POWERLNK协议笔记

1、基本概念

POWERLINK协议满足以太网IEEE802.3标准，该协议提供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热热插拔，允许网络以任意方式进行拓扑。网络中指定的PLC/PC作为管理节点（MN）,该管理节点周期性调度并根据此来同步网络上的所有节点，并控制周期性数据通信。其他所有运行设备称为受控节点（CN），一个POWERLINK周期分为3个部分：

①在开始阶段，MN发送循环启动SoC帧给网络中的CN,以同步网络中的所有设备，抖动大概为20ns（纳秒）。

②循环阶段，周期性同步数据交换，同时使用多路复用技术来优化带宽。

③异步启动信号SoA，用于传输大容量，非时间苛刻的数据包。

POWERLINK分为实时和非实时域，由于异步阶段的数据传输支持标准的IP帧，路由器将数据与实时域安全隔离开。

2、详细资料提供网址：

 

3、系统的通信架构

支持集中控制和分布式控制；集中控制和分布式控制性能没有明显的区别。

4、主站实现

POWERLINK是开源免费的，基于标准以太网硬件。

5、潜在的成本需求

POWERLNK没有特殊的需求，外部设备为标准的HUB或交换机，内部为标准的HUB(集线器)，有源HUB对信号有放大作用。支持热插拔，允许网络在带电状态下相互交换设备。

7、POWERLINK协议层划分

①普通以太网OSI (开放式系统互联参考模型) 模型：从上至下一次为：应用层/表示层/绘画层/传输层/网络层/数据链路层/物理层

②POWERLINK分为三层：应用层/数据链路层/物理层

物理层：遵循IEEE802.3快速以太网标准。

数据链路层:主要功能构建解析数据帧/对数据帧定界/网络同步/数据收发顺序控制/实时通信的传输控制。

POWERLINK的通信机制有2种

①请求应答模式

②定时主动上报模式（PRC）

POWERLINK一共有5种数据帧格式:SoC/Preq/Pres/SoA/AsyncData;一个完整的周期包含同步和异步俩个阶段；SoC到SoA为同步阶段；SoA到AsyncData为异步阶段；

SoC是同步信号，每一个循环周期开始主站都会广播一个SoC信号，实现时钟同步和动作同步。

SoA是异步信号，包含请求那个从站的上报数据，AsyncData包含从站上报的数据，但是每个周期只能有一个从站上报异步数据。

应用层：POWERLINK应用层遵循CANopen协议，为应用程序提供了同意的接口，使得不同设备与应用程序之间有统一的访问接口，CANopen协议有三个主要的部分：

PDO:过程数据对象，可以理解为需要周期性/实时传输的数据（在传统的CANopen协议中最大可以传输8字节，在POWERLINK协议中可以最大传输1490字节）；

SDO:服务数据对象，可以理解为非周期性传输/实时性要求不高的数据；

OD:对象字典：是很多对象的集合，而对象可以理解为参数；假设一个设备有很多参数，CANopen通过给每个参数编号来区分，即索引，它的寻址方式是按编号寻址，不像TCP按IP寻址。

数据如何传输需要的关键2个参数：

在CANopen协议中数据传输需要俩个参数：

网络参数：将数据发送到那个站或者接收来自那个站的数据

映射参数：决定如何组成需要发送的数据包或者如何解析接收到的数据包。

不论接收还是发送，网络参数和映射参数必须是成对的：0x1800和0x1A00是对应的，依此类推，0x1801和0x1A01是一对。

	网络参数	映射参数	数量
接收	0x1400~0x14fe	0x1600~0x16fe
发送	0x1800~0x18fe	0x1A00~0x1Afe

POWERLINK性能及特点：

支持240个节点，每个节点支持1500Bytes输入输出

循环周期：100us（高性能CPU或者高性能FPGA）

          200us（低性能CPU或者低性能FPGA）

抖动：小于1us，实际循环周期中最大值与最小值的差值；

POWERLINKMAC寻址遵循IEEE802.3,每个设备的地址都是唯一的，我们称之为节点ID；

实时域和非实时域一般使用网关隔离开；

9、在vxworks下移植POWERLINK大概需要做的工作：

在vxworks下使用powerlink需要做哪些工作，以及可行性

1、VXWORSK下Shelltasks的有限级为1，最高优先级，需要将其优先级降低，防止shell输入比较长的指令会影响协议栈的运行。

2、初始化高精度时钟，powerlink需要时钟精度为us级别，vxworks系统时钟目前是ms级别；

3、绑定openpowerlink协议栈与vxworks协议栈，初始化协议栈的哥哥模块；

4、设置CDC文件名，主要在自动配置对象时用。

5、初始化应用；

6、软件复位操作；

10、Powerlink协议工作机制：

（1）等时同步阶段

①Preq/Pres请求应答模式

 

Powerlink收发数据是由主站控制，对于一个主站MN,和n和从站CN的网络结构来说，主站发送Soc（绝对时间和相对时间）帧广播到整个网络，从站收到主站的Soc帧之后进入等时同步阶段，主站发送给第一个节点Preq（以太网单播帧）帧，该节点收到主站发来的Preq帧后就会上报一个Pres（以太网多播帧），从站回复的帧是广播的，帧头有mac地址，所有主从站都可以收到，然后各站根据自己的对象字典得到自己的数据。也就是说，每次从站回复主站时只发一帧，这帧包含了给主站和其它从站的数据，所有站都能收到该帧，取不取数据要看各站自己的对象字典；当主站收到该从站的pres帧后，完成了一次信息交互；接下来主站与第二个等时同步从节点进行相同的信息交互，直到所有节点交互完毕，为一个周期。

Preq/Pres模式时间以及周期的计算：100M/s的网络，传输速率为12.5Bytes/us，完成一个从站所需要的时间为T1 = Tpreq+Tgap+Tpres;

Tpreq:主站发送给从站preq帧数据的时间；

Tpres:从站发送给主站pres帧数据的时间;

Tgap:Tpreq和Tpres帧之间的间隙约为2us;

一帧数据的最大长度为1490Bytes，最大的时间Tpreq = 120us；Tpres = 120us；

Tgap = 2us；总的时间T1 = 242us

如果当同时和相同的50个设备已最大数据帧通信的话周期为242*50 = 12.1ms

②PollResponse Chaining（PRC）模式

 

PRC模式省去了主站的Preq数据帧，取而代之的是主站发送PresMN给所有从站，该帧包含主站周期性上报的PDO数据，同时该帧也是一个时间参考点，支持PRC模式CN发送数据的时间参考点，从站从接收完PresMN开始计时触发发送数据帧pres帧；主站MN配置PRC模式的CN，使得CN在特定的时间点发送数据，这个时间点由主站根据网络的配置情况、网络延迟计算出来并配置给CN。3个从站主站可以配置CN1在收到PresMN的第5us上传Pres帧数据，CN2在收到PresMN的第15us上传Pres数据，CN3在收到PresMN的第25us上传Pres数据，这样避免了冲突。

PRC模式时间周期的计算：

T1 = Tpres+Tgap

Tpres:从站发送给主站pres帧数据的时间;

Tgap:Tpreq和Tpres帧之间的间隙约为2us;

一帧数据的最大长度为1490Bytes，最大的时间Tpres = 120us；

Tgap = 2us；总的时间T1 = 122us

如果当同时和相同的50个设备已最大数据帧通信的话周期为122*50 = 6.1ms

从站采用PRC模式还是preq/pres模式是由主机配置的，每一个从站只能采用这俩种模式中的一种，但是不同的从站可以这俩种模式的任意一种。

③系统中不同周期设备处理

一个系统中既有100ms的周期，也有200ms的周期，以及1s的周期，此时介意将主站系统周期设置200ms，通过多路复用机制来解决其他周期的通信问题。

（2）异步阶段

每个周期只能有一个节点发送异步报文，如果有多个节点需要发送异步报文就需要排队，在MN中存在一个队列调度异步数据的发送权。当CN需要发送一个异步帧的时候，则通过pres帧或者Statues Response帧通知MN，MN的异步调度器决定异步帧发送的权限在那个周期被允许，保证发送请求不会被延迟不确定的时间长度

（3）空闲阶段

空闲阶段是在异步阶段终点和下一周期的起点之间剩余的时间间隔。

 

11、POWERLINK与TCP、UDP的区别

（1）异步数据在网络繁忙时数据发送的确定性

POWERLINK网络所有节点通信周期与收发数据的时间具有确定性，而TCP/UDP在网络繁忙的时候传输时间是不确定的。这主要基于POWERLINK协议有专管理受控节点CN数据发送的队列，具有优先级，当CN节点告诉MN节点需要进行发送异步数据的时候，MN节点会确切的告诉CN节点在哪个周期进行发送数据，而不会让CN节点无限期的等待MN发来的数据发送的权限。

（2）实时域和非实时域隔离

POWERLINK的实时域即周期性传输的数据与非实时域（异步数据）是分离开的，保证了实时数据的实时性。

（3）收发数据具有统一的管理MN（主站）

所有CN（受控节点即除主站外的所有从站）收发数据都是受MN来控制在管理的，相互间收发数据不会出现网络冲突的现象。

（4）寻址方式的不同

TCP/UDP是依靠IP（网络地址）寻址，而POWERLINK是通过自身编号寻址，该编号由MN（主站）统一管理分配。

（5）发送机制的区别

对于TCP来说如果发送失败会进行重发，但是POWERLINK没有重发机制，在本周起发送出去没有得到目标对象的回应，本周期不会重发，而会在下一周期重新发送。

（6）周期的精确性

POWERLINK最小可以实现200us左右的周期，POWERLINK的周期会随着CN节点的增加和减少而变化（在受控节点相当多的情况下，访问所有节点加起来的时间大于设定的MN的周期，不过一般不会出现）；