趙經(jīng)時，史貴林，張靜怡，李一石

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

一種雙層Powerlink網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)

趙經(jīng)時，史貴林，張靜怡，李一石

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

描述了一種雙層Powerlink網(wǎng)絡(luò)的Powerlink網(wǎng)關(guān)，用于解決不同層次實時以太網(wǎng)總線之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及不同網(wǎng)絡(luò)之間周期同步的問題。其主要是解決了兩層實時Powerlink網(wǎng)絡(luò)通信時的周期不同步問題，通過使用這一同步機制使下層Powerlink網(wǎng)絡(luò)在接入上層Powerlink網(wǎng)絡(luò)時能夠同步于上層網(wǎng)絡(luò)，使每一個接入在同一上層網(wǎng)絡(luò)的下層網(wǎng)絡(luò)的動作實際都與上層網(wǎng)絡(luò)保持同步，從而確保雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的正常進行。

雙層Powerlink網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)，周期同步

0 引言

隨著我軍武器系統(tǒng)裝備的快速發(fā)展，有必要將信息系統(tǒng)與各種武器平臺連接為一個有機整體，組成初級戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)使其互相滲透和緊密交融，快速協(xié)作完成“偵控打保評”過程，從而提升整體作戰(zhàn)效能。

考慮到火力控制的時敏特性和作戰(zhàn)指揮大量信息的需求，通信網(wǎng)絡(luò)要具備強實時和高帶寬的特點，并且能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與總線的綜合集成。實時以太網(wǎng)的實時性和帶寬能夠滿足傳輸實時控制數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)的需求，可用于火指控一體化設(shè)計。在諸多實時以太網(wǎng)技術(shù)中，Ethernet POWERLINK（EPL）以其出色的性能以及開放的源代碼成為首選技術(shù)。

在基于單層Powerlink構(gòu)建出的火指控一體化的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一體化平臺內(nèi)所有節(jié)點由Powerlink網(wǎng)絡(luò)實時連接，但這種結(jié)構(gòu)只適用于平臺內(nèi)部或小型系統(tǒng)，平臺間的交互還是非實時的。有兩種方式解決平臺間的實時交互：

（1）多個平臺都接入在同一層Powerlink網(wǎng)絡(luò)中，在一個實時網(wǎng)絡(luò)中進行信息交互。但是平臺內(nèi)部存在較大數(shù)量的通信節(jié)點，在平臺間通過單層實時以太網(wǎng)通信時，會導(dǎo)致同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)過多，使網(wǎng)絡(luò)本身的實時性無法滿足火控級需求。

（2）不同平臺通過兩層實時以太網(wǎng)連接，平臺內(nèi)由下層Powerlink網(wǎng)絡(luò)連接，平臺間和一些獨立設(shè)備由上層Powerlink網(wǎng)絡(luò)連接，完成戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)與實裝武器平臺的交聯(lián)和綜合集成。這種方式可以實時地實現(xiàn)多平臺協(xié)同控制技術(shù)，雙層網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)關(guān)連接，網(wǎng)關(guān)連接的兩級網(wǎng)絡(luò)中下層網(wǎng)絡(luò)為平臺內(nèi)部進行同步和信息實時交互的Powerlink網(wǎng)絡(luò)，僅用于平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò)，上層網(wǎng)絡(luò)為平臺間進行周期同步和信息交互的網(wǎng)絡(luò)，兩層網(wǎng)絡(luò)由Powerlink網(wǎng)關(guān)連接，組成一個上下兩層周期長度不同，但能夠同步的信息交互系統(tǒng)。其中網(wǎng)關(guān)在下層網(wǎng)絡(luò)中作為主節(jié)點存在，上層網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點主要由本網(wǎng)關(guān)和普通Powerlink從節(jié)點組成，組成戰(zhàn)斗協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

圖1 雙層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

1 雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的功能

圖2 雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的功能實現(xiàn)過程

雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)可以將大量節(jié)點分散到多個不同網(wǎng)段中，并通過一個主網(wǎng)絡(luò)連接在一起，單個平臺內(nèi)部的節(jié)點分布在一個較小網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，解決了多平臺間通過Powerlink網(wǎng)絡(luò)互連時，由于節(jié)點數(shù)過多導(dǎo)致通信周期過長的問題。具有以下功能：

（1）同一個設(shè)備內(nèi)存在兩個Powerlink節(jié)點，并且是不同Powerlink網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，在其中一個網(wǎng)絡(luò)中作主站，另一個網(wǎng)絡(luò)中作從站；

（2）兩層網(wǎng)絡(luò)間的周期具有相關(guān)性，并且通過Powerlink網(wǎng)關(guān)進行同步；

（3）在未接入上層網(wǎng)絡(luò)時，該網(wǎng)關(guān)可以作為下層網(wǎng)絡(luò)的主站獨立運行，與普通主站作用一致。

所以雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的功能主要是：作為下層網(wǎng)絡(luò)的主站工作、在上下層網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、對下層網(wǎng)絡(luò)周期進行同步。

2 雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

圖3 雙層powerlink網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)，分為電源模塊、上層網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點、下層網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點3部分組成，硬件上主要包括MCU芯片，RAM，ROM，F(xiàn)PGA芯片，時鐘，F(xiàn)LASH，SRAM，PHY芯片，電源等，硬件上與普通Powerlink主站或從站區(qū)別不大。

2.2 普通Powerlink協(xié)議棧

雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)最基本的作用就是分別作為上層網(wǎng)絡(luò)從站和下層網(wǎng)絡(luò)主站，其在單層Powerlink網(wǎng)絡(luò)中的作用與普通Powerlink協(xié)議棧相同。Powerlink網(wǎng)絡(luò)的同步是通過每周期開始時的SOC幀完成的：若配置Powerlink網(wǎng)絡(luò)的周期為T0，主節(jié)點在產(chǎn)生第一個SOC幀之后，計時器記錄經(jīng)過一個周期T0的時間，主節(jié)點會再產(chǎn)生一個SOC幀，同時將計時器的寄存器記錄的時長清零，開始下一個周期，每一個從節(jié)點都以其接收到SOC幀作為執(zhí)行動作的同步時間，也作為這一個周期的開始，整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同步。

在檢測不到上層網(wǎng)絡(luò)存在時，雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)作為下層網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，使用本身的時鐘和計時器產(chǎn)生SOC幀完成本網(wǎng)段的同步過程，其過程與普通的Powerlink網(wǎng)絡(luò)同步過程過程一致。

雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的上層網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點部分作為普通從節(jié)點在上級網(wǎng)絡(luò)進行周期同步，過程與現(xiàn)有的Powerlink網(wǎng)絡(luò)同步過程一致。

2.3 雙層Powerlink網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互過程

雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)的核心功能是雙層網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交互，當雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)接收到上層Powerlink網(wǎng)絡(luò)的SOC幀時，將這一時間作為上下層各個設(shè)備動作的同步時間。在上層網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點部分接收到SOC幀時，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)生一個時間中斷（IRQ），將這一中斷信號接入到下層主節(jié)點MCU的CPU中斷上，這一中斷觸發(fā)以下3個過程：

（1）從寄存器中讀取計時器的當前值，這一值為上一SOC幀產(chǎn)生之后到此時的時長ΔT；

（2）將數(shù)據(jù)幀中預(yù)設(shè)的一個標志位IRQ標志位置1，表明接收到了同步信號。

（3）以這一信號為起始點開始下一個大周期（上層網(wǎng)絡(luò)周期）的周期同步和數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互通過上下層主控單元對DPRAM進行讀寫操作進行，其中分為3種情況（T0為下層網(wǎng)絡(luò)周期時長）：

①當T0-ΔT≤10 μs時，下層網(wǎng)絡(luò)的動作時間相對上層網(wǎng)絡(luò)有一個較小的延遲；下發(fā)過程：上層從節(jié)點在自身接收SOC幀的ΔT時刻后將下發(fā)數(shù)據(jù)寫入下層主節(jié)點，下層主節(jié)點在一個下層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到下層網(wǎng)絡(luò)上；上報過程：下層主節(jié)點在接到上層時間中斷后，在收到下層網(wǎng)絡(luò)的第二個SOC時將下層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫入上層從節(jié)點，上層從節(jié)點在一個上層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò)上；

②當ΔT≤10 μs時，下層網(wǎng)絡(luò)的動作時間相對上層網(wǎng)絡(luò)有一個較小的超前；下發(fā)過程：上層從節(jié)點在自身接收SOC幀后立刻將下發(fā)數(shù)據(jù)寫入下層主節(jié)點，下層主節(jié)點在一個下層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到下層網(wǎng)絡(luò)上；上報過程：下層主節(jié)點在接到上層時間中斷后，在收到下層網(wǎng)絡(luò)的下一個SOC時將下層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫入上層從節(jié)點，上層從節(jié)點在一個上層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò)上；

③當ΔT≥10 μs且T0-ΔT≥10 μs時，下層網(wǎng)絡(luò)的動作時間相對上層網(wǎng)絡(luò)完全不同步，需要通過舍棄下層網(wǎng)絡(luò)一個周期的時間進行同步；下發(fā)過程：上層從節(jié)點在自身接收SOC幀后立刻將下發(fā)數(shù)據(jù)寫入下層主節(jié)點，下層主節(jié)點在一個下層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到下層網(wǎng)絡(luò)上；上報過程：下層主節(jié)點在接到上層時間中斷后，在收到下層網(wǎng)絡(luò)的下一個SOC時將下層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫入上層從節(jié)點，上層從節(jié)點在一個上層周期后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò)上。

2.4 周期同步過程

在數(shù)據(jù)交互過程中，上層網(wǎng)絡(luò)還要對每一個下層網(wǎng)絡(luò)的運行周期進行同步，雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)通過調(diào)整下層網(wǎng)絡(luò)每周期的開始時間完成上下層周期的同步過程，下層周期開始時間的調(diào)整由下層主節(jié)點中計時器Timer的時間中斷中添加的一個判決機制完成，判決流程如下（T為計時器當前計時時長，T0為下層網(wǎng)絡(luò)周期時長）：

圖4 調(diào)整同步周期的判決流程

（1）判斷是否接到了上層的時間中斷（IRQ標志位是否為1），若未接收到中斷，轉(zhuǎn)到步驟（2），若接收到中斷，轉(zhuǎn)到步驟（3）；

（2）IRQ標志位為0時，將計時器的計時周期T更新為T=T0，下一個SOC幀在T0時間后產(chǎn)生，然后轉(zhuǎn)到步驟（9）；

（3）IRQ標志位為0時，判斷ΔT的大小，當ΔT≤10 μs（這一參數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)特性，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整）時，此時下層周期相對上層周期超前ΔT，轉(zhuǎn)到步驟（4），當ΔT＞10 μs時，轉(zhuǎn)到步驟（5）；

（4）將計時器的計時周期T更新為T=T0+ΔT，轉(zhuǎn)到步驟（8）；

（5）判斷T0-ΔT的大小，當T0-ΔT≤10 μs時，此時下層周期相對上層周期滯后T0-ΔT，轉(zhuǎn)到步驟（6），當T0-ΔT＞10 μs，上下層周期之間同步差距較大，轉(zhuǎn)入步驟（7）；

（6）將計時器的計時周期T更新為T=ΔT，在計時T之后產(chǎn)生SOC幀，轉(zhuǎn)到步驟（8）；

（7）為避免對下層網(wǎng)絡(luò)傳輸造成較大干擾，將下層網(wǎng)絡(luò)空閑一個周期作為緩沖，計時器的計時周期T更新為T=2T0-ΔT，在計時T之后產(chǎn)生SOC幀，轉(zhuǎn)到步驟（8）；

（8）置零IRQ標志位，轉(zhuǎn)到步驟（9）；

（9）啟動計時器，完成同步過程。

3 結(jié)束語

Powerlink實時以太網(wǎng)的應(yīng)用可以有效地促進任務(wù)網(wǎng)和控制網(wǎng)的融合，實現(xiàn)平臺內(nèi)部的單一總線通信。但是在需要多平臺間協(xié)同時，如果采用單層網(wǎng)絡(luò)，過多的節(jié)點數(shù)會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)實時性的下降，為保證整個系統(tǒng)的實時性，將網(wǎng)絡(luò)分為兩層是一種行之有效的手段。該雙層Powerlink網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了兩層網(wǎng)絡(luò)分別以不同的周期同步運行，在本層網(wǎng)絡(luò)中實時的傳輸數(shù)據(jù)，同時在網(wǎng)絡(luò)間實時的交互數(shù)據(jù)。

［1］宋華振.Ethernet POWERLINK在機器控制領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國儀器儀表，2011，22（3）：44-47.

［2］林丹，王文海.基于EPL的上位機通信［J］.吉林大學(xué)學(xué)報，2011，41（7）：314-318.

［3］劉科峰，徐晶，趙夢欣.2008.實時以太網(wǎng)研究與實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2008，25（3）：46-47.

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［5］謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)（第五版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

A Gateway of Two-level Powerlink Network

ZHAO Jing-shi，SHI Gui-lin，ZHANG Jing-yi，LI Yi-shi
（North Automatic Contol Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

This paper describes a gateway of two-level Powerlink network for solving the problems of data conversion among real-time Ethernet bus of different level and periodic non-synchronous communication among various networks.By using this synchronous mechanism，lower-level Powerlink network can synchronous access to upper-level Powerlink network，that is to say，those accessing to upper-level network communication nodes in lower-level network which will keep synchronous operation with the upper-level Powerlink network to ensure data interaction of two-level Powerlink network.

two-level Powerlink network，gateway，periodic synchronous

TP393

A

1002-0640（2015）07-0180-04

2014-06-10

2014-07-07

趙經(jīng)時（1989- ），男，山西侯馬人，在讀研究生。研究方向：嵌入式設(shè)計。