實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線控制器設(shè)計(jì)

陳凌宇， 楊立志， 趙東林， 朱文亮

（1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引 言

現(xiàn)場總線作為可編程控制系統(tǒng)的“神經(jīng)”，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主從站及末端設(shè)備數(shù)據(jù)信息傳遞的重要介質(zhì)。在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等對控制系統(tǒng)性能要求較高的領(lǐng)域中，現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和同步性是保證系統(tǒng)控制速度和精度的關(guān)鍵［1-2］。以太網(wǎng)總線是現(xiàn)場總線的一種，憑借其數(shù)據(jù)傳輸率高、數(shù)據(jù)吞吐量大等優(yōu)勢成為工業(yè)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢［3-4］。目前，國內(nèi)大多數(shù)可編程控制系統(tǒng)采用EtherCAT，POWERLINK，PROFINET等國外實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，對工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全造成了較大的隱患。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)具有高精度同步性能的自主可控實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線成為我國制造業(yè)發(fā)展的迫切需求。

以IEEE802.3有線以太網(wǎng)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并集成符合工業(yè)自動(dòng)化控制過程中數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)的鏈路層協(xié)議（以下簡稱協(xié)議），是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)總線通信的有效方法。以EtherCAT，PROFINET IRT，SERCOS 等為代表的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，通過對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層數(shù)據(jù)傳輸方法的定義，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性［5-6］。國內(nèi)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線多采用FPGA+PHY的硬件結(jié)構(gòu)，將協(xié)議以IP核的形式集成在FPGA中實(shí)現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)的傳輸控制。如NCUC-bus （GB/T29001）實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線［7］。鏈路層數(shù)據(jù)傳輸方法是協(xié)議的重要內(nèi)容，大量研究對系統(tǒng)周期數(shù)據(jù)［8］、非周期數(shù)據(jù)［9］的實(shí)時(shí)傳輸調(diào)度問題進(jìn)行優(yōu)化，以提高通信效率。此外，在協(xié)議中集成以太網(wǎng)時(shí)鐘同步策略是保證系統(tǒng)進(jìn)行高速協(xié)同控制的關(guān)鍵。多數(shù)研究基于IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議，主要思想是通過時(shí)間戳計(jì)算傳播延時(shí)和時(shí)間偏移［10-11］。PARK等提出了一種通過估計(jì)總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間漂移的大小和符號并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，顯著降低了EtherCAT總線的同步誤差［12］。CHOI等提出了一種分布式異步時(shí)鐘同步協(xié)議，利用網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的相對時(shí)間信息對時(shí)間誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高了時(shí)間收斂速度［13］。EXEL等針對分布式時(shí)鐘中線路傳輸不對稱的問題，提出了基于線交換和高精度時(shí)間戳的方法，可將時(shí)鐘偏移減小到120 ps［14］，但是這種方法較為復(fù)雜且需要硬件支持。

本文以NCUC線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為基礎(chǔ)，對NCUC總線的系統(tǒng)構(gòu)成及原理進(jìn)行了全面的分析。在此基礎(chǔ)上，對工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí)間敏感與非敏感數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，形成了各類數(shù)據(jù)的通道傳輸機(jī)制，并提出了一種通道映射方法，提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。針對系統(tǒng)時(shí)鐘同步問題，分析了以太網(wǎng)總線通信延時(shí)的原因。通過建立時(shí)鐘補(bǔ)償模型，采用時(shí)間戳的方式對總線各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行測量和補(bǔ)償，形成了基于分布式時(shí)鐘的以太網(wǎng)總線同步方法。最后，以國產(chǎn)FPGA為平臺構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺，對總線通信性能進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了所提出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制器的實(shí)時(shí)性與同步性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

2.1 NCUC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在總線式可編程控制系統(tǒng)中，主站與各功能從站通過現(xiàn)場總線相連以實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。由于線型總線的同步性能優(yōu)于其他以太網(wǎng)總線，集成NCUC協(xié)議的控制器芯片（以下簡稱NCUC控制器）采用線型級聯(lián)的方式嵌入各從站控制器中。通過對以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)流的讀寫控制和鏈路層數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了在線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下主站與各從站的高速、同步通信功能［15］。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主站通過以太網(wǎng)接口將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至從站1的端口1，NCUC控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后由端口2發(fā)出；從站2的端口1接收到從站1發(fā)出的數(shù)據(jù)后，通過端口2發(fā)送至下一從站；直到最后一個(gè)從站N接收到數(shù)據(jù)后，直接通過端口2返回至主站。

圖1 NCUC線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of NCUC linear cascade network topology

2.2 NCUC控制器硬件結(jié)構(gòu)

在可編程控制系統(tǒng)中，主站多采用高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)。通過改造網(wǎng)口協(xié)議，可靈活地管理整個(gè)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。而從站需要將NCUC控制器集成在嵌入式電路板中，通過搭建以太網(wǎng)相關(guān)的物理層、鏈路層相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

從站的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以工業(yè)以太網(wǎng)5類雙絞線為介質(zhì)，通過從站M12工業(yè)連接器1進(jìn)入從站。網(wǎng)絡(luò)變壓器采用普斯電子的HX_1188_NL，用于實(shí)現(xiàn)信號隔離，保護(hù)內(nèi)部電路安全。隔離后的網(wǎng)絡(luò)信號采用微芯公司百兆以太網(wǎng)收發(fā)器LAN8710Ai進(jìn)行收發(fā)處理，與NCUC控制器通過MII（Medium Independent Interface）接口相連。NCUC控制器采用國產(chǎn)京微齊力公司的HME-P1P060N0TF784C（以下簡稱P1）大容量FPGA，對PHY接收數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議棧處理。信息處理結(jié)束后，NCUC控制器將待發(fā)送數(shù)據(jù)通過PHY收發(fā)器2、隔離變壓器2、M12工業(yè)連接器2發(fā)送至以太網(wǎng)總線。此外，從站應(yīng)用MCU為京微齊力SoC芯片HMEM7A12N0F484I7（以下簡稱M7）。其中，集成了不同的應(yīng)用層功能，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字量IO、模擬量IO、伺服控制和通信轉(zhuǎn)換等。NCUC控制器與應(yīng)用MCU之間通過片上高速PDI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 從站硬件結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Schematic diagram of slave hardware

2.3 NCUC控制器功能結(jié)構(gòu)

NCUC控制器中集成鏈路層數(shù)據(jù)通信傳輸、協(xié)議解析、網(wǎng)絡(luò)冗余和時(shí)鐘同步等功能，是實(shí)現(xiàn)總線傳輸協(xié)議的核心器件。此外，NCUC控制器還提供片間PDI異步通信接口，便于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能的MCU訪問。圖3顯示了集成NCUC控制器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)。

圖3 NCUC控制器功能結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Schematic diagram of functional structure of NCUC controller

NCUC控制器中，兩個(gè)獨(dú)立的NMI接口模塊對物理層PHY收發(fā)器進(jìn)行讀寫操作。NMI接口模塊分別與兩個(gè)具有時(shí)間戳與計(jì)數(shù)功能的端口相連，各端口在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，將時(shí)間戳信息寫入網(wǎng)絡(luò)幀，這對同步控制算法的實(shí)現(xiàn)起到了重要的作用。接收到的網(wǎng)絡(luò)幀信息根據(jù)幀類型的不同，由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行透傳、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和協(xié)議棧等操作。NCUC協(xié)議相關(guān)的配置以及收發(fā)數(shù)據(jù)存放在寄存器區(qū)間內(nèi)。為提高數(shù)據(jù)處理速度，在數(shù)據(jù)處理模塊和寄存器區(qū)間設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖模塊。設(shè)計(jì)并行異步通信接口，以滿足外部MCU控制器對內(nèi)部寄存器中NCUC配置區(qū)、接收數(shù)據(jù)區(qū)和發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)的操作。在NCUC控制器接收到有效的通信數(shù)據(jù)后，中斷產(chǎn)生模塊將立刻產(chǎn)生IRQ跳沿信號，表明通信數(shù)據(jù)接收成功。同步產(chǎn)生模塊則會(huì)根據(jù)各從站同步時(shí)間補(bǔ)償?shù)牟煌M(jìn)行延時(shí)，當(dāng)所有從站都接收到數(shù)據(jù)后同步產(chǎn)生SYNC跳沿。MCU可根據(jù)SYNC信號進(jìn)行精準(zhǔn)的同步控制。

在NCUC控制器中，寄存器是實(shí)現(xiàn)NCUC通信管理、同步設(shè)置及數(shù)據(jù)交換的重要模塊。主站通過網(wǎng)絡(luò)對從站寄存器進(jìn)行操作，從站則通過PDI數(shù)據(jù)接口對寄存器進(jìn)行訪問。所以，寄存器是連接主站與從站的數(shù)據(jù)存儲橋梁。寄存器模塊由64 kB空間的雙口RAM構(gòu)成，其中2 kB為管理空間，用于通信和同步相關(guān)配置、管理和監(jiān)控；另外62 kB為數(shù)據(jù)空間，用于存放接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。寄存器的空間結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 NCUC控制器內(nèi)部寄存器存儲空間說明Tab.1 Description of internal memory storage space of NCUC controller

3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

3.1 幀結(jié)構(gòu)定義

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)幀為傳輸載體，通過對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的重定義形成了一種高效傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)。NCUC網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。保留長度為14字節(jié)的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀頭中目標(biāo)的MAC地址和源MAC地址信息，將2字節(jié)的幀類型寫入固定值0x8888，該幀為NCUC網(wǎng)絡(luò)幀。將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀46-1500字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)分為2字節(jié)的NCUC幀頭區(qū)和44-1498字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)。其中，NCUC幀頭由索引值、版本號、循環(huán)圈數(shù)和循環(huán)標(biāo)志位構(gòu)成。此外，NCUC數(shù)據(jù)區(qū)可根據(jù)定義分為若干個(gè)報(bào)文區(qū)間，每個(gè)NCUC報(bào)文對應(yīng)總線上某個(gè)從站的下發(fā)數(shù)據(jù)或是上傳數(shù)據(jù)。報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)間可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)大小自由定義數(shù)據(jù)長度。如果NCUC幀頭與報(bào)文總長度小于46字節(jié)，則需要在報(bào)文之后補(bǔ)0～46字節(jié)。最后，將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀4字節(jié)的FCS校驗(yàn)作為幀尾。

圖4 NCUC網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)定義Fig.4 Definition of NCUC network frame structure

網(wǎng)絡(luò)幀提供了寄存器訪問、通道地址訪問、通道映射、產(chǎn)生時(shí)間戳、同步/復(fù)位幀、32位時(shí)鐘補(bǔ)償，以及64位時(shí)鐘補(bǔ)償7種類型的報(bào)文。主站可通過網(wǎng)絡(luò)幀的功能靈活地將所需的報(bào)文組幀，形成不同功能的網(wǎng)絡(luò)幀。各報(bào)文功能如下：

（1）寄存器訪問報(bào)文：用于讀寫寄存器單元。

（2）通道地址訪問報(bào)文：按通道地址的方式讀寫數(shù)據(jù)傳輸通道。

（3）通道映射訪問報(bào)文：采用通道映射的方式對所映射的通道進(jìn)行讀寫。

（4）產(chǎn)生時(shí)間戳報(bào)文：使各從站NCUC控制器產(chǎn)生收發(fā)幀的時(shí)間戳。

（5）同步/復(fù)位幀報(bào)文：用于啟動(dòng)或復(fù)位同步幀命令。

（6）32位時(shí)鐘補(bǔ)償報(bào)文：進(jìn)行精度為32位的分布式時(shí)鐘補(bǔ)償。

（7）64位時(shí)鐘補(bǔ)償報(bào)文：進(jìn)行精度為64位的分布式時(shí)鐘補(bǔ)償。

3.2 通道數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

數(shù)據(jù)通道是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾绞?，通過對傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類型和長度等條件的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)塊的高速傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，通信數(shù)據(jù)根據(jù)其用途可分為多種，這些數(shù)據(jù)對通信傳輸?shù)囊笠泊嬖诓町悾?］。針對可編程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，在NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制器中設(shè)計(jì)服務(wù)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和FIFO數(shù)據(jù)通道。

服務(wù)數(shù)據(jù)通道主要用于傳輸協(xié)議或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。協(xié)議數(shù)據(jù)除了所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容外，還集成了握手、應(yīng)答等協(xié)議內(nèi)容。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對主從站數(shù)據(jù)問答的有效性提出很高的要求，但對時(shí)間并不敏感。通過操作寄存器中服務(wù)數(shù)據(jù)通道區(qū)（0x0180-0x01FF），可在寄存器62 kB的通道數(shù)據(jù)區(qū)中開辟一個(gè)RAM塊，作為服務(wù)數(shù)據(jù)通道。為保證服務(wù)通道中協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計(jì)如圖5所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型。在處于狀態(tài)0時(shí)，通道中無可讀的最新數(shù)據(jù)，產(chǎn)生寫中斷信號等待數(shù)據(jù)寫入。主站/從站根據(jù)寫中斷信號發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)，向通道中寫入第一字節(jié)數(shù)據(jù)后，通道狀態(tài)切換至狀態(tài)1，表示主站/從站正在寫入。此時(shí)，寫中斷標(biāo)志位復(fù)位，不再接收其他寫操作。當(dāng)主站/從站協(xié)議數(shù)據(jù)依次寫入通道后，通道狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)2并產(chǎn)生讀中斷信號，表示此時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)完全寫入，從站/主站可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。從站/主站讀取第一字節(jié)后，通道狀切換至狀態(tài)3并清除讀中斷標(biāo)志，不再允許其他讀操作讀取通道數(shù)據(jù)。從站/主站逐字節(jié)讀完通道中所有數(shù)據(jù)后，通道跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)0，產(chǎn)生寫中斷信號并等待下一次寫入。這種依次讀寫的通道操作模式，雖然占用了通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間資源，但可保證協(xié)議數(shù)據(jù)在主從站之間有效、可靠的傳遞。

圖5 服務(wù)數(shù)據(jù)通道狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型Fig. 5 Service data channel state transition model

過程數(shù)據(jù)通道主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是自動(dòng)控制過程中產(chǎn)生的指令及反饋信息，這些數(shù)據(jù)會(huì)隨時(shí)間周期不斷的更新。通信數(shù)據(jù)使用方主要關(guān)心的是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。因此，數(shù)據(jù)的周期性更新是保證實(shí)時(shí)性的重點(diǎn)。通過配置寄存器的過程數(shù)據(jù)通道區(qū)（0x0200-0x02BF），可在通道數(shù)據(jù)區(qū)中開辟相同的3個(gè)連續(xù)的RAM塊，作為過程數(shù)據(jù)通道。過程數(shù)據(jù)通道狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型如圖6所示。通道的寫操作和讀操作分別針對待寫區(qū)和讀出區(qū)進(jìn)行，中間的緩存區(qū)用于緩存數(shù)據(jù)。這種讀寫區(qū)域分離的方式，使通道永遠(yuǎn)處于寫入狀態(tài)，保證了周期性數(shù)據(jù)寫入的有效性。待寫區(qū)數(shù)據(jù)寫入完成后，產(chǎn)生讀中斷信號。此時(shí)，讀出區(qū)由緩存區(qū)數(shù)據(jù)填充，保證讀出的數(shù)據(jù)為最新寫入的數(shù)據(jù)。如果上次數(shù)據(jù)尚未讀出完成就寫入了新的數(shù)據(jù)，則會(huì)導(dǎo)致上次數(shù)據(jù)被本次數(shù)據(jù)覆蓋。這種讀寫區(qū)域分離的過程通道操作模式，能夠保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高效傳輸，但需要對讀寫操作時(shí)序進(jìn)行一定的約束。

圖6 過程數(shù)據(jù)通道狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型Fig.6 Transition model of process data channel state

制造裝備智能化對圖像、視頻等大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸提出了要求。由于數(shù)據(jù)容量極大，一般的總線數(shù)據(jù)傳輸通道可能無法進(jìn)行完整存儲。設(shè)計(jì)FIFO數(shù)據(jù)通道，允許設(shè)備同時(shí)對其進(jìn)行讀寫，極大地節(jié)省了數(shù)據(jù)的緩存空間。配置寄存器FIFO數(shù)據(jù)通道區(qū)（0x02C0-0x02FF），可在通道數(shù)據(jù)區(qū)中開辟1個(gè)盡可能長的RAM塊（大于1 kB），作為FIFO通道。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型如圖7所示。狀態(tài)0表示當(dāng)前通道為空狀態(tài)，僅允許數(shù)據(jù)寫入。只要通道被寫入數(shù)據(jù)，則通道狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1并置位讀中斷，表示通道為非空非滿狀態(tài)，可讀可寫。在狀態(tài)1時(shí)，如果通道數(shù)據(jù)被讀空則通道狀態(tài)回到狀態(tài)0并復(fù)位讀中斷；若通道被寫滿，則跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)2并復(fù)位寫中斷，表示通道已滿不可寫入。此時(shí)，只要存在數(shù)據(jù)讀出，則置位寫中斷并跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)1，可讀可寫。

圖7 FIFO通道狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型Fig.7 Transition model of FIFO channel state

3.3 通道映射

通道機(jī)制有效地保證了實(shí)際系統(tǒng)中各類型數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)，也降低了通信時(shí)有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。在總線系統(tǒng)中，主站與從站都存在數(shù)據(jù)通信需求，這表明每個(gè)從站至少需要開辟1個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或數(shù)據(jù)發(fā)送。而每開辟1個(gè)通道，主站需要增加一個(gè)報(bào)文，從而增加了報(bào)頭和應(yīng)答這類無效數(shù)據(jù)，如圖4所示。無效數(shù)據(jù)加重了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。

本文采用通道映射的方式，將同類型的報(bào)文進(jìn)行合并，共用一個(gè)報(bào)頭和一個(gè)應(yīng)答中斷。主站將各從站的通道數(shù)據(jù)在整個(gè)報(bào)文中的映射信息，如映射編號、起始地址、通道號、數(shù)據(jù)長度、通道內(nèi)起始地址等信息保存。每個(gè)從站則將自身相關(guān)的映射信息保存在NCUC控制器中。如此，主從站可以根據(jù)已有的映射信息，讀寫合并報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)。

圖8 通道映射工作原理Fig.8 Working principle of channel mapping

圖8顯示了通道映射的工作原理。在一主多從的總線式系統(tǒng)中，每一網(wǎng)絡(luò)幀需要裝載主站對各個(gè)從站的發(fā)送數(shù)據(jù)以及各個(gè)從站返回至主站的狀態(tài)信息。將主站下發(fā)到N個(gè)從站的N個(gè)報(bào)文合并為一個(gè)讀映射報(bào)文，從站所有上傳報(bào)文合并為一個(gè)寫映射報(bào)文，讀寫映射報(bào)文按圖4中通道映射報(bào)文結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合。在收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀時(shí)，通過映射編號、映射啟?？刂啤⒆x寫控制、報(bào)文內(nèi)起始地址、通道號、數(shù)據(jù)長度、通道內(nèi)起始地址，使映射過程有效。具體操作過程如下：

（1）從站根據(jù)映射編號在網(wǎng)絡(luò)幀中尋找符合此編號的報(bào)文，在映射器啟動(dòng)的情況下進(jìn)行讀寫控制判斷。若讀寫操作為讀，則從網(wǎng)絡(luò)幀中讀取數(shù)據(jù)至通道；若為寫，則需要將對應(yīng)通道的內(nèi)容寫入報(bào)文相應(yīng)位置。

（2）在讀寫控制為讀時(shí)，從站根據(jù)報(bào)文內(nèi)起始地址、數(shù)據(jù)長度參數(shù)找到報(bào)文中具體的待讀數(shù)據(jù)區(qū)域，讀出后順序?qū)懭胂鄳?yīng)通道號中以通道內(nèi)起始地址開始的區(qū)域。

（3）在讀寫控制為寫時(shí)，從站根據(jù)通道號、通道內(nèi)起始地址、數(shù)據(jù)長度參數(shù)將對應(yīng)通道中的數(shù)據(jù)取出，并寫入與映射編號、報(bào)文內(nèi)起始地址相應(yīng)的報(bào)文區(qū)域。

通道映射的方式，可在多類數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸時(shí)極大地提高通信效率。假設(shè)系統(tǒng)中有N個(gè)從站，每個(gè)從站讀通道和寫通道數(shù)據(jù)長度為R_len和S_len字節(jié)。根據(jù)NCUC以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，采用通道地址訪問時(shí)通信效率ηc為：

由式（1）和式（2）可知，無論從站個(gè)數(shù)多少，ηm始終大于ηc，且從站數(shù)量越多，則通道映射機(jī)制的通信效率越高。例如，采用CANopen應(yīng)用層協(xié)議，每個(gè)從站開辟4組PDO，其讀寫通道數(shù)據(jù)長度各為40字節(jié)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)長度達(dá)到規(guī)定極限時(shí)，通道地址訪問通信效率為67.7%，而映射通信效率為96.2%。

4 以太網(wǎng)時(shí)鐘同步

4.1 通信傳輸延遲分析

在線型級聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主站發(fā)送的通信數(shù)據(jù)幀需要依次經(jīng)過各從站，導(dǎo)致各從站接收同一通信數(shù)據(jù)幀存在延時(shí)［10］。圖9顯示了兩個(gè)相鄰的從站通信延時(shí)原理。數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)竭_(dá)從站A的端口0接收端P0_RX，NCUC控制器對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行讀取并由端口1發(fā)送端P1_TX發(fā)出。由于通信線纜長度對通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，經(jīng)過線間延時(shí)后從站B的P0_RX接收到數(shù)據(jù)幀。因此，從站A與從站B的端口0接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間延時(shí)為delayLAB。其中，包括從站A開始處理P0_RX數(shù)據(jù)到P1_TX發(fā)送時(shí)間delayCA01，以及從站AB之間通信線纜的線間傳輸延時(shí)delay-LAB。另外，數(shù)據(jù)幀由系統(tǒng)最后一個(gè)從站返回后由從站B的P1_RX接收，經(jīng)過從站B的站內(nèi)處理延時(shí)delayCB10和線間傳輸延時(shí)delayLBA后至從站A的P1_RX接口。

圖9 相鄰的兩個(gè)從站間通信延時(shí)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of communication delay between two adjacent slave stations

以上分析表明，通信延時(shí)原因包括數(shù)據(jù)幀在通信介質(zhì)中的傳輸時(shí)間造成的線間傳輸延時(shí)，以及各從站對數(shù)據(jù)幀的處理轉(zhuǎn)發(fā)造成的站內(nèi)處理延時(shí)。

4.2 通信延遲補(bǔ)償

準(zhǔn)確的測量線間傳輸延時(shí)和站內(nèi)處理延時(shí)時(shí)間并進(jìn)行補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)從站同步的基本思想。但在總線式系統(tǒng)中，由于各從站上電時(shí)間、時(shí)鐘源都存在偏差，無法直接地測量通信延時(shí)［16］。這里以主站相連的第一地從站為參考從站，測量各從站與參考從站的通信時(shí)間延時(shí)，作為各從站延時(shí)的補(bǔ)償值。具體測量形式是通過在數(shù)據(jù)幀中加入時(shí)間戳報(bào)文的方式，記錄數(shù)據(jù)幀在各從站端口接收與發(fā)送的本地時(shí)間，以及數(shù)據(jù)幀在從站內(nèi)部處理時(shí)間，對通信延時(shí)進(jìn)行測量。

建立線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)模型如圖10所示。時(shí)間戳報(bào)文在抵達(dá)從站后以該從站本地時(shí)鐘為基準(zhǔn)，記錄抵達(dá)接收端口的時(shí)間和離開發(fā)送端口的時(shí)間，為通信延時(shí)測量提供重要依據(jù)。因此，定義變量tNR0，tNR1分別為包含時(shí)間戳報(bào)文的通信幀抵達(dá)從站N接收端口0和端口1的時(shí)間，tNT1，tNT0分別為通信幀離開端口T1和T0的時(shí)間。通信幀在從站N內(nèi)正向傳輸?shù)恼緝?nèi)處理延時(shí)為D_CNP，反向站內(nèi)延時(shí)為D_CNR。通信幀由從站A端口發(fā)出，到從站B端口接收的線間傳輸延時(shí)為D_LAB。通過模型分析，分別對各從站時(shí)鐘的線間傳輸延時(shí)和站內(nèi)處理延時(shí)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。

圖10 線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)模型Fig.10 Transmission delay model of linear concatenated network

4.2.1 線間傳輸延時(shí)計(jì)算

從站之間通信雙絞線的長度和環(huán)境條件一致，因此可假設(shè)通信線纜上往返傳輸延時(shí)相等。則對于相鄰的從站0和從站1，有如下關(guān)系：

由于時(shí)間戳報(bào)文在各從站之間記錄的時(shí)間參考時(shí)鐘不同，假設(shè)從站1與從站0的時(shí)間偏差為offset10，則從站0和從站1的線間傳輸延時(shí)可表示為：

將式（3）代入式（4），則可得到從站0與從站1的線間傳輸延時(shí)為：

一般地，對于一個(gè)有N+1個(gè)從站的系統(tǒng)，從站i到參考從站（從站0）的線間延時(shí)可以通過計(jì)算從站0到從站i的所有線間傳輸延時(shí)總和，即：

其中：i為大于或等于1的正整數(shù)，j=i-1。

4.2.2 站內(nèi)處理延時(shí)計(jì)算

當(dāng)通信幀抵達(dá)從站時(shí)，接收端PHY的讀信號有效時(shí)，NCUC控制器以本地時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)，直到發(fā)送端PHY的寫信號有效為止。根據(jù)通信幀延時(shí)處理模型，任意從站i的站內(nèi)處理延時(shí)可計(jì)算為：

一般來說，通信幀由從站N返回至主站的過程，各從站采用轉(zhuǎn)發(fā)的處理方式并不進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理，故進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)僅考慮D_CiP。在一個(gè)有N+1個(gè)從站的系統(tǒng)中，從站i到參考從站的所有站內(nèi)延時(shí)D_C0i為：

根據(jù)式（6）、式（8）的計(jì)算結(jié)果，容易得到從站i與參考從站的通信延時(shí)。主站則可以通過寄存器訪問報(bào)文將各從站的線間傳輸延時(shí)和站內(nèi)處理延時(shí)寫入各從站寄存器中，用于補(bǔ)償通信幀延時(shí)。

4.3 分布式時(shí)鐘同步

前文以參考從站時(shí)鐘為基準(zhǔn)，采用時(shí)間戳報(bào)文對各從站通信延時(shí)進(jìn)行了測量和補(bǔ)償。但是，這種基于各從站本地時(shí)鐘的測量結(jié)果會(huì)因各從站時(shí)鐘源的偏差導(dǎo)致誤差。要達(dá)到各從站的高精度同步，必須對各從站時(shí)鐘進(jìn)行同步處理。

由于各從站上電時(shí)間和時(shí)鐘源的差異，各從站的實(shí)際時(shí)間變化如圖11所示［12］。在任意時(shí)間t0時(shí)刻，本地時(shí)鐘和參考時(shí)鐘的差異為Coffset。顯然，Coffset是隨時(shí)間變化的函數(shù)，本文所提出的分布式時(shí)鐘同步方法則是以較短的周期實(shí)時(shí)測量Coffset，并對本地時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償，使所有從站的時(shí)鐘向參考時(shí)鐘看齊。

圖11 時(shí)鐘模型Fig.11 Clock model

將圖11中的時(shí)鐘模型分為若干個(gè)相等的Δt區(qū)間，如果區(qū)間足夠小，則可將時(shí)鐘模型的本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘變換曲線近似為直線。根據(jù)直線的函數(shù)表達(dá)式可知，造成兩條直線差異的影響因素為變化率和偏移值，在時(shí)鐘模型中分別成為時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘偏移。因此，建立圖12所示的時(shí)鐘補(bǔ)償模型，周期性地對本地時(shí)鐘進(jìn)行漂移補(bǔ)償和偏移補(bǔ)償，使本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘曲線重合，從而達(dá)到時(shí)鐘同步的目的。

圖12 時(shí)鐘補(bǔ)償模型Fig.12 Clock compensation model

4.3.1 時(shí)鐘偏移補(bǔ)償

根據(jù)式（4），從站1與從站0的時(shí)鐘時(shí)間偏差Coffset10可以通過時(shí)間戳的方式進(jìn)行測量得到：

將式（9）擴(kuò)展到任意相鄰的兩個(gè)從站，即從站i和從站j的時(shí)間偏差Coffsetij為：

由于從站0為參考從站，則從站1的本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的偏差為Coffset10。一般地，在N+1個(gè)從站系統(tǒng)中，從站i的本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘偏差可表示如下：

4.3.2 時(shí)鐘漂移補(bǔ)償

在線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的變化率無法直接測量，但通過二者的時(shí)鐘偏移值Coffset的變化率可以間接地補(bǔ)償時(shí)鐘漂移［10］。

假設(shè)在圖12的時(shí)鐘補(bǔ)償模型中，本地時(shí)鐘c1（t）和參考時(shí)鐘c2（t）的表達(dá)式如下：

其中：k1和k2分別為本地時(shí)鐘和參考時(shí)鐘曲線的變化率，a1和a2分別為兩時(shí)鐘曲線在t=0時(shí)刻的初值。

根據(jù)時(shí)鐘偏移值定義容易得到：

對式（13）求導(dǎo)，得到的時(shí)鐘偏移值變化率Roffset是本地時(shí)鐘曲線和參考時(shí)鐘曲線變化率的差值，如下：

設(shè)置漂移補(bǔ)償因子fd。當(dāng)Roffset＞0時(shí)，表明本地時(shí)鐘相比參考時(shí)鐘向正向漂移，需要將k1減小fd；反之，則表明本地時(shí)鐘相比參考時(shí)鐘向負(fù)向漂移，將k1增加fd。具體補(bǔ)償方法如下：

在正常的網(wǎng)絡(luò)通信過程中，各從站接收到通信幀后利用式（11）、式（15）對各自本地時(shí)鐘進(jìn)行偏移和漂移補(bǔ)償，使各從站時(shí)鐘與參考從站時(shí)鐘一致。然后，利用式（6）、式（8）對通信傳輸過程中的線間延時(shí)和站內(nèi)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)基于分布式時(shí)鐘的以太網(wǎng)通信同步。

5 實(shí) 驗(yàn)

本節(jié)搭建總線式控制系統(tǒng)，通過幾組實(shí)驗(yàn)對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的通信性能進(jìn)行測試。

5.1 系統(tǒng)構(gòu)建

構(gòu)建典型的總線式控制系統(tǒng)如圖13所示。為保證系統(tǒng)處理能力，主站采用ATOM處理器，利用通用的以太網(wǎng)接口將3個(gè)數(shù)字量IO從站相連，形成典型的工業(yè)現(xiàn)場末端設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。在集成開發(fā)環(huán)境中編寫符合IEC61131-3的邏輯代碼，編譯后通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口下載到主站中，作為主站邏輯控制的程序組織單元（POU）。主站采用Modbus協(xié)議與組態(tài)設(shè)備相連，通過組態(tài)監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互。此外，從站采用P1+M7的硬件結(jié)構(gòu)，P1中集成NCUC控制器IP核實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)，M7中集成CANopen設(shè)備控制及操作子協(xié)議，并通過P1的異步數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)控制指令接收與設(shè)備狀態(tài)發(fā)送。

5.2 通信性能測試

采用圖13所示的總線式控制系統(tǒng)，在自研的軟件集成開發(fā)環(huán)境FX_PLC Developer中編寫IEC61131-3邏輯代碼并下載到主站，對NCUC總線上各從站數(shù)字量輸出接口進(jìn)行操作。

圖13 典型的總線式控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.13 Typical fieldbus control system architecture

5.2.1 通信數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性測試

考慮到百兆以太網(wǎng)鏈路的傳輸極限以及CANopen應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制對通信周期的約束。分別設(shè)置主站通信周期為1 000，500，250 μs，并按通信周期向各從站發(fā)送數(shù)字量輸出口電平翻轉(zhuǎn)指令。通過示波器觀察各從站數(shù)字量輸出口電平的變化。在圖14中，各從站電平翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)周期性，且與主站通信周期一致。測試結(jié)果表明，以CANopen作為系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，NCUC總線對系統(tǒng)的最小控制周期可達(dá)250 μs。

5.2.2 總線同步精度測試

圖14 NCUC以太網(wǎng)總線通信周期測試結(jié)果Fig.14 Test results of NCUC ethernet bus communication cycle

NCUC控制器SYNC信號是通過時(shí)鐘同步補(bǔ)償后的基準(zhǔn)信號，各從站SYNC信號的時(shí)間誤差反映了NCUC控制器同步性能的優(yōu)劣。將系統(tǒng)各從站SYNC信號引入示波器，在系統(tǒng)正常建立通信后觀察SYNC信號的變化。圖15中，從站2和從站3與參考從站的SYNC信號分別相差27，32 ns。這表明在三從站系統(tǒng)中，NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)同步時(shí)間誤差在50 ns量級。

圖15 NCUC以太網(wǎng)總線同步精度測試結(jié)果Fig.15 Test result of NCUC ethernet bus synchronization accuracy

6 結(jié) 論

本文針對可編程控制系統(tǒng)中高性能現(xiàn)場總線的自主可控問題，以NCUC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線為基礎(chǔ)，利用國產(chǎn)大容量FPGA芯片為平臺搭建了FPGA+PHY的通用以太網(wǎng)硬件架構(gòu)，針對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)控制器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)。為了提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率，對網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)及通道數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行了研究，提出了一種通道映射的方法，使多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率得到極大提升。通過分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的傳輸原理，總結(jié)了各從站節(jié)點(diǎn)通信幀傳輸不同步的原因。建立了線型級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀傳輸延遲模型，提出了各從站通信延時(shí)補(bǔ)償方法。此外，采用分布式時(shí)鐘同步的方法，對各從站本地時(shí)鐘相對參考時(shí)鐘的漂移和偏移進(jìn)行了補(bǔ)償，使系統(tǒng)各從站時(shí)鐘達(dá)到同步。最后，通過實(shí)驗(yàn)對總線通信速率和同步精度進(jìn)行測試。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的最小通信周期為250 μs，同步精度小于50 ns，達(dá)到國際先進(jìn)水平。