 ：；。2 4d e s i g no fc a n o p e nc o u p l e r 5 5 5 2 5s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tc a n o p e nn e t w o r ks e g m e n t s 5 6 5 2 6s o l u t i o nf o rd a t af r a m e so v e r f l o w 5 6 1 ；3v e r i f i c a t i o ni m p e l e m e n t i n go fc o m m u n i c a t i o n 5 6 5 - 3 1i n t r o d u c t i o no fp h a s em o t o r 5 6 5 3 2r u nm o d eo fc i a 4 0 2f o ru l t r a c t - t ws e r i a lm o t o rs u p p o r t 5 7 1 ；：；3v e r i f i c a t i o n 5 8 5 4s u m m a r y ! ；9 c o n c l u s i o n s 6 1 r e f e r e n c e s 6 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 7 v i i 山东大学硕+ 学何论文 i i 摘要 摘要 实时以太网技术克服了传统现场总线的缺点，在以数控系统为代表的工业自 动化领域正得到越来越广泛的应用，己经成为现场总线技术发展的新阶段。开放、 简洁、灵活、统一的应用层是实时以太网实现数据高效传输和不同标准间互通互 联的前提。本文基于c a n o p e n 协议设计了e t h e r m a c 实时以太网总线的应用层和 基于e t h e r m a c 从站的c a n o p e n 网关，并给出了实现方案。 论文首先回顾了实时以太网技术的发展，分析了各主流实时以太网技术的特 点及其应用层协议，指出了c a n o p e n 协议作为实时以太网应用层的优点。 论文具体分析了c a n o p e n 协议框架和各关键子协议，分析了c a n 总线的通 信时间性能，指出c a n o p e n 协议从c a n 总线走向工业以太网的必要性。 论文介绍了e t h e r m a c 实时以太网的通信原理，分析了数据链路层的优势及其 现有应用层的不足。给出了基于c a n o p e n 协议实现e h t e r m a c 应用层的整体方案 及各个通信对象的实现方法和数据帧格式设计。 论文在w i n d o w s 操作系统环境下设计了基于c a n o p e n 协议的e t h e r m a c 应用 层主站。设计了主站的对象字典和网络启动流程，实现了p d o 、s d o 和e m c y 报 文的处理。论文分析了基于c a n o p e n 协议的e h t e r m a c 从站软硬件功能并给出了 实现方案，以及从站的对象字典和各种通信对象的处理方法。针对标准c a n o p e n 网络广泛的应用基础，提出了基于e t h e r m a c 从站的c a n o p e n 网关即c a n o p e n 耦合器设计方案。并对与不同c a n o p e n 耦合器连接的各c a n o p e n 网络间的同步 及由于单节点数据量增大造成的e t h e r m a c 数据帧溢出等问题提出了解决方案。 论文最后通过e t h e r m a c 从站i o 模块对应用层设计进行了方案验证。使用菲 仕公司的u l t r a c t t w 系列电机作为c a n o p e n 标准从站联网调试，验证了网关设计 方案。 关键词实时以太网总线；应用层；c a n o p e m 网关 山东大学硕+ 学位论文 u a b s t r a c t a b s t r a c t r e a l - t i m ee t h e r n e t t e c h n o l o g yo v e r c o m e st h ed r a w b a c k so ft h et r a d i t i o n a l f i e l d - b u sa n dh a sb e c o m et h en e we r ai nt h ed e v e l o p m e n to ff i e l d - b u s ，b e i n gm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nw h e r et h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mi sar e p r e s e n t a t i v et e c h n o l o g y a no p e n ，s i m p l ea n df l e x i b l ea p p l i c a t i o nl a y e r p r o t o c o li sn e e d e df o rt h er e a l - t i m ee t h e r n e tt oc o m m u n i c a t ee f f i c i e n t l ya n dau n i f o r m a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sr e q u e s t e dt h a td i f f e r e n tr e a l t i m ee t h e r n e tt e c h n o l o g i e s c a l lb ei n t e r c o n n e c t e dt ot h eo t h e r s t h et h e s i sd e s i g n st h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo f t h ee t h e r m a cr e a l - t i m ee t h e r n e tf i e l db u sb a s e do nc a n o p e na n ds t u d i e st h eg a t e w a y b e t w e e nc a na n de t h e r m a cb a s e do ne t h e r m a cs l a v e t h ei m p l e m e n t i n gs t r a t e g yi s a l s og i v e n f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n to fr e a l t i m ee t h e m e ti sr e v i e w e d t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo ft h em a i n - s t r e a me t h e r n e tf i e l d - b u s a r ei n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e so ft h er e a l t i m ee t h e r n e tt a k i n gt h ec a n o p e na st h e a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sp o i n t e do u t s e c o n d l y , t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h es t r u c t u r ea n ds o m ek e yp r o f i l e so ft h e c a n o p e np r o t o c 0 1 t h e nt h et i m i n gp e r f o r m a n c eo fc a n b u si sd i s c u s s e d , w h i c hl e a d s t ot h en e c e s s i t yt h a tc a n o p e ns h o u l db em o v e dt ot h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fr e a l t i m e e t h e m e tf o rb e t t e rt i m i n gp e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n n o v a t i v ee t h e r m a cr e a l - - t i m ee t h e m e tf i e l d - b u s a r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ed a t al i n kl a y e ra n dt h ed i s a d v a n t a g e so f t h ee x i s t i n ga p p l i c a t i o nl a y e r t h e nt h ed e s i g no ft h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fe t h e r m a c b a s e do nt h ec a n o p e np r o t o c o li ss t u d i e d t h ei m p l e m e n t i n go ft h ec o m m u n i c a t i o n o b j e c t sa n d t h ef o r m a to ft h ee t h e r m a cf r a m e i n c l u d i n gt h eo b j e c t sb a s e do nc a n o p e n a r ea l s og i v e no u t t h e n ，t h em a s t e rw i t ht h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fe t h e r m a cb a s e do nc a n o p e ni s p r o p o s e do nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h eo b j e c td i c t i o n a r yo ft h em a s t e ri sg i v e n i i i 山东大学硕十学位论文 o u t t h ep r o c e d u r e sd e a l i n gw i t l lt h eb o o t u po ft h ea p p l i c a t i o nl a y e rn e t w o r ka n dt h e c o m m u n i c a t i o no b j e c t ss u c ha sp d o ，s d oa n de m c ya r ed i s c u s s e ds e q u e n t l y a f t e r t h ef u n c t i o no fe t h e r m a cs l a v ew i t ht h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fe t h e r m a cb a s e do n c a n o p e n i sr e s e a r c h e d ，t h ei m p l e m e n t i n gs t r a t e g yi sg i v e n c o n s i d e r i n gt h ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o no ft h es t a n d a r dc a n o p e nd e v i c e s ，t h eg a t e w a y , n a m e dc a n o p e nc o u p l e r , b e t w e e ne t h e r m a ca n dc a nb u sb a s e do ne t h e r m a cs l a v ei sp r o p o s e d t h es o l u t i o n s f o rt h ei s s u e ss u c ha st h es y n c h r o n o u sp r o p e r t yi nc a n o p e nn e t w o r k sc o n n e c t e dt o d i f f e r e n tc a n o p e nc o u p l e r sa n dt h ee t h e r m a cf l a m e sc a nn o ta c c o m m o d a t ea l ld a t a s i m u l t a n e o u s l yb e c a u s ei n f o r m a t i o nf r o m as i n g l ep o i n ti st o oe n o r m o u st ob e c o n t a i n e d f i n a l l y , ag r o u po fi op o r t so ft h ee h t e r m a cs l a v ei su s e dt op e r f o r ms y s t e m a t i c v e r i f i c a t i o no ft h et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nl a y e r u l t r a c t ws e r i e sm o t o r s p r o d u c e db yp h a s ec o m p a n y a l ec o n n e c tt ot h ec o u p l e r sa ss t a n d a r dc a n o p e ns l a v e st o v e r i f yt h ed e s i g no ft h ec o u p l e r k e y w o r d sr e a l - - t i m ee t h e m e tf i e l d - b u s ；a p p l i c a t i o nl a y e r ；c a n o p e n ；g a t e w a y i v 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着经济形势的发展，我国正面临着产业升级的挑战和历史机遇。装备制造 行业中低端产能过剩、高端严重不足而大量依赖进口的突出矛盾已成为我国由制 造大国转变为制造强国的瓶颈问题。解决这一问题的根本途径在于通过自主创新 推进高端装备自主化。控制系统是装备的“大脑”，而运动控制系统是控制系统的 重要组成部分，直接决定数控技术等装备制造领域的发展水平。因此，运动控制 系统的自主创新显得更为紧迫。运动控制系统的性能好坏则与其底层数据交换接 口的通信质量直接相关。 近年来，随着通信技术、计算机技术、网络技术的迅速发展，工业自动化控 制领域得到了迅速的提高和改革【l 】。1 9 8 4 年，在其概念得到正式提出之后，现 场总线得到了迅速发展。现场总线技术作为工业现场的一种通讯网络，相较于传 统的分散性控制，具有数据传输速度高、传输数据量大、扩展灵活、易于安装和 维护等优点【2 1 。但由于顾及各个国家和开发商的经济利益，不同的现场总线标准互 不兼容，导致互通与互操作问题很难解决【3 1 ，使得硬件成本居高不下；同时，随着 运动控制复杂程度的提高，对通信实时性和同步性提出了更高的要求，于是现场 总线开始转向以太网。 1 2 工业以太网发展现状 工业以太网是基于i e e e8 0 2 3 ( e t h e m e t ) 标准的强大的区域和单元网络。工业 以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在实时性、 可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网 络【4 1 。 在过去的十余年中，工业以太网现场总线技术逐渐兴起并已在现场自动化控 制领域得到广泛的应用5 】【6 】。如表1 1 所示，在2 0 0 7 年1 2 月发布的第四版i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准技术规范中，已包含p r o f i n e t 、e t h e r c a t 、e t h e m e tp o w e r l i n k 、 s e r c o s i i i 、e p a 等7 种实时以太网技术标准【7 1 。 山东大学硕十学何论文 其中能够满足运动控制的同步实时性( t l m s 且j i t t e r l u s ) 要求的四种以 太网总线协议标准( p r o f i n e ti r t 【8 1 、e t h e r c a t l 9 1 、e t h e r n e tp o w e r l i n k 10 1 、s e r c o s i i i t l l 】) 全部为国外开发商开发。国内由浙江大学等单位开展研究的的e p a ( e t h e m e t f o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 技术，是一种适合于过程控制的工业以太网技术，不适用于高 速高精的运动控制【1 2 j 【1 3 j 。 表1 1i e c 6 115 5 第四版现场总线类型 从技术方面来看，以上四种协议标准均在不同程度上依靠建立在实时操作系 统之上的主站保证运动控制的同步实时要求【1 4 】：p r o f i n e ti r t ( i s o c h r o n o u s r e a l t i m e ) 进行数据传送时，数据按顺序放入固定的时间槽内，在每个固定的时 间间隔后进行发送，需使用由特定的同步时间交换芯片( 即增强型实时以太网控 制芯片e r t