陳在平，孫 遜＋，賈 超

（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；

2.天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津300384）

0 引 言

傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議僅僅是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行簡單地優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了傳輸速度的提升，并沒有從根本上解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)通信技術(shù)中所存在通信不確性的問題，這使得傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場設(shè)備層不能夠得到充分的應(yīng)用。Ethernet POWERLINK （簡稱POWERLINK）作為一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，完全擺脫了傳統(tǒng)以太網(wǎng)基于TCP/IP的通信理念，引入了時(shí)間槽這一核心概念，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的確定性［1，2］。POWERLINK 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對以太網(wǎng)通信技術(shù)向著確定性方向發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。

POWERLINK 通信協(xié)議能夠在多種平臺上實(shí)現(xiàn)通信功能。但由于其出現(xiàn)的比較晚，目前只獲得了少數(shù)第三方公司的支持［3］。本文在ARM＋Linux這一成熟的嵌入式技術(shù)之上，從應(yīng)用角度出發(fā)，提出了一種實(shí)現(xiàn)POWERLINK 協(xié)議物理層通信方法，并通過實(shí)際測試，驗(yàn)證了這一方法的可行性，從而為POWERLINK 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)向工業(yè)現(xiàn)場推進(jìn)提供了一種可行方案。

1 POWERLINK 通信協(xié)議

POWERLINK 通信協(xié)議是在2001 年由奧地利貝加萊（B＆R）公司提出，是一項(xiàng)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)上，用于解決工業(yè)控制領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域所涉及到的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性問題的技術(shù)規(guī)范，是一種開源實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線技術(shù)［4］。它作為一個(gè)免授權(quán)和開放性的通信協(xié)議，受到POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)化組織 （Ethernet POWERLINK standardization group，EPSG）的大力推廣［5］。2012年3月POWERLINK現(xiàn)場總線正式被批準(zhǔn)為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，作為國內(nèi)第一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)推薦標(biāo)準(zhǔn)，從此POWERLINK 協(xié)議技術(shù)在國內(nèi)得到飛速地推廣和發(fā)展［6］。

傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)多是基于TCP/IP 協(xié)議的通信協(xié)議，基本上是對TCP/IP 協(xié)議的修改或補(bǔ)充，沒有從根本上解決工業(yè)底層通信實(shí)時(shí)性的需求。這是由于TCP/IP 是一種端到端面向連接的通信協(xié)議，它能夠提供一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，即采用 “帶重傳的肯定確認(rèn)”技術(shù)來保證傳輸?shù)目煽啃裕?］。同時(shí)，我們知道IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)規(guī)定，在數(shù)據(jù)鏈路層采用載波監(jiān)聽/監(jiān)測即CSMA/CD （carrier sense multiple access with collision detection）方法來解決數(shù)據(jù)包傳輸產(chǎn)生的沖突，這種解決方法的原理簡單總結(jié)為：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨機(jī)延遲后重發(fā)［8，9］。所以，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)組建的通信網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)有多個(gè)工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致沖突的產(chǎn)生，工作站就會延遲重發(fā)數(shù)據(jù)，雖然這種方法能夠保證了通信數(shù)據(jù)的完整性，但是無法保證數(shù)據(jù)在確定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，不具有良好的實(shí)時(shí)性。

POWERLINK 的目標(biāo)是確定性、實(shí)時(shí)性工業(yè)以太網(wǎng)，它是一個(gè)三層的通信網(wǎng)絡(luò)，規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，如圖1所示為POWERLINK 的OSI模型。應(yīng)用層上遵循CANopen協(xié)議規(guī)范，物理層上遵循標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范。數(shù)據(jù)鏈路層是POWERLINK 協(xié)議的核心層，其中引入了時(shí)間槽通信管理機(jī)制SCNM （slot communication network management），即主站在開始通信之前，會去配置從站的參數(shù)，告訴每個(gè)從站應(yīng)該在循環(huán)周期的哪一時(shí)刻上報(bào)［10］。這樣，在所有時(shí)間內(nèi)僅一個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)，從而避免數(shù)據(jù)碰撞，徹底解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由CSMA/CD 機(jī)制引起的通信實(shí)時(shí)性差的問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路主要由ARM9 芯片S3C2440 與DM9000網(wǎng)卡芯片構(gòu)成，總體硬件框架如圖2所示。

DM9000的訪問基址是0x18000000對應(yīng)S3C2440芯片內(nèi)8個(gè)地址存儲空間中的BANK3，因此通過nGCS3 來連接DM9000的片選信號端AEN。只用到一條地址線：AD－DR2，這是因?yàn)镈M9000的地址信息和數(shù)據(jù)信息都在數(shù)據(jù)總線上傳輸，通過ADDR2控制CMD 引腳的電平狀態(tài)來決定數(shù)據(jù)總線傳遞何種信息。控制總線主要完成對DM9000內(nèi)部寄存器讀寫的控制。使用芯片H1102 作為網(wǎng)絡(luò)變壓器，可以增強(qiáng)信號的傳輸距離，并利用隔離措施加強(qiáng)抗干擾能力同時(shí)增加保護(hù)作用。

圖1 POWERLINK 的OSI模型

圖2 系統(tǒng)硬件框架

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)提供了一種Platform 設(shè)備驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)方法，就是將硬件設(shè)備與驅(qū)動程序相分離，通過platform虛擬總線進(jìn)行連接。論文就是利用這種方法實(shí)現(xiàn)DM9000芯片硬件與協(xié)議程序的關(guān)聯(lián)。軟件設(shè)計(jì)主要分為以下兩步。

（1）增加平臺設(shè)備，即在Linux內(nèi)核文件中添加platform＿device系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體。目的是將DM9000 這一設(shè)備硬件的描述文件添加到Linux內(nèi)核中，使內(nèi)核在啟動時(shí)能夠識別DM9000以太網(wǎng)芯片。

首先，建立dm9000＿resource資源結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體有兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，分別對DM9000以太網(wǎng)芯片的兩個(gè)主要資源——內(nèi)存空間資源和中斷資源，做了詳細(xì)的定義。其中，第一項(xiàng)數(shù)據(jù)，定義了分配內(nèi)存資源的起始地址、所占內(nèi)存空間的大小以及所分配內(nèi)存空間的標(biāo)識類型；第二項(xiàng)數(shù)據(jù)定義了中斷號和中斷觸發(fā)方式。

然后，將dm9000＿resource結(jié)構(gòu)體變量添加到新創(chuàng)建的platform ＿device 總線型結(jié)構(gòu)體變量device＿dm9000中。此結(jié)構(gòu)體中包含了硬件DM9000的完整信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備ID、資源結(jié)構(gòu)體和訪問的數(shù)據(jù)寬度。其中，DM9000以太網(wǎng)芯片支持8位、16位和32位3種不同的數(shù)據(jù)訪問方式，這里我們根據(jù)實(shí)際要求選擇了16位的訪問方式。

最后，把描述平臺設(shè)備結(jié)構(gòu)體device＿dm9000導(dǎo)入到系統(tǒng)變量smdk＿devs數(shù)組中。該數(shù)組存放的是各種平臺設(shè)備結(jié)構(gòu)體，相當(dāng)于一個(gè)平臺設(shè)備列表。并且，在啟動Linux操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動把這個(gè)數(shù)組中的設(shè)備注冊進(jìn)內(nèi)核中。

這樣，經(jīng)過第一步的一系列操作后，DM9000 這一硬件外設(shè)成功注冊到Linux內(nèi)核中。

（2）在POWERLINK 協(xié)議源碼中添加DM9000的操作函數(shù)，包括寄存器訪問函數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)和中斷回調(diào)函數(shù)等。

首先要增加platform ＿driver 結(jié)構(gòu)體類型變量EdrvDriver：

然后，在協(xié)議棧初始化函數(shù)EdrvInit中通過platform＿driver＿register（＆EdrvDriver）完成對EdrvDriver的注冊。其中，EdrvInit函數(shù)在協(xié)議啟動階段被調(diào)用。注冊過程就是platform 總線以EdrvDriver.driver.name為標(biāo)準(zhǔn)，去遍歷之前啟動Linux內(nèi)核時(shí)注冊到內(nèi)核的platform＿device設(shè)備，找到與之名字相同的進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

如果注冊成功就會繼續(xù)執(zhí)行結(jié)構(gòu)體成員函數(shù)EdrvDriver.probe＝EdrvInitOne，這個(gè)函數(shù)將會繼續(xù)完成軟硬之間的關(guān)聯(lián)，主要包括以下幾步設(shè)置：struct resource＊ pResource＝platform ＿get ＿resource （pPlatformDev ＿p，IORESOURCE＿M(jìn)EM，0）；

來獲得之前在Linux內(nèi)核中添加的dm9000以太網(wǎng)芯片的數(shù)據(jù)線物理地址，也就是dm9000的寄存器物理地址。

m＿pIoAddr＝ioremap （pResource－＞start，0x08）；

將dm9000寄存器物理地址映射成虛擬地址，因?yàn)樵贚inux操作系統(tǒng)下，讀寫數(shù)據(jù)使用的是虛擬地址而不是物理地址。

完成以上兩步操作后，便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體platform ＿device和結(jié)構(gòu)體platform ＿driver 的關(guān)聯(lián)，從而將DM9000這一設(shè)備注冊給協(xié)議棧。

3 數(shù)據(jù)通信與測試

3.1 數(shù)據(jù)通信

POWERLINK 協(xié)議利用DM9000芯片作為數(shù)據(jù)收發(fā)接口，完成協(xié)議的物理層功能。數(shù)據(jù)通信過程主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩大過程。

用戶要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過POWERLINK 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層后，封裝成數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包保存在一個(gè)分配好存儲空間的tEdrvTxBuffer 類型結(jié)構(gòu)體變量pbBuff 中，最終通過EdrvSendTxMsg（）函數(shù)傳送給網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)接口的任務(wù)就是將數(shù)據(jù)包傳送給硬件，完成物理傳輸。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接受過程，是在Linux內(nèi)核提供的硬件中斷請求機(jī)制下完成。在協(xié)議棧初始化階段我們已經(jīng)向內(nèi)核注冊了DM9000設(shè)備中斷，當(dāng)DM9000接收到數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生中斷信號，內(nèi)核操作系統(tǒng)會根據(jù)我們注冊的DM9000中斷號來找到協(xié)議棧程序中的中斷處理函數(shù)TgtEthIsr（），在中斷函數(shù)中處理接收到的數(shù)據(jù)。圖4為數(shù)據(jù)接收流程。

3.2 通信測試

使用2.6.30 版本的Linux 內(nèi)核對協(xié)議棧程序進(jìn)行編譯，生成可加載協(xié)議驅(qū)動模塊epl.ko，并通過SecureCRT終端軟件來觀察協(xié)議模塊的加載和運(yùn)行情況，如圖5所示。

圖5表示POWERLINK 主站已經(jīng)正常運(yùn)行。

利用裝有Wireshark軟件的PC機(jī)作為測試機(jī)，對設(shè)計(jì)的POWERLINK 工作站發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓取測試，來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)恼_性和實(shí)時(shí)性。其中，測試器PC機(jī)與工作站設(shè)備，通過網(wǎng)線連接在一起，并設(shè)置二者的IP地址在同一網(wǎng)段內(nèi)。當(dāng)主站正常運(yùn)行時(shí)，PC 機(jī)上能夠成功抓取到工作站傳過來的數(shù)據(jù)包。圖6為成功抓取到數(shù)據(jù)包的Wireshark界面。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程

圖5 協(xié)議棧程序運(yùn)行

圖6 Wireshark截圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用上的可行性，進(jìn)一步做主從協(xié)議棧之間的通信測試。其中，利用PC機(jī)運(yùn)行虛擬的協(xié)議棧程序作為通信主站，我們設(shè)計(jì)的工作站做從站。主站向從站發(fā)送變化的數(shù)據(jù)，從站接受并顯示主站傳送過來的數(shù)據(jù)。圖7為二者傳輸數(shù)據(jù)的一致性比較，確定主從站之間數(shù)據(jù)通信的正確性。

圖7 主從站之間數(shù)據(jù)傳輸

4 結(jié)束語

本文介紹了如何在POWERLINK 協(xié)議棧源代碼的基礎(chǔ)上，不改變協(xié)議核心層數(shù)據(jù)鏈路層的功能，利用platform設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)方法，對協(xié)議棧內(nèi)部物理層程序代碼重新設(shè)計(jì)和編寫。并設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的硬件電路，達(dá)到了使用一片普通以太網(wǎng)控制芯片DM9000就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK 物理層通信的功能要求。通過具體的實(shí)驗(yàn)測試，證實(shí)了這一設(shè)計(jì)方法的可行性。

本設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想，是利用成熟的嵌入式技術(shù)，在低投入的條件下，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK 的通信功能，符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場安全和高效的要求。

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