（机械设计及理论专业论文）一种基于标准以太网的实时同步网络研究.pdf

摘要 摘要 以太网已在互联网、办公网络和企业管理网络等领域获得了广泛的应用，其 技术日臻成熟。以太网被广泛接受的事实，使其具有了在工业控制系统中应用的 趋势和可能。工业以太网是将以太网技术应用到工业控制系统，并对其进行改进， 以适应于工业控制系统需求而产生的一种控制网络技术。和现场总线相比具有安 装成本低、传输速率快、支持服务类型多、用户基础广泛等突出的优点。但是目 前工业以太网处于发展阶段依然存在许多不适应现场应用的缺陷，例如网络通讯 协议缺乏实时性和确定性、缺乏通用的应用层协议以及网络节点间难以实现同步 性等问题。 以高性能的运动控制模型分析得出网络化运动控制系统需要通信数据的高 性能实时传输、以及快速的同步运动等要求。本文综述了以太网的实时性和同步 性研究现状，分析目前几种常用的用于运动控制的工业以太网络，参考 i e e e 8 0 2 3 协议以及国家标准控制与驱动装置间实时串行通信数据链路，提 出了一种基于标准以太网的实时同步网络，给出了网络拓扑结构和工作方法。根 据i s 0 0 s i 七层模型，建立了实时同步网络的互连参考模型；制定了实时同步网 络的报文结构及内容；给出了实时同步网络的通信时序、同步机制等。 分析了m a c i p 的工作原理，并划分各功能模块，选用硬件描述语言v e r i l o g h d l ，在开发工具q u a r t u si i 设计了符合i e e e 8 0 2 3 协议的m a c - i p 核，为以后 符合实时同步网络的m a c i p 核的开发打下了坚实的基础。并对顶层模块、发送 模块，接收模块、姒c 控制模块以及物理层和主机( m c u ) 的接口以及c r c 、c s m a c d 、 h a s h 表等算法进行了详细说明。 具有以太网通讯能力的控制模块是开发工业以太网控制系统的基础，本文 以基于实时同步网络的电机控制模块为例，详细地介绍了电源电路设计、以太网 p h y 接口设计、s p i 总线扩展接口设计、控制单元( m c u ) 、f p g a 开发以及电机控 制接口等，并给出了f p g a 中q e p 电路设计，说明了具有网络功能的控制模块的 开发方法。并将开发的m a ci p 核经编译综合后，下载到该电机控制模块中，经 测试无错包、丢包现象，验证了该实时同步网络的开发的正确性。 最后对全文进行总结，并对实时同步网络下一步的研究工作如控制器端实时 网络应用程序的解决方案、设备互操作性及应用层协议兼容性研究、组态应用软 件的开发、开发基于该实时同步的具体应用等提出了自己的设想。 关键词：工业以太网；实时同步网络；f p g a ；m a c ；运动控制网络 山东大学硕十学f 7 ：论文 a b s t r a c t e t h e r n e th a sb e e nw i d e l ya c c e p t e di ni n f o r 【i l a t i o nd o i l l 8 i n i t i sp o s s i b l e t ou s ee t h e r n e ti ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s i n d u s t r i a le t h e r n e ti sa k i n do ff i e l db u st e c h n 0 1 0 9 yw h i c ha p p l i e se t h e r n e ti ni n d u s t r i a lf i e l d e n v i r o n m e n t e t h e r n e t 咖s tb ei m p r o v e di no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fi n d u s t r i a lc o n t r o ls v s t e m s i th a sm a n ym e r i t ss u c ha sl 佣i n s t a l l a t i o n c o s t ，h i g hc o m m u n i c a t i o ns p e e d ，s u p p o r t i n gv a r i a b l es e r v i c e sa n dl a r g e c u s t o m e rq u a n t i t y h o w e v e ri n d u s t r i a le t h e r n e ti si ni t sd e v e l o p i n gs t a g e ， t h e r es t i l le x i s t sf l a w st h a ti du n s u i t a b l ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ： 1 a c ko fd e t e 玎n i n i s ma n dr e a l t i m ep r o p e r t y ，n ou n i f i e da p p l i c a t i o nl a y e r p r o t o c o la n d1 a c ko fs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nn e tn o d e s i tc a nb ef o u n dt h a tt h em o ti o nc o n t r 0 1n e t w o r ks y s t e mh a st h er e q u i r e m e n t s o ft h eh i g hp e r f o r m a n c er e a l 一t i m ed a t at r a n s i t i o na n df a s ts y n c h r o n o u s m o t i o nf r o mt h ea 舱1 y s i so fh i g hp e r f o r m a n c em o t i o nc o n t r o l 孤o d e l 。 i ti s s u 栅a r i z e dt h a tt h ep r e v i o u ss t u d ya b o u tr e a l 一t i m ea n ds y n c h r o n i z a t i o n 0 fe t h e r n e ta n da n a l y z e daf e wc o 呻o ni n d u s t r i a le t h e r n e t su s e df o rm o t i o n c o n t r d l o nr e f e r e n c eo ft h ei e e e 8 0 2 3d r o t o c 0 1a n dc h i n as t a n d a r d e 1 e c t r i c a le q u i p m e n t0 fi n d u s t r i a lm c h i n e s 一一s e r i a ld a t al i n kf o r r e a l t i m ec 伽n u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l sa n dd r i v e s a ni n n o v a t i v e r e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u sc o n t r o ln e t w o r ko v e re t h e r n e ti sp r e s e n t e d a b u st o p 0 1 0 9 ya n dw o r k i n gm e t h o da r ea p p l i e dt ot h en e ts t r u c t u r e a c c o r d i n gt oi s o 0 s im o d e l ，r e f e r e n c em o d e lf o rn e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n i se s t a b l i s h e d t h em e s s a g es t r u c t u r ea n dc o n t e n t so fr e a l t i 鹏a n d s y n c h r o n o u sn e t 哟r ka r ed e f i n e d t h en e t w o r kt i m i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o n m e c h a n i s ma r ea l s op r o v i d e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a c i pi sa n a l y z e da n dt h ek e yf u n c t i o n a l 皿o d u l e s o fm a c1 a y e ra r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h ei m p l e m e n t a t i o no fi e e e 8 0 2 3 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) f u n c t i o ni sd e s i g n e db a s e do na 1 t e r a sf p g a i nt h i sd i s s e r t a t i o n v e r il o gh d li su s e df o rt h i sp r o j e c t i tl a y st h e f d u n d a t i o nf o rt h ed e s i 卫nt h em a ci pt h a tf u l f i l l st h er e a l 一t i m ea n d s y n c h r o n o u sn e t w o r kp r o t o c 0 1 i ta l s od e s c r i b e st h a tt h es o l u t i o n st os u c h a st o pm o d u l e ，t xm o d u l e ，r xm o d u l e ，m a c c o n t r 0 1a n di n t e r f a c eb e t w e e n p h y ，m a ca n dh o s t 。a r i t h i e t i cf o rc r c ，c s m a c d ，a n dh a s ht a b l ei nt h i s t h e s i s c o n t r 0 1n o d ew i t hn e t 哟r ki n t e r f a c ei st h eb a s i ce l e m e n to fn e t r o r k c o n t r o ls y s t 绷w i t ha n a l y s i so fa c t u a lc o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h e m o t o rc o n t r o ln o d ei sd e v e l o p e do nr e a l 一t i m ea n ds y n c h r o n o u sn e t w o r kw h i c h i n c 】u d e sp o w e rd e s i g n ，t h ee t h e r n e tp h yi n t e r f a c ed e s i g n ，s p ii n t e r f a c e d e s i g n ，c o n t r 0 1u 兀i t ( m c u ) ，f p g ad e s i g na n dm o t o rc o n t r d li n t e r f a c e t h e q e pc i r c u i ti sa l s od e s i g n e di nf p g a t h ed e v e l o pm e t h o do fc o n t r o li i i o d e l 摘要 w i t h n e t w o r ki n t e r f a c ei si 1 1 u s t r a t e d t h ei pc o r e ss y n t h e s i sa n d a s s e l b l ea t eb a s e do nd e v e l o pt o o lq u a r t u si i a tl a s t ，d e s i g nm o d u l ei s d o w n l o a d e di nm o t o rc o n t r 0 1m o d e l i ti st e s t i f i e dt h ef e a s i b l eo ft h e d e v e l o p m e n to fr e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u sn e t w o r kb yt h et e s to fn om i s s i n g p a c k e ta n dn oe r r o rp a c k e t f i n a l l y ， i tp r e s e n t ss o m ec o n c l u s i0 _ n0 ft h ed i s s e r t a t i o na n de x p r e s s e s o p i n i o n so nf u t u r ew o r ka b o u tr e a l 一ti m ea n ds y n c h r o n o u sn e t w o r k i t i n c l u d e st h es o l u t i o no fh o wt od e v e l o dr e a l t i m es o f t w a r ei nt h e c o n t r 0 1 l e r ， d e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t yt e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o nl a y e r p r o t o c o lc o m p a t i b i l i t y ， t h ed e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o na p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n d t h ed e v e l o p m e n to fa c t u a la p p l i c a t i o no b j e c tb a s e dr e a l t i m e a n ds y n c h r o n o u sn e t w o r k 。 k e y 霄o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ：r e a l 一t i m ea n ds y n c h r o n o u sc o n t r 0 1n e t w o r k f p g a ：m a c ：m o t i o nc o n t r o ln e t w o r k 出东大学硕十学侥论文 竞争力。 ( 3 ) 系统易于集成和扩展 由于以太网技术被大多数的设备制造商所支持，且具有标准的接口，系统集 成和扩展更加容易。 ( 4 ) 易于实现设备问的互操作 多种现场总线技术并存所面临的一个重要问题是总线间的互操作。由于各现 场总线技术都使用专用协议，总线间的互操作面临协议问的转换问题。这不但会 增加控制系统的复杂性，而且会影响系统的实用性。而采用工业以太网则可以避 免复杂的协议转换问题，便于实现设备间的信息沟通，使得设备间互操作更加容 易。 ( 5 ) 具有较强的可持续发展能力 由于以太网技术的广泛应用，其发展受到越来越多的重视，各开发商在其上 投入大量人力物力。随着信息技术的发展，企业的生存与发展更多地依赖于企业 的综合自动化信息网络，这会促进工业以太网技术不断地持续向前发展。 将以太网技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在 将以太网技术引入到控制级通信的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求， 如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必须对普通的办公室以太网做出调整和 补充，以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业以太网。 目前，在控制级通信网络领域中，工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和 接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通信网络带来的便利和收益。尽管如此， 工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍 通信的实时性和确定性。在现场级网络中传输的往往都是工业现场的i o 信号以及控制信号，从控制安全的角度来说，系统对这些来自于现场传感器的 i o 信号要能够及时获取，并及时做出响应，将控制信号及时准确地传递到相应 的动作单元中，因此，现场级通信网络对通信的实时性和确定性有极高的要求。 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通 信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间 通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备问通信提供了技术可能。现 在国内外主要有几个比较流行的工业以太网络，分别是e t h e r c a t 、e t h e r d e t i p 、 h s e 、p r o f i n e t 、d b u s t c p 、p 。w e r l i n k 、s e r c o si i i 、s y n q t 以及国内的 e p a 等。 e t h e r c a t ( e t h e r n e tf o ra u t o 唿t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ) e t h e r c a t 是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公 司( b e c k h o f fa u t o 硼a t i o ng m b h ) 研发。e t h e r c a t 为系统的实时性能和拓扑的灵 活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。e t h e r c a t 的特点还包括高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议( s i l 3 ) 。 e t h e r c a t 是i e c 规范( i e c p a s6 2 4 0 7 ) ”1 。 e t h e r c a t 技术突破了接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制 到各个设备的技术。e t h e r c a t 从站设备在报文经过节点时读取相应的编址数据。 同样输入数据也在经过时插入到报文中。整个过程只有几纳秒的时间延迟。所以 与其他以太网解决方法相比，性能比得到了提高。在网络段的最后一个模块结束 了整个数据传输工作，形成一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的 协议相兼容，工作于全双工传输，提高了传输的效率。每个装置又将这些以太网 协议转换为内部的总线协议。e t h e r c a t 是用于过程数据的优化协议e t h e r c a t 协 山东大学硕士譬俜论文 的结构与m o 曲u s t c p 的信息结构的结合。m o d b u s t c p 是m o d b u s 协议的分支， 是由m o d i c o n 开发的。1 9 9 9 年公布了其规范，并开始用在以太网上，2 0 0 4 年开 始，m 0 d b u s t c p 成为p a s 文件。m o d b u s t c p 基于以太网和t c p i p 技术，定义 了一个简单的开放式又广泛应用的传输协议。m o d b u s t c p 与0 s i 七层参考模型 相对应，在传输层采用标准的t c p u d p 协议，网络层采用i p 协议，数据链路层 和物理层符合i e e e 8 0 2 3 规范。 e t h e r n e tp o 胃e r l i n k e t h e r n e tp o w e r l i n k 最初是由奥地利b e r n e c h e r + r a i n e r 控制公司开发“， 在2 0 0 2 年4 月公布了e t h e r n e tp o 霄e r l i n k 标准之后，其他公司共同成立了e p s g 协会( e t h e r n e tp o w e r l i n ks t a n d a r d i z a t i o ng r o u p ) 。多冬同来季匡厂。e t h e r n e t p o w e r l i n k 的技术和应用。其主要的成员有h i r s c h 腿n n ，l e n z e ，k u k a ，z u e r i c h u n i v e r s i t y 等等。其主攻方向是同步驱动和特殊设备的驱动要求等。在e t h e r n e t p o w e r l i n k 中，以太网协议常规的第三层i p 、第四层t c p 、u d p 成为e t h e r n e t p o w e r l i n k 的栈，进行非同步数据的传输，而对快速周期性数据传输建立一个所 谓的数据传输栈。e t h e r n e tp o w e r l i n k 栈完全控制了网络的数据交通( t r a f f i c ) ， 实际上是应用时间槽( s 1 0 t ) 通讯网络管理( s c n m ) 功能并提供了实时性，每个 设备具有严格的时间限制的通行权利，可以在网络中进行数据交换，在数据交换 每个时间内只允许一个站可以获取信息，这样避免总线传输产生的碰撞问题，因 此实现了传输时间确定。s c n m 的方法不仅能给i s o c h r o n 数据提供不同的分时段， 而且也可给非同步数据传输过程提供公共的等分时段。p o w e r l i n k 的第二文本的 通信和设备描述是根据c a n o p e n 来实现的，第三文本是根据i e e e l 5 8 8 来完成同 步机制。 s e r c 0 si i i s e r c o s 是s e r i a lr e a l t i m ec o 咖u n i c a t i o n ss y s t 鲫的缩写，是一种连接运 动控制、驱动器、i o 模块和传感器的数字运动控制总线。它是一个开放的控 制器智能数字设备接口，其设计目标是用于实时环境下的标准化闭环数据的高速 串行通信。s e r c o s 接口是实时的通信系统，它定义了标准化的物理层，提供了 5 0 0 多个描述驱动器和控制之问交互的参数，独立于任何制造厂商。它提供了高 级的运动控制能力，内含用于i o 控制的功能，使机器制造商不需要使用单独的 i o 总线。s e r c o s 在1 9 9 5 年成为i e c 6 1 4 9 l 标准。 s e r c o si i i 是s e r c o s 接口的最新版本，使用了工业以太网作为传输机制， 并使用了双绞线或光纤做物理介质。与其他的实时以太网定义新的实时和同步方 案不同，s e r c o si i i 仍然利用了第一代和第二代s e r c o s 的工作机制。即基于硬 件的同步、时间片机制来消除冲突、高效的协议以及可传送实时和非实时数据。 s e r c o si i i 添加了一个i p 通道，使用标准的以太网帧传送非实时数据。在界面、 同步化和消息结构上保持了对之前版本的兼容性。它保留了描述实时运动和i 0 控制的参数集合。s e r c o si i i 接口具有以下优势：兼容以前版本以保护投资、 连接的硬件成本降低到了模拟接口的水平、集成i p 协议、支持从节点间相互通 信、运动控制同步、安全性以及容错能力。 s y n q n e t s y n q n e t 是由美国的m o t i o ne n g i n e e r i n g 公司开发“，现已被安川公司、 a d v a n c e d t i o nc o n t r o l 公司、d a n a h e rm o t i o n 公司、松下公司、g 1 e n t e k 公 司、s a n y o 瞻n k i 公司以及t r u s ta u t o m a t i o n 公司采用的一种商业的l o ob a s et ( i e e e 8 0 2 3 ) 网络。s y n q n e t 是为支持高性能中央控制系统而专门设计的，并 第2 章- 业以太网的实时同步性分析 第2 章工业以太网的实时同步性分析 2 1 运动控制系统模型与分析 运动控制系统的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字， 直到基于p c 的伺服控制网络( p c b a s e ds s c n e t ) 系统和基于网络的运动控制的发 展过程，每个过程的发展都在很大程度上促进了运动控制系统的发展“”。 为了适应快速变化的市场需求，运动控制系统必须具备开放性、柔性和可重 构性等特点。网络化控制结构的提出正适应了这一趋势。网络化运动控制的关键 是运动控制网络。多轴同步运动控制系统需要在运动控制器和各运动轴驱动器之 间高频率、无抖动地交换控制和传输数据，以保证加工的高速度和高精度。由于 高速以太网具备高带宽、低成本、开放性好、技术成熟等特点，有望成为未来高 速运动控制的网络标准。 2 1 1 高性能运动控制系统模型 高性能运动控制系统基于许多关键技术组件，这些组件可以以一种集成方式 协同、无缝工作。一套完美的控制系统必须可将理想运动曲线转变成一根或者多 根伺服轴的运动中。要达到这种要求，通常需要采用某些形式的运动学模型，将 xyz “空间”坐标轴转化成机器坐标轴或“联合”坐标轴。此外，应对任何机 械缺陷( 例如，非线性或轴交叉联轴节的影响) 进行补偿，以优化机器性能。高 性能运动控制的控制结构如图2 1 所示。 离性蘸控骞i 系绕 图2 1 高性能运动控制的控制结构 运动学和补偿技术并非全新的概念，二者均利用一台中央运动处理器，该处 理器将根据可产生多个输出的多个输入，执行快速而精确的矩阵计算。术语“多 重输入输出( m i m o ) ”通常用于描述此种普通等级的控制系统和软件控制模型。 根据机器制造商的专用技术和应用的不同，输入、输出和矩阵计算的精确类 型会略有差异。无论最终软件控制模型如何，总伺服周期时间的最小化都是非常 重要的。周期时间越短，则控制系统的控制精度越高。对于快速“点到点”移动 或精确路径运动，在机器性能中，周期时间是一个重要的因素。现代控制系统可 接收从每根轴至每台电机的目标数据多重控制信号输入和多重反馈输入( 例如实 8 第2 章下业以太网的实时同步性分析 x 偏置 偏置 a 上b c 图2 3 在一个二维圆形内插和直线上所示的抖动与偏置的影响 2 2 工业以太网的实时性研究 2 2 1 以太网通信的不确定性 以太网是指o s i 参考模型中的物理层和数据链路层规范，相当于i e e e 8 0 2 3 规范“。在i e e e 8 0 2 3 规范中，数据链路层被分为l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层“”。m a c 予层采用载波侦听冲突检测 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ， c s m a c d ) 1 6 1 控制网络节点对物理信道的访问。如果某个节点要访问物理介质，首先必须“侦 听”( c a r r i e rs e n s e ) 在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲， 等待一个i p g ( 9 6 b i t ) 时间后便立刻发送信息帧。如果有多个节点同时发送信 息，此时就会发生冲突。c s m a c d 协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操 作，直到该信息帧成功发送或重传次数n 达到上限( a t t e m p tl i m i t ) 而终止发 送。每次检测到冲突，c s m a c d 采用二进制指数退避( b i n a r ye x p o n e n t i a l b a c k 一0 f f ，b e b ) 算法随机地计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。 帧重传时延的大小为时隙时间( s l o t t i m e ，5 1 2 b i t 的传输时间) 的整数倍r ，r 为随机整数，其取值为： 0 = r 3 t 。，t 。为c 眦( 或c h b ) 的高电平或低电平持续时间。 hh m 蔓 ! 卿二j 图5 1 2 数字滤波器简图 其中状态机状态转换方式如图5 1 3 所示。其中i n p u t 输入变量为a b ，状态参 数s 1 s 2 s 3 s 4 ，s l = a ，s 2 = b ，s 3 = s 1 s 2 s 4 a b + s l s 2 s 4 a b ， s 4 = s 1 s 2 a + ( s 1 s 2 ) s 4 。其中s 3 位高电平，计数器启动，一个时 钟脉冲后，状态机退出计数状态，进入等待状态。s 4 位用来选择计数器的递增和 递减操作，增( 减) 控制必须在计数器启动至少四个脉冲之前进行设置。 山东大学硕士学佛论文 5 3 设计验证 图5 1 3 状态机状态转换图 将第四章设计的以太网m a c 经过功能仿真、逻辑综合、时序仿真后下载到开 发的电机控制模块的f p g a 中，上位机用s n i f f e r 持续发包，d s p 从f p g a 中读取收到 的数据通过串口发送到上位机，上位机用超级终端查看数据，结果表明数据收发 正确，无错包、丢包现象，满足设计要求。图5 一1 4 为上位机发包收包界面。 图5 一1 4 上位机发包收包界面 萋蔫卵墅鼋馐兰錾攀蠢 囊? 甬瑾蠢薹薹黜薹鋈鬟j 囊蓄蠢幕謇鋈委 圣 耋羔i ；l l i ；! 冀髯幽掣矧戮霎藿，妻妻野￥：布茂l 妻l $ 篓；l ! 耋麓蓉随甥丽 葭h 硒撕目醛j 秆葡耗确臻酮甾析榉薪耀捶。移i i i ：0 茬细谎啊了具貂 擎够明” 霹崂耕翳二殴材姜霉毒| | t 蠢! ： 甜始骼豢氧搿嘿糯，豁驺鞋￥点蜀；嚣砧槲煺箍 鲣黟鞴善孺删单压。貔掣吞巽爨纠= 山东大学硕十学位论文 求，周期时间要求严格，仅靠实时操作系统难以保证，现有的解决方案为控制器 端采用专用网卡通过硬件来周期性地发送控制数据来实现的。我们通过在网络配 置阶段选定一个网络节点来负责严格的定时和周期信号发送的方式，在控制器的 控制数据传送到各网络节点的前提下，由网络节点产生的周期信号来通知各网络 节点进行控制数据更新。这样做的好处是控制器端不需要严格的定时，采用标准 网卡，选用实时操作系统或内核驱动开发等手段，保证控制数据在一定的时间内 将控制数据发送到网络节点就可以了。 ( 2 ) 提出了以太网链状网络中通过网络节点间测量和修正网络传输延迟时 间，保证网络节点动作同步性的解决方法。 在以太网链状或环状网络中，目前的解决方法都是在主机端由硬件发起一个 同步广播通讯来完成同步。本系统采用标准网卡，又没有采用实时操作系统支持 下( 实时操作系统完成的周期性同步的抖动也无法满足高精度运动控制的同步要 求) ，不可能由主机端发起同步，本系统提出一种创新性的同步方法。系统在配 置阶段自动识别和指定第一个网络节点作为周期性地发送同步报文的主动节点。 主动节点根据系统配置的时间参数周期性地准确地( 取决于节点的时钟精度，可 达n s 级) 发送同步报文，控制系统只要将控制数据在同步报文发送之前准备好 送到各设备节点，就可以实现高性能的实时同步。为补偿系统传输的延时，系统 在配置阶段，测量各网络节点与最后一个网络节点的网络传输时间延迟( 包括器 件延时、传输线延时和节点时钟抖动延时) ，并以寄存器参数的形式保存在网络 节点上，其准确度可达到n s 级，主动节点根据系统配置的时间参数周期性地发 送同步报文，各网络节点在收到该同步报文时根据测得的传输延迟时间动作，实 现了各网络节点的动作同步性。 6 3 展望 本文中提出的基于标准以太网的实时同步网络要完全满足工业控制系统的 要求，除本文的研究工作外，仍有很多研究和开发工作需进行，这包括： ( 1 ) 控制器端实时网络应用程序的解决方案 目前应用程序的实时性主要靠实时操作系统来保证，常用的组合有w i n d o w s + r t x 和l i n u x + r t l i n u x ( r t a i ) 来实现应用程序的实时性，其中断延时的抖动在 1 0 多微秒，可以满足大多实时应用要求。而w i n d o w s + r t x 一套运行版的软件高达 5 0 0 0 多元，大大增加了系统的成本。w i n d o w s 作为桌面操作系统的事实标准，是 非常成熟的操作系统，具有丰富的应用支持软件以及廉价高效的软件开发工具， 并且提供了很多适合于实时应用的特性，因此研究非实时操作系统下( 如 w i n d o w sx p 、w i n d o w sn t 等) 实现实时网络应用程序的实现方法具有重要的意义。 ( 2 ) 设备互操作性及应用层协议兼容性研究 制订基于) ( m l 技术可扩展设备描述规范，解决现场总线领域设备描述规范的 兼容性问题，便于控制系统的集成和现场设备的互操作。采用x m l 对现场设备进 行描述，定义相关的标准，可以增强设备描述的可读性，同时解决了设备描述语 言的兼容性以及组态软件和设备描述文件之间接口的统一问题。而且基于x m l 的 设备描述具有很强的灵活性，既可以将描述信息直接嵌入现场设备，也可以直接 放在i n t e r n e t 上。) ( m l 作为一种标准的标记语言，用户无须专门的解释程序，只 5 8 第6 章总结与展望 需用标准的浏览器，定义相应的样式表文件，即可解读设备描述，方便用户使用。 基于) ( m l 的设备描述简化了系统的组态，并支持设备的互操作性和互换性。 当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对 象以及工程模型的应用协议。还应支持h t t p 、阿p 、t e l n e t 、s m t p 等，以便通过 互联网和企业网对设备进行监控和管理。一般存在着这样的误解，即只要采用了 工业以太网就能实现设备的互操作，事实并非如此。以太网仅仅映射到i s 0 o s i 参考模型中的物理层和数据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议却以t c p ( u d p ) i p 协议为主。由于不存在统一的应用层协议，以太网设备中的应用程 序是专用的，而不是开放的，因此设备之间还不能实现透明互访。两个设备要想 正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前， 商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是f t p ( 文件传输协议) ，t e l n e t ( 远 程登陆协议) ，s 盯p ( 简单邮件传输协议) ，h t t p ( 超文本传输协议) 等。这些 协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制现场设备之间的实时通信要求。因 此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议，实现以太网设备之间透明互 访。 ( 3 ) 组态应用软件的开发 由于网络、设备以及控制策略彼此紧密相关，故对于用户而言，最好的方法 是能够在单一的集成工程工具中完成所有这些组态。组态的根本目的是完成所需 的控制方案，如何通过配置网络控制系统中各个设备的相关参数，确定其在控制 系统中所起的作用或角色，使各个设备共同完成所需的控制方案是组态要研究和 实现的内容。组态软件的主要功能是使用户可以在一个友好的界面下完成对现场 控制设备的配置，完成一定的控制策略。应用软件功能单元的构件化、组态化机 制，使得用户可根据工作需求，构建应用系统功能和功能操作范围与良好的人机 对话的界面，实现应用的即插即用。 ( 4 ) 开发基于该实时同步的具体应用。成功的应用不但可以解决实际控制 问题，而且具有良好的示范效应，推动工业以太网的发展。 附录 附录 附表1 寄存器地址分布l 删 寄存器名相对地址宽度接入方式 描述 m o d e ro x 0 03 2 读写模式寄存器 i n ts o u r c e0 x 0 4 3 2 读写中断源寄存器 i n tm a s ko x 0 83 2读写中断屏蔽寄存器 i p g t 0 x o c3 2 读写背靠背帧间隔寄存器 i p g r lo x l 03 2读写非背靠背帧间隔寄存器1 i p g r 2o x l 43 2 读写非背靠背帧闻隔寄存器2 p a c k e t l e no x l 83 2 读写包长度( 最大和最小) 寄存器 c o l l c o n f0 x l c3 2读写冲突和重试寄存器 t xb dn 【j l l0 x 2 03 2读写发送缓冲描述符数日寄存器 c t r l m o d e r0 x 2 43 2 读写控制模式寄存器 m ii m o d e ro x z 83 2 读写m i i 模式寄存器 m i i c o 删a n do x 2 c3 2读写m i i 命令寄存器 m i i a d d r e s so x 3 03 2读写m i i 地址寄存器，p f i y 及其寄存器地址 m i i t xd a t a0 x 3 43 2 读写m i i 发送数据寄存器，发至p h y m i i r xd a t a0 x 3 83 2 读写m i i 接收数据寄存器，从p h y 收 m i i s t a t u s0 x 3 c3 2 读写 m i i 状态寄存器 m a ca d d r o0 x 4 03 2 读写m a c 地址寄存器。l i a c 地址的低4 字节 m a ca d d r lo x 4 4 3 2 读写m a c 地址寄存器。m a c 地址的高4 字节 h a s h o0 x 4 83 2读写 i a s h o 寄存器 h a s h l0 x 4 c3 2 读写h a s h l 寄存器 t xc t r l0 x 5 0 3 2 读写发送控制帧寄存器 附表2 模式寄存器m o d e r ，r e s e t 值o 如0 0 0 a 0 0 0 ，在t x e n 和1 1 ) ( e n 位设置之后就不予改动该 寄存器 b i t 位接入描述 3 1 1 7r w保留( 填入0 ) 1 6r wr e c s m a l l ，是否接收小于帧m i n f l 的帧。o 为拒绝，1 为接受 1 5r wp a d ，是否填充过小帧。o 不允许；1 允许填0 知道最小帧限制大小 1 4r 霄 删g e n ，是否接收过大帧。0 ，超过m a ) ( f l 的部分则丢弃：l ，允许接收 1 3r wc r c e n ，是否c r c 。0 ，发送模块不添加c r c ；1 ，给所有的c r c 添加c r c 1 2r w d l y c r c e n ，延迟c r c 校验。o ，普通操作；l ，c r c 在s f d 后第4 字节开始 1 1r w 保留 1 0r wf u l l d ，是否全双工模式。0 ，半双工模式：1 ，全双工模式 9r 霄e x d f r e n 是否允许超时延期。o ，当超延时，放弃该帧；1 ，等待不确定载波 8r wn o b c k o f ，不退回。o ，正常操作使用退回算法：1 ，冲突后l i a c 立刻重传 7r w l o o p b c k 。循环回转。o ，正常操作；l ，发送循环回至接收 6r wi f g ，接收帧的帧间隔。0 ，正常操作接收帧需要问隔；l ，所有帧无需间隔 5r 霄p r o ，混杂地址。0 ，对收到的帧检查目的地址；1 ，不管地址直接接收帧 4r w i a m 个人地址模式。0 ，正常操作，接收检查物理地址；1 ，使用哈希表检查 6 0 附录 附表7 ，帧间隔寄存器i p g r 。r e s e t 和默认值o x 0 0 0 0 0 0 0 1 2 b i t读写描述 3 l 一7 保留( 填入o ) 6 一or w i p g r 2 ，非背靠背传输帧间隔定时器2 。默认值为0 x 1 2 ，等同于9 6 b i t 帧间隔 附表8 ，包k 度寄存器p a c k e t l e n ，r e s e t 值0 如0 4 0 6 0 0 0 b i t 读写描述 3 l 一7r 胃 m i n f l 。最小包长度。以太网规定为6 4 字节。若允许接收过小帧，触发r e c s l l a l l 位改变该寄存器大小；若要发送最小帧，触发p a d 位或者改变该值大小 6 0r 霄 腿x f l ，最大包长度。以太网规定为1 5 1 8 字节。为了给v l a n 标号留额外空间， 默认该值为1 5 3 6 字节。可以触发删g e n 位来修改该值以支持更大的包 附表9 ，冲突和重试配置寄存