实时以太网POWERLINK技术基础摘要：开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。
本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。
关键词：实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO1.工业实时以太网技术1.1为什么以太网得到发展？以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。
以太网是一个电缆基础的数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，他能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。
以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，比特信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。
1.2 CSMA/CD及它带来什么影响？CSMA/CD机制运行原理通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），即，每个节点侦听网络，如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。
如果一个设备正在发送，其它节点保持直到线路清除，如果两个设备试图在同一个时间发送数据，CSMA/CD分配自由等待期给他们，当这些时间过后，节点尝试新的发送。
因此，当这个原则赋予以太网相当大的灵活性的同时，也极大的影响了它的速度特性，结局是碰撞和CSMA/CD要求在一个发送中的信号传输滞后，而这个滞后在工业自动化应用是不可接受的。
CSMA/CD机制在保障以太网数据冲突的同时影响了数据交换的实时性和确定性。
1.3实时性要求有多快？实时性与时间间隔相关-通过定义,实时性意味着在触发一个事件和它的发生之间的时间间隔越短越好,并且这个时间间隔是可以预先定义的，应用被设计为最快的时间帧，而微小的延迟不影响需要的输出，仅仅需要软实时。
在很多工业应用中，延迟不能被精确的预先设定可能会导致不可预期的结果，例如，现在的伺服轴通常的同步速度在16kHz，给定的控制循环仅仅能实现几百个微妙，即使信号-数字微妙范围的延迟也将使得控制精度打了折扣，因此，这些自动化应用需要硬实时：所有的链接必须是精确同步，所有由网络导致的延迟必须预知并可被预测。
交换机的使用可以潜在的降低数据碰撞，这些设备扮演了智能集线器的作用，给访问节点注册并路由数据到目标地址.结果，数据不再导致线路堵塞，---这降低网络上总的数据碰撞，--交换机缓冲数据包并一个接一个的发送，然而，交换机导致了数据传输的延迟并且阻碍了实时性。
因此，以太网的设计者寻求一种方案能够实现硬实时，设计了不同的方法来保持延迟发生CSMA/CD…一些尝试改变数据帧的大小，另外的添加时间依赖的交换设备，或者基于ASIC的位传输层，然而，这些方案，很多背离了以太网标准，结果是，用户很难理解，接受并集成改善到这些系统。
以太网协议扩展POWERLINK是 100%兼容标准以太网的协议，这意味着通信协议完全是基于软件的，并且不使用任何私有的硬件，所有的应用可以使用标准硬件来实现，POWERLINK准备与标准以太网的开发来合并，这将更加开放，总之，是最有前途的系统。
1.4 CANopenCANopen是广为流行的现场协议，在机械制造领域和自动化领域具有广泛的应用，它依赖于其开放性获得了市场的长足发展，很多CANopen设备被开发出来并在全世界范围得到大量应用。
CANopen有着非常完善的数据交换机制，然而CAN总线却有一些局限性使得它无法适应未来更为高速的数据交换应用：带宽低-即使在距离很短的时候最大能够提供1Mbps的数据传输速率;数据效率低-CANopen数据帧无法满足较大的数据量传输需要;节点限制-CANopen无法支持超过64个节点的数据交换;CANopen优势有着完整的SDO、PDO定义，非常清晰。
2. Ethernet POWERLINK技术鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，Ethernet POWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO和PDO数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构，这样的好处在于：z POWERLINK无需做较多的改动即可实现；z保护原有投资的利益；z开放性的接口；POWERLINK基础性能指标z 100Mbps传输速度-未来提供10Ghz以太网技术z刷新周期（最小）100uSz抖动<<1uSz传输距离：100m/节点间距z支持任意网络拓扑结构z实时操作系统非必要z轮询方式,支持Client/Server和Producer/Consumer模式z M12 & RJ45连接头z IEEE802.3标准以太网介质传输z支持光纤连接z最大每隔网段支持253个节点2.1原理2.1.1POWERLINK等时同步机制POWERLINK的时间槽管理机制反应了POWERLINK的整个控制机制。
在这个过程中，遵循IEEE1588分布式时钟系统标准，每个设备都将带上时钟以确保数据交换中的时钟同步，POWERLINK的循环周期由两个Master即管理节点MN和CN(Controlled Node)也称为从站Slave构成，在上电后，POWERLINK主站发布配置信息给每个从节点，然后发布SoC 同步开始帧，每个从节点接收到SoC后开始进入数据通信等待状态，在SoC后，MN发送PReq1到第一个节点，Preq1收到后发送PRs1到网络上并以广播形式发布，然后MN发送PReq2给第二个节点，然后第二个节点发送PRs2给网络，如此序列将到PRsN后结束，MN再发送SoA代表异步通信阶段开始，异步数据在这个SoA后开始发送到网络，整个过程称为一个POWERLINK循环帧，它由等时同步阶段和异步阶段构成，这些均可配置时间。
2.1.2多路复用机制为了提升网络效率，POWERLINK采用了多路复用机制来处理节点数较大的情况，通过网络配置，将系统设备划分为快速设备与慢速设备，对于快速设备可以在每个等时同步阶段进行数据刷新，而对于慢速设备可以每隔1~N个周期进行刷新，这样，即可缩短整个系统在每隔POWERLINK周期里的时间槽数，即使对于大量应用的节点也可以通过此种优化方式来提高整体的效率，因此，从这个角度来说,POWERLINK是非常具有灵活性和实用性的。
2.1.3PRC技术PRC-Poll Request Chianing Technology-轮询序列技术原有的POWERLINK轮询过程是SoC对表,MN发送Preq请求CN1～CNn,每个CN接受到请求后则Pres响应并广播数据到网络上，这个过程里存在的问题在的问题在于Preq和Pres的反复握手过程，而PRC技术则取消了这个握手，在Preq后每个节点不再握手而直接进行数据发送，这是因为每个节点都带有分布式时钟。
经过此种方式，整个POWERLINK网络的传输效率提高至少40%，对于80个POWERLINK 节点（其中伺服轴为40个，I/O站为40个,包含1000个I/O通道）的测试结果为800uS。
2.2POWERLINK网络架构由上图可知，MAC层和PHY均是标准的以太网，在数据链路层POWERLINK做了修改和调整，并在处理器中运行了POWERLINK SCNM循环控制的协议栈，由NMT对网络状态进行管理，POWERLINK状态包括启动、运行、停止、等待多个状态，NMT负责对网络的设备进行管理，SDO 和PDO分别作为网络配置与实时数据的接口，由应用软件提供与之匹配的数据接口，此依据CANopen的SDO和PDO对象字典来实现。
2.3功能2.3.1直接交叉通信交叉通信意味着控制节点之间可以交换数据，而无需通过主站（Master）。
同标准以太网的设备一样，POWERLINK上的节点遵循Producer/Consumer机制，在网络上广播数据。
通过检测数据帧地址，节点判断它们是否应该予以回应。
如果给出一个适合的配置，控制节点也可以理解其它节点返回的命令。
交叉通信的数据可以被控制器管理的节点同步。
这种柔性是使得它领先其它的Master/Slave概念，可以实现大型模块化机器设计的网络要求。
在很多模块内部，或多或少存在节点间的单独通信，这是模块的一部分。
每一个模块都有一个节点，负责调整模块内的通信，以及和其他模块的通信。
然而，在系统里，这些“模块主站”――PLCs 或I/O设备，普遍只被看作控制节点。
因此，这些模块基本上可以自行运行，而管理节点主要负责网络管理和模块间的同步。
另外，用户可能已经感受到交叉通信的好处了，即使在不复杂的应用中，例如，在印刷机中，所有驱动器的旋转编码器都与一个主编码器同步，这是一个简单且有效的方法，无需分布式时钟或其他工具。
交叉通信的好处在于省时，系统简单，控制任务少，在很多场合，它允许使用更经济的控制器。
它的好处在于：z中央和非中央控制设计（集中或分布式控制设计）z控制器－控制器通信z主轴直接给从轴设定值z编码器值的直接传递z直接事件传播z减少主站负载或者应用负载z多种模式，最小的数据负载z具有分散式安全设计能力2.3.2POWERLINK Safety是满足IEC61508的SIL3和PL e等级的机器安全网络。