内容发布更新时间 : 2024/5/5 3:59:22星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

语言实现的基于 FPGA 的 MAC，同时 POWERLINK 又提供了一个用 VHDL 语言实现的

openHUB，支持 16 个端口。如果用户的网络需要做冗余，如双网、环网等，就可以直接在 FPGA 中实现，易于实现且成本很低。此外由于基于 FPGA 的方案，从 MAC 到数据链路层 （DLL）的通信，POWERLINK 采用了 DMA，因此速度更快。

2.4 POWERLINK 的数据链路层

POWERLINK 的数据链路层：也就是 POWERLINK 的核心，主要包括如下功能：

1. 2. 3. 4.

构建/解析数据桢、对数据桢定界、网络同步、数据桢收发顺序的控制。 传输过程中的流量控制、差错检测、对物理层的原始数据进行数据封装等。 实时通信的传输控制。 网络状态机。

在 POWERLINK 网络中，至少有一个设备做为主站（MN），其他的设备做为从站(CN)。 每个从站设备都有唯一的节点号（NodeId），该节点号是用来区分网络中的设备，取值范围 为 1-239。主站设备（MN）的节点号为 240，主站的作用是为了为协调各个从站，合理分配 总线使用权，避免冲突，实现实时通信。

POWERLINK 的实时通信机制：POWERLINK 有两种通信机制，基于请求/应答模式和

基于定时主动上报模式（PRC 模式）。

2.4.1 基于请求/应答模式

该种模式主站（MN）轮询所有从站（CN）。首先主站发送 Preq 数据帧（PReqCN1）给 1 号从站，该数据帧是单播的，只有 1 号节点接收，其他节点不接收。在该数据帧中包含了

主站（MN）要发送给 1 号从站的数据。当 1 号节点收到来自主站的 Preq 数据帧，就会上报 一个 Pres 数据帧（PresCN1），该数据帧是广播的，除了主站可以接收到以外，网络中其他 任何一个从节点都能收到。主站（MN）与 1 号从节点(CN1)一来（Preq）、一往（Pres），就 完成了一次信息交互；接下来主站（MN）与 2 号从节点(CN2)的信息交互，以此类推，将 网络中所有的节点扫描一次，称为一个循环周期。假定循环周期为 200us，那么网络中的每 个设备每 200us 就有一次收取/发送数据的机会，而且不会与其他设备造成冲突。

该种模式下的性能：完成一个站的通信所需要的时间，取决于物理层的传输速度和需要

传送的数据包大小。

假定物理层为 100M 以太网，该种网络的传输速度为 12.5bytes/us，假定数据包大小为

64bytes（每个 Preq 和 Pres 数据帧最大可传输 1490bytes 的数据），那么完成一个站的通信所

需要的时间：T=Tpreq+Tgap+Tpres

Tpreq：主站发送 Preq 数据帧给从站，时间长度为 64/12.5=5.12us Tpres：从站发送 Pres 数据帧给主站，时间长度为 64/12.5=5.12us

Tgap：Preq 数据帧与 Pres 数据帧之间的时间间隙，约为 2us 因此完成一个站的通信，总时间长度为 12.24=5.12+2+5.12

2.4.2 PRC 模式

在基于请求-应答模式（PREQ-PRES）通信时，从节点什么时候上报自己的数据，取 决于主站什么时候发生请求（PREQ）给它。该种模式省掉了主站的 Preq 数据帧，取而代之

的是一个挨一个的 Pres。有人会问各个从站如何知道自己应该在什么时候上报数据？是否会 出现两个或多个从站同时上报数据？这样岂不是发生了冲突？

该种模式下，POWERLINK 主站在开始通信之前，会去配置从站的参数，告诉每个从

站应该在循环周期的哪一时刻上报。举个例子：假定我们有 3 个从站，主站可以通过配置，

让 1 号从站在收到 PresMN 后的第 5us 上传 PresCN1 数据帧，而 2 号从站在收到 PresMN 后

的第 15us 上传 PresCN2 数据帧，而 3 号从站在收到 PresMN 后的第 22us 上传 PresCN3 数据

帧。这样就避免了冲突。因为 POWERLINK 是基于时间槽的通信，而且 POWERLINK 支持 1588 分布式时钟协议，每个 POWERLINK 节点都有一个时钟，因此 POWERLINK 很方便实 现这种通信模式。

在该种模式下的性能：完成一个站的通信所需要的时间，取决于物理层的传输速度和需

要传送的数据包大小。

假定物理层为 100M 以太网，该种网络的传输速度为 12.5bytes/us。假定数据包大小为

64bytes（每个 Preq 和 Pres 数据帧最大可传输 1490bytes 的数据）。那么完成一个站的通信所

需要的时间 T=Tgap+Tpres

Tpres：从站发送 Pres 数据帧给主站，时间长度为 64/12.5=5.12us

Tgap：Preq 数据帧与 Pres 数据帧之间的时间间隙，约为 2us 因此完成一个站的通信，总时间长度为 7.12=5.12+2 这种通信比基于请求/应答模式至少能提高 30%的效率。 PRC 模式的通信过程： 1.

主站发生广播数据帧 PresMN，主站把多个从站需要的数据在该数据帧里打包，然 后以广播的方式发送出去，各个从站根据配置信息，从该数据帧中取走相应的数据。

2.

该数据帧为标准的以太网数据帧，最大有效数据容量为 1490Bytes。

从站接受到 PresMN 以后，根据主站配置的上报时间，来决定什么时候该上报 PresCN，当定时器到了上报时间，从站就以广播的方式上报 PresCN。该数据帧包

3.

含了主站以及其他从站需要的数据信息。

主站和从站是支持 PRC 模式，还是支持请求/应答模式，是由它自身的参数决定的。 可以通过参数设置，在一个周期内，让某些从节点采用 PRC 模式，而另外一些从

节点采用请求/应答模式。这种搭配使得网络容量可以灵活搭配。

2.4.3 多路复用

在一个系统中，通常有多种不同类型的设备，如有伺服驱动器、I/O、传感器、仪表等。 不同种类的设备对通信周期和控制周期的要求往往不同。假设现在有 3 种设备：伺服驱动器、

I/O、传感器。伺服的控制周期为 200us，而 I/O 的控制周期为 1ms，传感器却不定时的上传 数据。面对如此应用，POWERLINK 如何来解决？

首先解决伺服的 200us 和 I/O 的 1ms 的配置。因为两种设备需要的循环周期不同，如果

将循环周期设为 200us，伺服没有问题，可是 I/O 却会由于通信过于频繁而反应不过来；如

果将循环周期设为 1ms，那么伺服会由于控制周期太长，而达不到精度的要求。

POWERLINK 采用多路复用来解决这个问题。在这里，可以将循环周期设置为 200us， 将伺服配置成每个循环周期都参与通信，将 I/O 配置成每 N 个循环周期参与一次通信，N 是

一个参数，可以设置为任意整数（在这里 N 的值为 5）。这样就可以达到伺服的通信周期为 200us，I/O 的通信周期为 200 x 5=1ms。

如下图所示，有 11 个节点要通信，其中 1、2、3 这三个节点每个循环周期都通信；而

4、5、6、7、8、9、10、11 这 8 个节点为复用节点，这些节点每 3 个循环周期才通信一次。

这样就可以把快速设备和慢速设备经过合理配置达到系统最优。

2.4.4 异步阶段

以上提到了三种不同设备，伺服的控制周期为 200us，而 I/O 的控制周期为 1ms，传感 器却不定时的上传数据。上一节讲述了快速设备（伺服）和慢速设备（I/O）的合理配置。

接下来讲如何配置不定时上传数据的设备（传感器），这种类型的设备称为异步设备。

一个完整的 POWERLINK 周期分为两个阶段：同步阶段和异步阶段。

同步阶段用来传输周期性通信的数据；异步阶段用来传输那些非周期性的通信数据。非 周期通信数据包括：1.异步设备的通信数据，如这里所说的传感器；2.一些设备偶尔需要传

送的参数，例如在某些应用场合伺服周期性传输位置数据，但可能偶尔传输一下扭矩或者温 度数据，这些非周期性传输的数据， 就叫异步数据。这些异步数据会在通信周期的异步阶 段来传送。

从 SoC 数据帧开始到 SoA 数据帧的时间段为同步阶段，SoA 和 AsyncData 为异步阶段。

SoA 数据帧包含了请求哪个从站上报数据，而 AsyncData 数据帧为该从站上报的数据。在每

个循环周期，只能有一个从节点上报异步数据，如果有多个从节点需要异步通信，那么需要 在多个周期内完。

2.5 POWERLINK 的同步机制

POWERLINK 支持 1588 分布式时钟协议，每个循环周期的开始，主站都会广播一个 SoC 数据帧到网络上，该数据帧包含了两个重要信息：网络的绝对时间和相对时间。

绝对时间信息：年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒、纳秒。如下所示：

相对时间信息：从网络开始工作，到现在一共运行了多少 us。

SoC 数据帧有两个功能：时钟同步和动作同步。 时钟同步：网络中的节点需要有一个统一的网络时间

利用网络时间来同步网络中所有设备的分布式时钟，让网络中所有节点的时钟有一 个共同的基准。POWERLINK 主站（MN）在每个循环周期的开始将 SoC 数据帧广播到

网络上，该数据帧包含了网络时间信息，网上的各个从节点可以将这个时间作为统一的 网络时间。

动作同步：网络中的节点需要同时去做一件事情

在 POWERLINK 协议中有两种方法去触发一个同步的事件：1.通过从节点自己的时 钟触发;2.通过 SoC 数据帧触发。这里主要讲通过 SoC 数据帧触发同步事件的原理。

在 POWERLINK 数据链路层里，每当收到了 SoC 数据帧，会触发一个同步的回调

函数，用户可以将同步执行的程序写在该函数里，这样就可以执行同步动作。举例来说，

假设有一个运动控制器，要控制 10 台伺服做同步运动，例如需要 10 台伺服同时启动。 每个循环周期，运动控制器（作为 POWERLINK 的主站）将 10 台伺服所需要的新的位 置信息依次传给各个伺服。每个伺服收到新数据的时间是不同的，第一个和最后一个得 到位置数据的时间可能会差 100 多 us。如果收到新数据，伺服就开始启动，那么就会 出现这种情况：第一个伺服已经开始运转，而最后一个伺服还没有收到数据，这显然不 是我们想要的结果。因此我们需要一个同步信号，使所有的伺服都得到新数据以后，同 时启动。这个同步信号就是 SoC。

主站在上一个循环周期结束（即下一个循环周期开始）时广播一个 SoC 数据帧，基本 上所有的从站会同时收到这个数据帧。该信号触发一个同步回调函数或者硬件中断，来处理

同步事件。因为在 SoC 数据帧之前，每个从站都已经从主站（控制器）那里得到了新的位

置信息，因此 SoC 信号触发的同步事件中可以同时启动，运行到设定位置。

如果是星形拓扑，各个从站收到该信号的时间差取决于线缆的长度，电信号可以认为是

以光速在导线中传播，因此用户可以计算出该时间差。可近似为 1 米为 3.3ns。这个级别的

时间差基本上可以忽略。

如果你采用的是菊花链连接，那么没经过一级 hub 会有 40ns 的延迟，再加上线缆的延

迟，第一个从站和最后一个从站在接受到 SoC 信号的时间差可能会达到几百纳秒甚至微秒，