（控制理论与控制工程专业论文）基于ertec200的profinet+io设备板的研发.pdf

摘要 摘要 在现场总线技术日趋稳定，工业应用渐趋饱和，以太网实时性、确定性、稳 定性以及可靠性等方面同益提高的前提下，以及客户对现场信息、管理信息融合 的现实要求下，各个p l c 生产公司和组织纷纷推出自己的工业以太网标准。但就目 前而说，工业以太网还无法全面取代现场总线，除了几个关键技术有待突破外， 市场上工业以太网应用产品十分匮乏也是造成工业以太网难以大规模应用于工业 现场的一个主要原因。 在比较了市场上主流的工业以太网协议后，本文对西门子公司推出的 p r o f i n e t 工业以太网协议进行了分析，包括p r o f i n e t 协议的通信结构、p r o f i n e t 1 0 协议以及p r o f i n e t 实时通信协议等等。对协议的深入分析为硬件设计和用户程 序的编制打下基础。 论文分析了应用系统对硬件的需求，给出了一个基于e r t e c 2 0 0 的p r o f i n e t1 0 应用系统的硬件方案，介绍了这个硬件方案的核心微处理器e r t e c 2 0 0 的性能、内 部结构、系统资源等，设计了s d r a m 存储电路、f l a s h 存储电路、以太网连接电路、 g p i o 输入输出电路等主要组成部分。在此基础上，针对应用系统的软件功能需求， 本文实现了v x w o r k s 和西门子p r o f i n e t1 0 协议栈的移植和用户应用程序设计，包 括输入输出处理、主要功能函数等。 关键词：工业以太网；实时协议；p r o f i n e t ；e r t e c 2 0 0 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h eg r a d u a ls t a b i l i t ya n ds a t u r a t e da p p l i c a t i o no ff i e l db u st e c h n o l o g y , t h e i m p r o v e m e n to fe t h e r n e ti nr e a l t i m e ，s t a b i l i t y , c e r t a i n t ya n dr e l i a n c e ，a n dt h en e e d s o f c l i e n t si nf i e l di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，m a n yp l c e n t e r p r i s e sa n do r g a n i z a t i o n sh a v e l u n c h e dt h e i ro w ni n d u s t r i a le t h e r n e ts t a n d a r d s a tp r e s e n t ，i n d u s t r i a le t h e m e tc a nn o t t h o r o u g h l yr e p l a c ef i e l db u st e c h n o l o g y i na d d i t i o nt os o m ek e yt e c h n o l o g i e st h a t n e e dt ob eb r o k e nt h r o u g h ，t h el a c ko fi n d u s t r i a le t h e m e tp r o d u c t si nt h em a r k e ti sa l s o am a i nr e a s o nf o rt h ed i f f i c u l t i e so fi n d u s t r i a le t h e m e t sa p p l y i n gi ni n d u s t r i a lf i e l do n al a r g es c a l e c o m p a r e dw i t hs o m ep r e v a i l i n gi n d u s t r i a le t h e r n e tp r o t o c o l sa p p l i e di nt h e m a r k e t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r o f i n e ti n d u s t r i a le t h e m e tp r o t o c o ll a u n c h e db y s i e m e n sc o m p a n y , i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e ，p r o f i n e t1 0p r o t o c o l ， p r o f i n e ti or e a l - t i m ep r o t o c o la n ds oo n t h ed e e pa n a l y s i so ft h ep r o t o c o lp r o v i d e s af o u n d a t i o no fh a r d w a r ea n du s e rp r o g r a md e s i g n t h ep a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a t i o ns y s t e mh a r d w a r er e q u i r e m e n t t h e nt h ep a p e r g i v e sas y s t e mh a r d w a r ep r o j e c tw h i c ht h ep r o f i n e t1 0a p p l i c a t i o ns y s t e mi sb a s e d o ne r t e c2 0 0 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c e ，i n t e r n a ls t r u c t u r ea n ds y s t e m r e s o u r c eo fe r t e c 2 0 0w h i c hi st h ec o r em i c r o p r o c e s s o ro ft h eh a r d w a r ep r o j e c t a f t e r t h a t ，t h ep a p e rd e s i g ns d r a mm e m o r yc i r c u i t ，f l a s hm e m o r yc i r c u i t ，e t h e m e t c o n n e c t i n gc i r c u i ta n dg p i oi n p u ta n do u t p u tc i r c u i ta n ds oo n t os a t i s f yw i t ht h e s o f t w a r ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e ri m p l e m e n tv x w o r k sa n ds i m e n s e p r o f i n e t1 0s t a c kp o r t i n ga n du s e ra p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n ，i n c l u d i n gi n p u ta n d o u t p u tt r e a t m e n t ，m a i nf u n c t i o n s k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ；r e a l - t i m ep r o t o c o l ；p r o f i n e t ；e r t e c 2 0 0 i i i 广东t 业人学硕i j 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 特老师粹百乏 吻 论文作者签字：别种如 幽吵年6 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究目的及背景 随着互联网技术的发展与普及推广，以太网( e t h e r n e t ) 技术也得到了迅速 的发展，特别是传输速率的提高和交换技术的发展，给解决以太网通信的非确定 性问题带来了希望，并使以太网全面应用于工业控制领域成为可能，工业以太网 也就应运而生。但工业以太网不是商用以太网在工业控制中的简单应用，工业以 太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和t c p i p 技术真正能应用到控制层，进而延伸到现场层，实现客户对现场信息与管理信息 无缝融合的现实要求“，。 目前，众多p l c 生产公司和组织纷纷推出自己的工业以太网标准。但就目前而 言，工业以太网还无法全面取代现场总线，除了几个关键技术有待突破外，市场 上工业以太网应用产品十分匮乏也是造成工业以太网难以大规模应用于工业现场 的一个主要原因。因此，大量开发工业以太网应用产品是非常有意义的。本论文 的主要目的和工作，就是开发一个基于工业以太网的现场分布式1 0 智能设备，实 现现场信息与上层控制与管理信息无缝融合的需求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高速以太网h s e 现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的高速以太网h s e ( h i g hs p e e d e t h e r n e t ) 是对f fh 1 高速网的解决方案。h s e 的物理层与数据链路层采用以太网规 范( 1 0 0m b s ) ；网络层采用i p 协议；传输层采用t c p 、u d p 协议；而应用层是现场 设备访问协议( f i e l dd e v i c ea c c e s s ，f d a ) 。h s e 的技术规范中主要包括h s e 高速 以太网、以太网在线、现场设备访问、h s e 系统管理、h s e 冗余、h s e 网络管理和h s e 行规。h s e 适合作为控制中枢，可以支持现场总线的很多特性，包括复杂逻辑功能 和数据密集型过程设备”- 。 广东t 业人学硕i j 学位论文 1 2 2e t h e r n e t ip e t h e r n e t i p 得到了控制网国际组织( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ，c i ) 和开放 式设备网供货商协会( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ，o d v a ) 以及罗克韦 尔自动化( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 公司的支持。e t h e r n e t i p 采用以太网的物理层、 数据链路层及t c p i p 协议。e t h e r n e t i p 最具特色的部分为其应用层和用户层的 控制和信息协议c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 。c i p 由对象建模、信 息协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置方法和数据管理等部分组成。 e t h e r n e t i p 具有3 种最基本的功能：( 1 ) 实时控制；( 2 ) 网络组态；( 3 ) 数据采集 【3 j 6 1 2 3m o d b u s t c p m o d b u s 在1 9 7 9 年时被引入，它是通用的、可升级的、普及的网络物理媒介 ( e t h e r n e t ) 与通用网络标准( t c p i p ) 和厂商中立的数据表现形式的结合。 m o d b u s i d a 实时扩展的方案是为以太网建立一个新的实时通信应用层，采用一种 新的通信协议r t p s ( r e a l - t i m ep u b l i s h s u b s c r i b e ) 实现实时通信，非实时通 信基于t c p i p 协议，充分采用i t 成熟技术，如基于网页的诊断和配置( h t t p ) 、 文件传输( f t p ) 、网络管理( s n m p ) 、地址管理( b o o t p d h c p ) 和邮件通知( s m t p ) 等。r t p s 协议及其应用程序接口( a p i ) 由一个对各种设备都一致的中间件来实 现，它采用美国r t i ( r e a l t i m ei n n o v a t i o n s ) 公司的n d d s3 0 ( n e t w o r k d a t a d e l i v e r ys e r v i c e ) 实时通信系统。r t p s 建立在p u b l i s h s u b s c r i b e 模式基础上， 并进行了扩展，增加了设置数据发送截止时间、控制数据流速率和使用多址广播 等功能。它可以简化为一个数据发送者和多个数据接收者之间通信编程的工作， 极大地减轻网络的负荷一。 1 2 4p r o fin e t p r o f i n e t 实时以太网是由p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ( p i ) 组织提出的基于以 太网的自动化标准。从2 0 0 4 年4 月开始，p i 与i n t e r b u sc l u b 总线俱乐部联手， 负责合作开发与制定标准。p r o f i b u s 技术和i n t e r b u s 现场总线技术可以在整个 系统中无缝地集成。 2 第一章绪论 p r o f i n e t 可以用于所有的自动化应用中，包括离散的、流程、动作、对等网 络集成、垂直整合、安全和其他应用。p r o f i n e t 的数据链路层采用了标准i e e e 8 0 2 3 以太网，所以它支持基于t c p i p 的i t 应用，例如h t t p 、s n m p 、d h c p 等。另外，在 数据链路层基于i e c 6 1 7 8 4 - 2 进行了实时扩展，从而使它的软实时( s o f t r e a l - t i m e ，s r t ) 类型的时钟周期达到5 1 0 毫秒，非常适合现场的分布i o 应用。 而基于非确定的t c p i p 通信和确定性的实时通信的p r o f i n e tc b a ，将标准t c p i p 的时钟周期由1 0 0 毫秒数量级降至1 0 毫秒级，非常适合控制器之间的数据交换。另 外，它的同步实时i r t 是一种硬实时h r t ( h a r d w a r er t ) 方案，它由内嵌的s w i t c h _ a s i c 同步实时交换芯片保证了在时钟速率为l 毫秒时、抖动精度为1 微秒，这非 常适合于运动控制领域n - 。 1 2 5e p a e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a ti o n ) 是一个用于工业测量与控制系统的 以太网标准，是在国家科技部“8 6 3 计划的支持下，由浙大中控、中科院沈阳自 动化所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合组成的的标准起草 工作组起草t - 。 e p a 将控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每 个微网段通过e p a 网桥与其它网段分隔，该微网段内e p a 设备间的通信被限制在 本控制区域内进行，而不会占用其它网段的带宽资源。处于不同微网段内的e p a 设 备间的通信需由相应的e p a 网桥转发控制。 为了提高网络的实时性能，e p a 对i s o i e c8 8 0 2 3 协议规定的数据链路层进 行了扩展，在其之上增加了一个e p a 通信调度管理实体( c o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n gm a n a g e m e n te n t i t y ，简称e p a c s m e ) 。e p a c s m e 不改变i e c 8 8 0 2 3 数据链路层提供给d l s u s e r 的服务，也不改变与物理层的接口，只是完成对数 据报文的调度管理”1 。 目前，e p a 已有多种产品，包括基于e p a 的变送器、执行器、现场控制器、 数据采集器、远程分散控制站、无纸记录仪等。基于e p a 的分布式网络控制系统 已在化工厂得到成功应用。 广东t 业人学硕i ：学位论文 1 3 本论文的主要内容 由于西门子公司p r o f i b u s 现场总线在工业现场控制中有较大的市场占有率， 为此，本文针对西门子公司主推的p r o f i n e t 工业以太网进行应用研究。本文首先 介绍研究目的及背景，对工业以太网的国内外的研究现状进行了综述。然后介绍 了p r o f i n e t 工业以太网的协议框架，包括p r o f i n e t 的通信概念、p r o f i n e ti o 实时 通信的技术基础以及p r o f i n e ti o 设备规范。接着在p r o f i n e ti o 设备模型的基础 上，提出了本文的基于e r t e c 2 0 0 的p r o f i n e t 专用通信a s i c 的硬件部分设计与实现。 在硬件的基础上，在p n l 0 2 0 0 板上移植v x w o r k s 实时操作系统和p r o f i n e ti o 协议 栈，然后给出了用户应用程序的需求分析，并实现用户应用程序。本文各章节组 织如下： 第一章绪论介绍了本论文的研究目的及背景，国内外的研究现状，课题的主 要研究内容以及各章节的内容组织。 第二章主要介绍t p r o f i n e t 工业以太网协议构架，包括p r o f i n e t 的概述、 p r o f i n e t 的实时通信技术以及p r o f i n e ti o 规范。 第三章给出了p n l 0 2 0 0 板的硬件设计与实现，首先介绍了硬件系统的需求分 析，针对硬件需求分析给出了本文的p n l 0 2 0 0 板的硬件设计结构，然后给出了硬件 的设计结构。最后分别介绍了e r t e c 2 0 0 微处理器的内部结构及其内部资源、s d r a m 存储器接口电路、f l a s h 存储器接口电路、以太网接口电路以及g p i o 电路等主要硬 件电路的实现。 第四章介绍p n l 0 2 0 0 板的软件设计与实现，首先介绍了软件系统整体结构和 v x w o r k s 实时操作系统组成以及v x w o r k s 集成开发环境，然后给出了v x w o r k s 和 p r o f i n e ti o 协议栈在硬件p n l 0 2 0 0 板的移植，最后在v x w o r k s 和p r o f i n e ti o 协议 栈移植的基础上，给出了用户应用程序的需求以及软件实现。 结论部分对本文的工作进行了总结，并对本文的技术研究进行了展望，并讨 论了尚需做的工作。 4 第- 二章p r o f l n e t1 0 协议构架 第二章p r o f in e t10 协议架构 2 1p r o fin e t 概述 2 1 1p r o fin e t 通信标准 p r o f i n e t ( p r o c e s sf i e l dn e t ) 是一种基于工业以太网的自动化工程通信系 统，事实上，它也是一套全面的标准、可以满足在工业自动化中运用以太网的所 有需求。该标准涵盖了安装技术、实时通信、网络管理、分布式智能、分布式现 场设备、过程、故障安全、i t 标准和网络安全、控制器层次的通信、包含i o 系 统的常规自动化以及运动控制领域协，。它与i s o o s i 七层模型对应关系如图2 - 1 所示： 层 任务 i s o i o s i 参考模型 7 p r o f i n e tl o 服务( i e c6 1 7 8 4 ) p r o f i n e tc b a b p r o f i n e ti o 协议( i e c6 11 5 8 )( i e c6 11 5 8t y p e 1 0 ) 应用 7 无连接r p c d c o m a 面向连接的r p c 6 表示 未使用 未使用 5 通信 未使用未使用 4 传输u d p ( r f c 7 6 8 ) t c p ( r f c 7 9 3 ) 3交换 i p ( r f c 7 9 1 ) 全双i ( i e e e 8 0 2 3 ) ，优先级 2 安全 标签( 1 e e e 8 0 2 1 q ) ，实时扩展 l 比特传输 1 0 0 b a s e - t x ，1 0 0 b a s e - f x ( ! e e e 8 0 2 a 3 ) 图2 - 1p r o f i n e t 与i s o 0 s i 七层模型对应关系 f i g 2 - 1p r o f i n e t & i s o o s im o d e lr e l a t i o n 其中，p r o f i n e t 的物理层和数据链路层使用标准的i e e e 8 0 2 3 ，物理层使用 支持全双工模式的i o o b a s e - t x 和i o o b a s e - f x 。i o o b a s e - t x 使用的是两对抗阻为 1 0 0 欧姆的5 类非屏蔽双绞线，最大传输距离是1 0 0 米，适合车间级应用系统。 l o o b a s e - f x 可使用单模光纤或者多模光纤，在全双工情况下，单模光纤的最大传 输距离是4 0 千米，多模光纤的最大传输距离是2 千米，适合工厂、组织级应用旧1 。 p r o f i n e tc b a ( c o m p o n e n tb a s e da u t o m a t i o n ，基于组件的自动化) 采用传 广东t 业人学硕f j 学位论文 输控制协议网际协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ， t c p i p ) 和实时通信( r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ，r t ) 。 p r o f i n e ti o 采用用户数据报协议网际协议( u s e rd a t a g r a m p r o t o c 0 1 i n t e r n e tp r o t o c o l ，u d p i p ) 、实时通信、等时同步实时通信 ( i s o c h r o n o u sr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ，i r t ) 。 2 1 2p r o fin e t10 以及p r o fin e tc b a 为了给不同类型的应用提供最佳支持，p r o f i n e t 提供了两种技术解决方案： p r o f i n e ti o 和p r o f i n e tc b a ( c o m p o n e n tb a s e da u t o m a t i o n ，基于组件的自动 化) 。 p r o f i n e ti o 支持分布式现场设备直接连入以太网。p r o f i n e ti o 规定了i o 控制器和i o 设备之间所有的数据交换方式，同时规定了i o 控制器和i o 设备的参 数化和诊断方法。它是基于生产者消费者模式进行快速数据交换。通过采用实时 通信交换过程数据，它的时钟周期达到了1 0 毫秒数量级，非常适合用于工厂自动 化的分布式i o 通信系统。而采用同步实时通信i r t 的p r o f i n e ti o 能够使时钟 周期达到1 毫秒数量级，非常适合于运动控制。 p r o f i n e tc b a 是一种利用预先确定的组件实现模块化和分布式自动化解决方 案的技术。它支持基于非确定的t c p i p 通信和确定性的实时通信，这样一来，它 允许时钟周期由t c p i p 协议的1 0 0 毫秒降到r t 的达到1 0 毫秒数量级，非常适合 控制器之间的数据通信n “。 2 2p r o f l n e tl o 实时通信 2 2 1p r o n f i n e ti o 实时性保证 由于处理器的主要任务是处理用户应用程序，所以以太网实时通信不能给处 理器带来太大的负担。同时，发送时间也应当尽量小。 实时通信如果使用标准的t c p i p 或u d p i p 协议，如果帧里面的数据量大，导 致帧的长度也相应变大，从而引起线路上传输时间的增加。此外，对应的通信栈 需要占用处理器更长的处理时间，从而导致数据处理周期的增加。如图2 2 所示： 6 第- 二章p r o f i n e ti o 协议构架 圈i 一j 提供 数据 执行 通信栈 一篮i 塞煞揍上 执行 通信栈 处理 数据 图2 2p r o f i n e t 时钟周期 f i g 2 - 2p r o f i n e tc l o c kp e r i o d 通过对发送器和接收器的通信栈进行优化，可以使更新率有相当的改观，而 且处理器的负载也相应减少。p r o f i n e t 的第三层和第四层协议只有部分适合用来 作周期数据交换。对于这种应用，可以遵照i e e e 8 0 2 3 5 1 定的优化的第二层协议。 p r o f i n e t 就是使用了优化的通信通道进行实时通信，因而保证了网络中不同节点 间能够在一个确定的时间间隔内进行时间要求苛刻的数据传输。由于是在传统的 以太网控制器上来实现通信通道，而该通道是基于i s o o s i 参考模型的第二层，数 据包不是通过i p 地址来寻址的，而是使用接收设备的m a c 地址来寻址的1 。 2 2 2p r o n f i n e t1 0 通信类型 为了满足工业现场各种控制对象的需求，p r o f i n e t 在通信方式上根据通信目 的不同采用了2 种通信类型。如图2 - 3 所示： p r o f i n e t 应用 l 标准数据li 实时数据 l 图2 3p r o f i n e ti o 通信协议类型 f i g 2 - 3p r o f i n e t1 0c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt y p e 7 广东t 业人学硕l ：学位论文 ( 1 ) t c p i p 标准通信 通过t c p u d p i p 在标准通道上发送没有实时性需求的数据( 即非实时数据， n r t ) ，主要用作节点的参数化、组念、读取诊断数据、互连( 数据) 的加载、非 周期数据交换以及传输用户数据的通信通道的协商。它典型的响应时间是l o o m s 数量级，这可以满足自动化层与工厂控制级网络( m e s ，e r p ) 的需求。它使用了 下面的协议： u d p 协议 u d p 协议主要用作设备的参数化、诊断数据的读取、数据的非周期读写等。 i p 协议 在互连网络中传输数据。 d h c p 协议 负责网络内i p 地址自动分配，p r o f i n e ti o 设备的协议栈中必须包含 d h c p 程序包，d h c p 并不是西门子p r o f i n e ti o 协议栈中的组件。 d n s 协议 管理基于i p 的网络的逻辑地址。 d c p 协议 分配p r o f i n e t 设备的地址和名字。 s n m p 协议 管理网络节点( 例如服务器、路由器、交换机等等) ，主要收集节点的状 态和统计信息以及检测通信故障等。 a r p 协议 将i p 地址映射成对应的以太网地址。 i c m p 协议 主要用来传输错误信息。 ( 2 ) 实时通信 实时通信又分3 种类型。类型l 和类型2 是软实时s r t ( s o f t w a r er t ) 方案，它是 经过优化了的基于以太网第二层的实时通信通道。其中，类型1 适合周期数据的通 信，并对所使用的交换机没有特别要求：类型2 适合中断数据和周期数据的传输， 但它对所使用的交换机有特别要求。这两类实时通信主要使用t r t 协议和用于临 近节点识别的l l d p 协议。 8 第一二章p r o f i n e t1 0 协议构架 类型3 是同步实时i r t 。通信同步实时i r t 是一种硬实时h r t ( h a r d w a r er t ) 方 案，它由内嵌的s w i t c h - - a s i c 同步实时交换芯片保证。这样可以进一步缩短通信 栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输以及快速 的时钟同步运动控制。它允许在时钟速率为1 毫秒时，抖动精度为1 微秒。它使用 了用于类型1 和类型2 实时通信所使用的r t 协议和l l d p 协议之外，还使用了用作时 间同步的p t c p 协议“。 2 2 3 实时( r t ) 通信 2 2 3 1 同步 在所有需要同步的地方，p r o f i n e t 都会使用一种自动功能来精确的记录传输 链路的所有时间参数，这种自动功能就是精确透明时钟协议( p r e c i s i o n t r a n s p a r e n tc lo c kp r o t o c o l ，p t c p ) 。 p t c p 位于o s i 参考模型的第二层，因此它不具有路由的功能。它用在同一个 p t c p 子域对p t c p 主端和p t c p 从端之间进行微秒级和亚微秒级的时间同步。一个 p t c p 子域是由一个子网内被同一时钟同步的所有通信参与者组成的。在最好的情 况下，p t c p 支持的主端模型包含的不同时钟可以多达3 2 个。 p t c p 主端和从端之间的时间同步是由时间同步序列来实现的，时间同步序列 的基本功能是具有最精确时钟( 主时钟) 的网络节点同步其他节点的本地时钟( 从 时钟) 。这个基本功能通过周期性的交换两个网络节点之间的同步帧序列来实现 的。 同一序列的所有帧具有同样的序列号。每出现一个新的序列，序列号就递增。 同步过程包括两个阶段。 ( 1 ) 时延测量 同步过程的第一阶段是测量相互通信的双方之间的时延。时延由三段时间组 成：请求者的本地时延、应答者的本地时延以及传输路径上的帧时延。决定时延 需要4 个时间戳。 ( 2 ) 子域内的同步 p t c p 子网内的时间同步是在p t c p 主端发送一个同步帧( 也可能还包括一个紧 随( f o l l o wu p ，f u ) 帧) 期问实现的。在这个过程中，会传输p t c p 的主时钟值、 9 广东t 业人学硕i j 学位论文 发送方和接收方之间链路上的延迟时间。 非f u 节点能在传递同步帧之前修改同步帧中传输的延迟时间值。这些节点把 它们的本地延迟时问以及p t c p 主端和从端之间在电缆上传输时的延迟时间加入到 同步帧中传输的延迟时间中。如图2 - 4 所示： t 图2 - 4 非f u 帧同步实例 f i g 2 4e x a m p l eo fs y n c h r o n i z a t i o ni nn o n f uf r a m e 其中，t m c l k 为p t c p 主端时钟，t 1 为主端传输时间戳，t 2 为非f u 从端接收同步 帧的时间戳，t 3 为非f u 节点向其它节点转发的时间戳，a t d m 为p t c p 主端本地时延， a t l d l 为传输线路时延，a t l d 2 为p t c p 从端本地时延。 f u 节点基本上具有同样的功能，不过它们是把相应的时延加入到在紧随帧中 传输的延迟时间中“”。 2 2 3 2 同步帧的组成 p t c p 主端用一个多播帧触发同步，该帧的接收器通过接收到的同步信息来调 整自身的时钟。调整时不能破坏相应设备的本地时间记录。p t c p 的帧结构如图2 - 5 所示： 前s f d目的源以太网v l a n以太网 帧类型p t c p p t c pf c $ 导码地址地址类型 t p ! d 类型 标识符 首部数据 7 b l b 6 b6 b2 b 2 b 2 b2 b1 6 b 4 b 图2 - 5p t c p 帧结构 f i g 2 - 5f i c pf r a m es t r u c t u r e 1 0 其中，前导码是7 个字节的“l 和“o 交替的序列，用于接收同步。s f d 是 帧的开始定界符( 1 0 1 0 1 0 11 ) 。目的地址和源地址都占用6 字节，它们的定义如表 2 一l 所示： 表2 - 1 数据包的目的地址 t a b l e2 - 1d e s t i n a t i o n a d d r e s so f p a c k e td a t a 服务地址帧i d 时延请求 0 1 8 0 c 2 0 0 0 0 o eo x f f 4 0 时延响应 0 1 8 0 c 2 o o 0 0 0 eo x f f 4 l 紧随响应 0 1 8 0 c 2 0 0 0 0 0 eo x f f 4 2 r t a 同步 0 1 0 e c f 0 0 0 4 0 0 -o x 0 0 0 0 0 x o o1f 0 1 o e c f 0 0 0 4 1 f r t af u 0 1 0 e c f o o 0 4 2 0 - - 一 o x f f 2 0 0 x f f 3 f 0 1 0 e c f 0 0 0 4 3 f r t c 同步 0 1 0 e c f 0 0 0 1 0 2o x 0 0 8 0 v l a nt p i d 由3 位的用户优先级，1 位的规范格式指示符c f i ，1 2 位的v l a ni d 标识组成。具体的定义见表2 2 所示： 表2 - 2v l a nt p i d 的定义 t a b l e2 2v l a nt p i dd e f i n it i o n v用户优先级( 3 位) o x o o 一- - o x 0 5 ：保留 lo x 0 6 ：周期r t 的同步帧 a o x 0 7 ：r t a 同步帧：r t af u 帧；r t a 时延请求帧； nr t a 时延响应帧；r t a 时延紧随响应帧 规范格式指示符( 1 位)0 ：以太网；1 ：令牌环网 tv l a ni d 标识( 1 2 位) o x 0 0 0 ：传输有优先权的数据 p o x 0 0 1 ：标准设置 i 0 x 0 0 2 0 x f f e ：可自由使用 d o x f f f ：保留 以太网类型跟在数据部分之后，对网络协议类型进行标识( 例如0 x 8 8 9 2 表示 p r o f i n e t ) 。f r a m ei d 帧类型表示符标识周期非周期r t 的同步帧，具体的定义见 广东t 业人学硕i j 学位论文 表2 1 。p t c p 首部由1 6 个字节组成，定义如表2 3 所示： 表2 - 3p t c p 首部的定义 t a b l e2 - 3p t c ph e a d e rd e f i n i t i o n v 用户优先级( 3 位) o x o o o x 0 5 ：保留 l o x 0 6 ：周期r t 的同步帧 a o x 0 7 ：r t a 同步帧；r t af u 帧；r t a 时延请求帧； n r t a 时延响应帧：r t a 时延紧随响应帧 规范格式指示符( 1 位)0 ：以太网；l ：令牌环网 tv l a ni d 标识( 1 2 位) o x 0 0 0 ：传输有优先权的数据 p o x 0 0 1 ：标准设置 i o x 0 0 2 - - , o x f f e ：可自由使用 d o x f f f ：保留 p t c p 数据与相应的p t c p 帧类型相关，包括同步p d u 、紧随p d u 、时延请求p d u 、 时延响应p d u 、时延跟随响应p d u 等。f c s 是3 2 位的校验和，对整个以太网帧进行c r c 校验。 2 2 3 3 实时协议的组成 不： i e e e 分配以太网类型0 x 8 8 9 2 标识p r o f i n e t 实时帧，实时帧的结构如图2 - 6 所 前is f dj 目的i 源l 以太同i v l a nl 以太网l 帧类型l r t a p d u f c s 导码li 地址i 地址l 类型it p i dj 类型i 标识符i 数据 i 状态i 7 b l b 6 bi6 b2 b 2 b 2 b2 b4 0 1 4 4 0 b 4 b 4 b 图2 - 6 实时协议的帧结构 f i g 2 - 6f r a m es t r u c t u r ei nr e a l t i m ep r o t o c o l 其中，前导码、s f d 、f c s 的定义和前面介绍的p t c p 帧意义一样。目的地址、 源地址占用6 个字节，前3 个字节标识制造商( 例如西门子为0 8 0 0 0 6 ) ，其它由制 造商自己定义。 v l a nt p i d 是v l a n 标签协议标识符，其中与前面p t c p 帧中不同的地方是用户 优先级的定义。标准i p 数据包的优先级为0 ，非周期r t 数据( 低) 和非周期r tu d p 1 2 第二章p r o f i n e ti o 协议构架 帧( 低) 的优先级为5 ，周期r t 数据、非周期r t 数据( 高) 、周期r tu d p 帧、非周期r t u d p 帧( 高) 的优先级为6 ，优先级1 4 和7 保留。 f r a m e i d 是对r t 帧类型的标识。r t 数据段在p r o f i n e tc b a 中是与字节流具有相 同o o s 值的互连数据，在p r o f i n e t1 0 中是i o 数据流。a p d u 是实时数据帧的状态。 它由2 个字节的周期计数器、1 个字节的数据状态以及1 个字节的传送状态组成n “。 2 2 4 等时同步实时( 1r t ) 通信 p r o f i n e t 的等时同步实时( i r t ) 是按照最苛刻的实时要求来制定的，将其作 为运动控制应用的解决方案可以获得很高的性能。 2 2 4 1 等时同步实时技术 特殊的通信a s i c ( 例如西门子e r t e c 2 0 0 、e r t e c 4 0 0 ) 为i r t 提供了硬件支持， i r t 允许各种情形下的实时通信。这些能力是采用时分多路复用协议而获得的。传 输周期是由时间间隔组成的，a s i c 会监控时间间隔的开始。在该时间间隔内，数 据在i r t 通道和开放通道交换。i r t 通道用于等时同步和周期性的实时帧的传输， 而开放通道用来传输实时数据和非实时( n r t ) 数据“。如图2 - 7 所示： 传输蒯期i侍输周期2侍输周期n i r t 通道i 开放通道ji r t 通道i 开放通道ii r t 通道i 开放通道 i 盯通信盯通信标准通信 s y n c i i r t 帧r t 帧 n r t 帧 叩旧口口叩旧口口口口j 口口 叩 2 2 4 2ir t 协议的组成 图2 - 7i r t 传输通道 f i g 2 - 7i r tt r a n s f e rc h a n n e l 等时同步实时帧具有明确的传输时间点，i r t 帧由其在传输周期中所处的位 置、帧类型标识符( f r a m e i d ) 以及以太网类型0 x 8 8 9 2 明确的确定。与实时帧比较， 它不需v l a n 标签来分配优先级。i r t 帧结构如图2 - 8 所示： 广东t 业人学硕l ：学位论文 前导码 s f d目的源以人网 i r t f c s 地址地址类犁 数据 7 b 1 b 6 b 6 b2 b 3 6 1 4 9 0 e4 b 图2 - 8i r t 帧结构 f i g 2 - 8i r tf r a m es t r u c t u r e 其中，各个数据段的定义在前面都有介绍，这里不再赘述。 2 3p r o fin e t10 规范 p r o f i n e ti o 是在工业以太网上实现模块化、分布式应用概念下产生的。如前 所述，在p r o f i n e ti o 协议规范里，规定了i o 控制器和1 0 设备之间所有的数据交换 方式，同时规定了i o 控制器和i o 设备的参数化和诊断方法。在这一节里，主要是 围绕着这些p r o f i n e ti o 的这些规范进行展开。 2 3 1p r o f l n e t1 0 的设备分类 p r o f i n e ti o 将相互通信的节点分成四种不同的设备类型： 1 1 0 控制器 1 0 控制器是