Ethernet Powerlink調(diào)度機制與實時通信剖析

江 杰 趙鳳鳴 陳洪翰 朱高建

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院1，內(nèi)蒙古 包頭 014010;西南交通大學信息科學與技術(shù)學院2，四川 成都 610031)

0 引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，現(xiàn)場總線已無法滿足高速、實時、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。將實時以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場是大勢所趨，它在保障實時性的前提下，能夠提供大容量、高速率數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足工控領(lǐng)域日益增長的通信要求。目前，實時以太網(wǎng)主要有EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP 及 Ethernet Powerlink(EPL)［1］等。

EPL是近期很流行的實時以太網(wǎng)技術(shù)，已有學者及工程技術(shù)人員對其進行研究與應(yīng)用。Gena［2］和Seno［3］等建立了EPL仿真模型，其報警信息最大延遲低于10 ms，驗證了 EPL的實時性。Seno［4］等對 EPL的兩種調(diào)度周期進行了仿真分析。Maestro［5］等用EPL代替并改造傳統(tǒng)以太網(wǎng)，使工業(yè)通信能耗降低70%。許洪華［6］等描述了EPL的特點。然而目前EPL的相關(guān)文獻及研究仍然較少，有必要對其進行更深入的研究。下面對EPL調(diào)度機制和實時數(shù)據(jù)通信進行分析。

1 EPL調(diào)度機制

EPL完全建立在快速以太網(wǎng)(IEEE 802.3標準)［7］的基礎(chǔ)之上。傳統(tǒng)以太網(wǎng)以載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法(carrier sense multiple access/collision detect，CSMA/CD)為基礎(chǔ)，發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑，若空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，邊發(fā)送邊繼續(xù)偵聽，若偵聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待一段隨機時間后重發(fā)。CSMA/CD對沖突的處理方式使得以太網(wǎng)傳輸具有非確定性和非實時性，這對于工業(yè)自動化應(yīng)用是不可接受的。

為了避免數(shù)據(jù)沖突，并且盡可能有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，EPL在時間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的信息交換機制。通過在CSMA/CD基礎(chǔ)上開通旁路，引入時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理機制(slot communication network management，SCNM)，從而繞過 CSMA/CD，有效地保證了數(shù)據(jù)通信的實時性、確定性，并能夠與快速以太網(wǎng)完全兼容。

1.1 SCNM 機制原理

SCNM機制由一個具有網(wǎng)絡(luò)管理功能的設(shè)備即管理節(jié)點 (managing node，MN)對網(wǎng)絡(luò)進行管理，其他所有節(jié)點作為控制節(jié)點 (controlled node，CN)運行。MN的作用是協(xié)調(diào)調(diào)度各個CN、合理分配總線使用權(quán)、避免沖突、實現(xiàn)實時通信。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都由MN配置。SCNM機制規(guī)定一個EPL網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個激活的MN，如果需要也可以設(shè)置冗余的MN。

SCNM機制有兩種實時通信模式:請求/應(yīng)答模式(PReq/PRes模式)和定時主動上報模式(PRC模式)。其中，請求/應(yīng)答模式是EPL的經(jīng)典調(diào)度模式，本文針對這種模式進行分析。

①SCNM組織節(jié)點間通信

SCNM機制采用調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)交換定時方式，并融合輪詢和時隙對節(jié)點間的通信進行組織，使每個節(jié)點在一個明確定義的時間間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。SCNM機制如圖1所示。

圖1中，1～n為同步時隙，網(wǎng)絡(luò)中每個被激活的同步CN都占用其中的一個固定時隙，并且只能在該時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)，確保每一時刻只有一個CN能獲取網(wǎng)絡(luò)媒介的訪問權(quán)，有效地避免了沖突;a為異步時隙，用于異步數(shù)據(jù)的傳輸。

②SCNM組織數(shù)據(jù)交換定時

SCNM機制對循環(huán)同步和時間進行控制。MN在固定的時間間隔提供統(tǒng)一的同步信號，所有CN都根據(jù)該同步標志調(diào)整自己內(nèi)部的任務(wù)周期，這樣就能保證時間控制精度在 1 μs［8］之內(nèi)。

1.2 EPL 循環(huán)周期

EPL是確定性的實時以太網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)SCNM機制，MN為網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點預先規(guī)劃并組織了一個時隙分配表，這些時隙就組成了EPL循環(huán)周期，如圖2所示。

EPL循環(huán)周期由同步段和異步段組成，其中，同步段用于調(diào)度等時同步傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，異步段用于調(diào)度實時性要求不高的異步數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行縮減的EPL周期(只包含異步段)，由MN發(fā)布配置信息。配置完成后，執(zhí)行EPL循環(huán)周期。EPL循環(huán)周期執(zhí)行過程包含以下兩部分。

①同步段

MN發(fā)布SoC幀(start-of-cycle)同步所有節(jié)點，CN收到SoC后進入數(shù)據(jù)通信等待狀態(tài)。MN根據(jù)預先設(shè)置的時隙分配表輪詢各個CN。首先，MN發(fā)送PReq到第一個CN，該CN收到PReq后以PRes作出響應(yīng)，并以廣播方式發(fā)送，允許網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點對該幀進行監(jiān)控并接收;然后發(fā)送PReq到第二個CN。依次類推，直至所有被激活的同步CN被輪詢完畢。

②異步段

MN發(fā)送一個SoA幀(start-of-asynchronous)，標志同步傳輸?shù)慕Y(jié)束和異步傳輸?shù)拈_始。如果CN要發(fā)送異步幀，則在它發(fā)送的PRes幀或StatusRes幀中通知MN。MN根據(jù)優(yōu)先級，在所有發(fā)送異步請求的節(jié)點中選擇一個節(jié)點(包括MN)，并在MN發(fā)送的SoA幀中帶上Requested Service Target的標志，指出允許哪個節(jié)點發(fā)送異步幀。

通常異步段只允許一個節(jié)點發(fā)送一個異步幀。若節(jié)點數(shù)據(jù)量過大，超過了一幀的處理能力，那么發(fā)送者可以將數(shù)據(jù)分配到多個循環(huán)周期的異步段進行傳輸。如果沒有異步請求，異步段將以SoA終止。由于EPL與快速以太網(wǎng)完全兼容，因此異步段允許發(fā)送標準以太網(wǎng)幀。

由此可見，在MN統(tǒng)一調(diào)度下，MN和CN之間，以及CN之間的通信周期性地進行，保證了同步通信和異步通信的同時執(zhí)行，并且互不影響。因此，實時數(shù)據(jù)通信和標準的IP通信(TCP、UDP等)都可以通過EPL網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

1.3 多路復用技術(shù)

為了提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，在節(jié)點數(shù)目較大的情況下，SCNM機制采用多路復用技術(shù)，如圖3所示，以同時支持高速設(shè)備和低速設(shè)備。

圖3 多路復用技術(shù)Fig.3 Multiplexing technology

高速設(shè)備可以在每個等時同步階段進行數(shù)據(jù)刷新，低速設(shè)備可以每隔1～n個周期刷新一次。這樣，節(jié)點可以利用多路復用技術(shù)在同步段共享時隙，既可以縮短每個EPL周期中的時隙數(shù)目，更好地利用帶寬;又能區(qū)別對待實時性強的信號和實時性弱的信號，從而提高整體效率，使EPL更靈活、更實用。

2 EPL循環(huán)周期配置

在EPL循環(huán)周期中，CN被以固定的順序輪詢。因此，在系統(tǒng)初始化階段，應(yīng)該對EPL循環(huán)周期的時隙劃分進行配置。

為了描述配置過程，假定一個網(wǎng)絡(luò)有5個同步CN，其中Node ID為11、12的CN為連續(xù)訪問節(jié)點，Node ID為13～15的CN為多路復用節(jié)點，那么同步段的時隙分配表如圖4所示。

圖4 時隙分配表Fig.4 Slot allocation table

EPL循環(huán)周期的配置實現(xiàn)主要涉及3個對象。

①對象NMT_CycleTiming_REC

在對象NMT_CycleTiming_REC中，子索引為7的子對象NMT_CycleTiming_REC.MultiplCycleCnt_U8用于確定多路復用周期的長度，即一個多路復用周期包含幾個EPL周期。其默認值為0，表示網(wǎng)絡(luò)中沒有采用多路復用技術(shù);若值為n，表示一個多路復用周期由n個EPL周期組成。n的最大值受MN設(shè)備描述入口D_NMT_MNMultiplCycMax_U8的限制。

上述網(wǎng)絡(luò)多路復用周期設(shè)置如表1所示。每個多路復用周期包含2個EPL周期。

表1 多路復用周期設(shè)置Tab.1 Configuration of multiplexing period

②對象NMT_MultiplCycleAssign_AU8

對象NMT_MultiplCycleAssign_AU8用于確定同步CN的訪問方式。同步CN既可以被連續(xù)訪問，又可以以多路復用方式被訪問。若子對象的值為0，則Node ID與該子對象索引號相等的CN為連續(xù)訪問;若子對象的值為n(n＞0)，則Node ID與該子對象索引號相等的CN以多路復用方式訪問，并在多路復用周期中的第n個EPL周期被訪問。

上述網(wǎng)絡(luò)中CN的訪問方式設(shè)置如表2所示。

表2 CN訪問方式設(shè)置Tab.2 Configuration of access mode of CN

③對象NMT_IsochrSlotAssign_AU8

對象NMT_IsochrSlotAssign_AU8用于給CN分配固定時隙，決定CN的先后訪問順序。被連續(xù)訪問的CN應(yīng)被分到該對象較低的子索引中，多路復用時隙應(yīng)以被訪問周期的升序方式映射到通信時隙中。EPL中允許存在空時隙，不被使用的時隙則跳過。

上述網(wǎng)絡(luò)中CN的時隙分配設(shè)置如表3所示。

表3 CN時隙分配設(shè)置Tab.3 Configuration of slot allocation of CN

其中，子對象0的值為5表示網(wǎng)絡(luò)中有5個同步CN;子對象1～5的值為CN的Node ID，表示該CN被分配到對應(yīng)的時隙。

3 實時數(shù)據(jù)通信解析

上文整體分析了網(wǎng)絡(luò)中MN對CN的調(diào)度機制及配置實現(xiàn)，本節(jié)分析網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間實時通信采用的通信方式。EPL中實時數(shù)據(jù)通信是通過過程數(shù)據(jù)對象(process data object，PDO)［9］執(zhí)行的。

3.1 過程數(shù)據(jù)對象

EPL應(yīng)用層遵循 CANopen［9］標準。網(wǎng)絡(luò)中 MN和同步CN的實時數(shù)據(jù)傳輸都采用過程數(shù)據(jù)對象(PDO)形式。在EPL中，PDO通信是通過 PReq和PRes在同步段執(zhí)行的。PRes以廣播方式發(fā)送，遵循生產(chǎn)者/消費者模型;PReq以單播方式發(fā)送，遵循主/從方式。

從設(shè)備角度看，存在兩種類型的PDO，分別是用于數(shù)據(jù)發(fā)送的TPDO和用于數(shù)據(jù)接收的RPDO。同步CN可支持1個有效的TPDO通道和256個RPDO通道。MN可支持256個TPDO通道和256個RPDO通道。一個PDO通道可以由一組參數(shù)(即網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù))描述。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用于描述PDO的通信屬性，提供映射版本和地址信息;在通信過程中，用于決定接收哪些節(jié)點的數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)發(fā)給哪些節(jié)點。TPDO網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的索引范圍為:0x1400h～0x14FFh;RPDO網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的索引范圍為:0x1800h～0x18FFh。

映射參數(shù)描述PDO有效載荷中的對象到對象字典入口之間的映射，決定如何解析接收到的數(shù)據(jù)幀，或如何組成要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，即確定對象字典中的對象與數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)段的對應(yīng)關(guān)系。TPDO映射參數(shù)的索引范圍為:0x1600h～0x16FFh;RPDO映射參數(shù)的索引范圍為:0x1A00h～0x1AFFh。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)成對出現(xiàn)，一一對應(yīng)。如0x14XX與0x16XX一一對應(yīng)，0x18XX與0x1AXX一一對應(yīng)，其中XX范圍從00h到FFh。

3.2 PDO 參數(shù)配置

在EPL中，一個PDO最大可以傳輸1490 B數(shù)據(jù)，突破了CANopen最大傳輸8 B數(shù)據(jù)的限制。若發(fā)送方有多個對象要發(fā)送，可以將多個對象打包到一個數(shù)據(jù)幀中，接收方根據(jù)自己的需要從數(shù)據(jù)幀中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。發(fā)送方將數(shù)據(jù)發(fā)送到哪些節(jié)點、如何將對象打包到一個數(shù)據(jù)幀中，接收方應(yīng)接收哪些節(jié)點的數(shù)據(jù)幀、如何解析接收到的數(shù)據(jù)幀，這些都由網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)的配置決定。

①CN發(fā)送網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

在EPL中，CN以廣播方式上報數(shù)據(jù)，可將所有要發(fā)送的對象打包到一個數(shù)據(jù)幀中。因此，CN只需要一個TPDO通道即可。此時，CN發(fā)送網(wǎng)絡(luò)參數(shù)0x1800h的值應(yīng)設(shè)為255，由EPL協(xié)議棧自動設(shè)置。

②CN發(fā)送映射參數(shù)配置

對于發(fā)送，映射參數(shù)解決如何打包要發(fā)送的對象。通過設(shè)置映射參數(shù)，將每一個要發(fā)送的對象與數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)段建立映射關(guān)系，把對象的值放到數(shù)據(jù)幀對應(yīng)的字段中。CN發(fā)送對象與數(shù)據(jù)幀映射關(guān)系如圖5所示。

圖5 CN發(fā)送對象與數(shù)據(jù)幀映射關(guān)系Fig.5 Mapping between transmitting object of CN and data frame

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)成對出現(xiàn)，一一對應(yīng)。因此，如果網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置為0x1800h，映射參數(shù)就必須配置為0x1A00h。配置如下。

映射參數(shù)數(shù)據(jù)解析如圖6所示。

圖6 映射參數(shù)數(shù)據(jù)解析Fig.6 Data parse of mapping parameters

③CN接收網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

EPL支持直接交叉通信，CN可接收一個或多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，因此，一個CN可有多個接收通道。例如，一個CN可以接收MN和Node ID為2的CN的數(shù)據(jù)，那么該CN有兩個接收通道，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置分別如下。

RPDO1:0x1400/0x01值為0，表示接收來自 MN的數(shù)據(jù)。

RPDO2:0x1401/0x01值為2，表示接收Node ID為2的CN的數(shù)據(jù)。

④CN接收映射參數(shù)配置

對于接收，映射參數(shù)解決如何解析收到的數(shù)據(jù)幀。接收到的數(shù)據(jù)幀包含一個或多個對象，接收方應(yīng)知道需接收數(shù)據(jù)幀中的哪些對象，即接收數(shù)據(jù)幀中的哪幾段數(shù)據(jù)。接收MN對象數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)幀的映射關(guān)系如圖7所示。

圖7 MN接收對象與數(shù)據(jù)幀映射關(guān)系Fig.7 Mapping between receiving object of MN and data frame

與CN接收網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置中RPDO1相對應(yīng)，對0x1600的值做如下配置。

⑤MN發(fā)送、接收參數(shù)配置

MN和CN的區(qū)別在于:在每個EPL循環(huán)周期，CN只需要一個TPDO;而在每個EPL周期中，MN要向網(wǎng)絡(luò)中所有的同步CN都發(fā)送一次PReq，并接收CN響應(yīng)幀PRes，因此，MN在發(fā)送時需要多個TPDO通道，在接收時需要多個RPDO通道。其具體配置方式同CN。

4 結(jié)束語

近十年來，以太網(wǎng)技術(shù)已廣泛引入工業(yè)自動化領(lǐng)域，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)控。不同場合對實時性的要求促進了對以太網(wǎng)CSMA/CD訪問方式的改進，而改進的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的調(diào)度機制和數(shù)據(jù)實時通信方式。論文對較新的EPL實時以太網(wǎng)調(diào)度機制和實時通信原理及配置實現(xiàn)方式進行了深入剖析，對EPL實時以太網(wǎng)技術(shù)的研究有重要意義。

下一步工作是建立一個標準化的EPL通信網(wǎng)絡(luò)模型。該模型能用于不同調(diào)度機制的試驗及性能分析、評估。

［1］Ethernet Powerlink Standardisation Group.DS301 Ethernet Powerlink communication profile specification version 2.0［S］.2003.

［2］Cena G，Seno L，Valenzano A，et al.Performance analysis of Ethernet Powerlink networks for distributed control and automation systems［J］.Computer Standards ＆ Interfaces，2009，31(3):566 －572.

［3］Seno L，Vitturi S.A simulation study of Ethernet Powerlink networks［C］//IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2007:740－743.

［4］Seno L，Vitturi S，Claudio Z.Analysis of Ethernet Powerlink wireless extensions basedontheIEEE 802.11WLAN ［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2009，5(2):86 －98.

［5］Maestro J，Reviriego P.Energy efficiency in industrial Ethernet:the case of Powerlink［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(8):2896 －2903.

［6］許洪華，劉科.確定性工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink［J］.冶金自動化，2004(4):23－25.

［7］IEEE.IEEE 802.3 standard:carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specifications［S］.2000.

［8］Ethernet Powerlink中國用戶組織.實時工業(yè)以太網(wǎng) Ethernet Powerlink技術(shù)基礎(chǔ) V2010.03［EB/OL］.［2011 －11 －21］.http://www.Ethernet-Powerlink.org.

［9］CAN in Automation，International Users and Manufacturers Group e.V.CANopen application layer and communication profile，CiA/DS301［S］.2000.