POWERLINK通讯协议的硬件实现方法技术

本发明专利技术涉及工业以太网通讯协议技术领域，公开了一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法。本发明专利技术实施例中，该方法包括：POWERLINK通讯协议的数据链路层和物理层接口均基于以下任意一种芯片实现：可编程逻辑器件、定制硬件芯片、半定制硬件芯片；且，POWERLINK通讯协议的应用层基于以下任意一种方式实现：软核处理器、嵌入式处理器、通用处理器。采用本实现方法得到的POWERLINK主站或者从站设备，具有较高的数据传输响应能力，满足高速、高精度工业现场控制需求，同时又具有更灵活的扩展性，可以支持任意对象字典，任意从站数量，具有较佳的性价比，软硬件易于实现和维护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业以太网通讯协议
，特别涉及一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法。
技术介绍
随着以太网技术和电子信息技术的发展，传统的现场总线正在向着工业以太网的方向发展，POWERLINK便产生于此背景下，被收录于国际标准IEC61158和IEC61784。POWERLINK符合IEC61784关于实时以太网的定义，该协议包括了实时的以太网数据链路层和基于CANOpen的应用层，其子协议规范包括：通信描述IEC61784-2；服务协议IEC61158-300、IEC61158-400、IEC61158-500和IEC61158-600；设备描述ISO15745-1。OSI是一个用于开放信息处理系统标准化的通信模型，它是当今许多通用无数据优先级传输协议的参考模型。这个模型将数据传输的任务分为7层，每层(除了最底层)建立在另一层的基础之上。POWERLINK是一个三层的通信网络，根据OSI模型，它规定了物理层、数据链路层和应用层。POWERLINK与标准以太网的最大区别是其实时性、确定性，为此，它需要在数据链路层对数据包的链路进行管理来避免冲突，并通过同步包来提高网络内的同步性实时性。POWERLINK的主流方案来自EPSG(EthernetPOWERLINKStandardizationGroup：PowerLink标准化组织)，它提供了两种解决方案(HWDesignGuidelinesB&R公司，December7，2010)：方案1：FPGA(软CPU+FPGAMAC)+PHY结构：FPGA内部的CPU软核上用C代码实现协议栈，包括数据链路层和应用层，FPGAMAC为用FPGA硬件逻辑实现的IP核OpenMAC，它提供了优化过的MAC链路与定时同步控制。方案2：MCU+FPGA(软CPU+FPGAMAC)+PHY结构：FPGA内部的CPU软核上用C代码实现协议栈的数据链路层以及应用层接口；MCU则用来实现应用层；其它同方案1。也有一些芯片厂商提供了第三种方案：CPU+MAC+PHY的三芯片结构的方案：在CPU中用C代码实现软件协议栈(部分数据链路层和应用层)，MAC芯片用于PHY芯片的上数据收发管理，PHY芯片用于实现物理层数据收发。本申请的专利技术人在实现本专利技术的过程中发现现有技术存在如下问题：前述三种方案中，方案3实时性最差，它依赖于CPU的运行速率，而CPU是串行执行的，导致CPU对MAC的控制实时性差些。方案1、2均使用FPGA逻辑实现优化过了的链路控制，故对MAC的管理实时性较好，但方案1、2依然在FPGA外部用CPU实现应用层数据处理，虽具有一定的硬件加速能力，但是由于依然依赖CPU的运算处理能力，特别是FPFA嵌入的CPU运算能力较弱，实时性依然不是很好。在当今的高速、高精度工业现场控制领域，对同步数据传输及处理提出了越来越高的要求。而EPSG的两套设计方案中，影响通信速度最大的关键点是在FPGA内部的软核CPU对OpenMAC的驱动，造成大量的时间浪费。
技术实现思路
本专利技术实施方式的目的在于提供一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其使得POWERLINK通讯协议从物理层接口到数据链路层完全由硬件逻辑电路实现，而应用层则可以由存储空间扩展性强的软核CPU实现，从而使得POWERLINK通讯协议具有较高的数据传输响应能力，满足高速、高精度工业现场控制需求，同时又具有更灵活的扩展性，可以支持任意对象字典，任意从站数量，具有较佳的性价比，软硬件易于实现和维护。为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式提供了一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，包括：POWERLINK通讯协议的数据链路层和物理层接口均基于以下任意一种芯片实现：可编程逻辑器件、定制硬件芯片、半定制硬件芯片；且，所述POWERLINK通讯协议的的应用层基于以下任意一种方式实现：软核处理器、嵌入式处理器、通用处理器。本专利技术实施方式相对于现有技术而言，将POWERLINK通讯协议的数据链路层和物理层接口均基于硬件芯片实现，而将POWERLINK通讯协议的应用层基于软核CPU等实现，这样，本实施方式的基于硬件芯片实现的POWERLINK通讯协议部分再外接标准以太网物理层芯片和用户CPU(CenterProcessingUnit，中央处理器，简称CPU)即可组成一个完整的POWERLINK设备。基于本专利技术实施方式实现的POWERLINK设备，由于其数据链路层、物理层接口等部分基于硬件芯片实现，具有处理速度高的特点，从而能够满足当今高速、高精度工业现场控制领域对数据交换的需求，而对于POWERLINK通讯协议的应用层部分，由于其自身对于处理速度要求不高且对于存储空间的扩展性具有一定的要求，所以通过将其采用软核CPU实现，可以满足POWERLINK设备的扩展性、灵活性、支持的从站数量等，综上所述，本实施方式的POWERLINK通讯协议的硬件实现方法既满足了高速、高精度工业现场控制领域的需求，又有利于降低硬件成本，具有较强的实用性。另外，所述数据链路层包括：应用层缓存，用于缓存应用层数据；DMA控制器，用于在应用层缓存和物理层缓存之间进行直接数据读写；第一状态机，用于管理整个POWERLINK通讯过程，从初始化直到POWERLINK通讯建立；第二状态机，用于管理已建立的POWERLINK通讯循环周期；寄存器阵列，用于修改网络参数和监控运行状态；时钟，用于第一状态机、第二状态机以及寄存器阵列之间的时钟同步；物理层配置模块Phy_cfg，用于将物理层配置数据下发给物理层接口；应用层接口APP_IF，用于在应用层和寄存器阵列之间进行网络参数和运行状态交换。从而使得POWERLINK通讯协议的数据链路层基于硬件芯片实现，并且还实现了在应用层缓存和物理层缓存之间进行直接数据读写的DMA控制器，从而使得实现的POWERLINK设备能够满足高速、高精度的工业现场控制领域的需求。另外，所述物理层接口包括：介质无关接口MII，用于根据从所述Phy_cfg接收的物理层配置文件对物理层进行配置；媒体访问控制子协议OpenMAC，用于连接物理层并控制物理层上的数据收发；连接器OpenHub，用于将所述OpenMAC连接到至少两个网络接口；物理层缓存，用于缓存所述OpenMAC的收发数据。另外，所述数据链路层包括：主站数据链路层或者从站数据链路层，所述主站数据链路层的控制流程包括：第一状态机初始化，通过对网络内各节点进行评估从而确定将本节点设置为主站还是从站，并在将所述本节点设置为主站后跳转至第一状态机网络监测状态；第一状态机网络监测状态，在所述第一状态机网络监测状态下，主站监测所述网络中是否有其他主站处于活动状态，如果存在活动的主站，则跳转到第一状态机基础以太网状态，如果没有监测到活动的主站，则跳转到第一状态机第一预处理状态；第一状态机第一预处理状态，在所述第一状态机第一预处理状态下，执行POWERLINK短周期，主站发送请求帧给所有从站，并接收从站回复的应答帧，主站根据应答帧对从站进行登记，当所有预期的从站登记完成后，跳转到第一状态机第二预处理状态；第一状态机第二预处理状态，在第一状态机第二预处理状态下，主站会发送配置信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其特征在于，包括：POWERLINK通讯协议的数据链路层和物理层接口均基于以下任意一种芯片实现：可编程逻辑器件、定制硬件芯片、半定制硬件芯片；且，所述POWERLINK通讯协议的的应用层基于以下任意一种方式实现：软核处理器、嵌入式处理器、通用处理器。

【技术特征摘要】
1.一种POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其特征在于，包括：POWERLINK通讯协议的数据链路层和物理层接口均基于以下任意一种芯片实现：可编程逻辑器件、定制硬件芯片、半定制硬件芯片；且，所述POWERLINK通讯协议的的应用层基于以下任意一种方式实现：软核处理器、嵌入式处理器、通用处理器。2.根据权利要求1所述的POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其特征在于，所述数据链路层包括：应用层缓存，用于缓存应用层数据；DMA控制器，用于在应用层缓存和物理层缓存之间进行直接数据读写；第一状态机，用于管理整个POWERLINK通讯过程，从初始化直到POWERLINK通讯建立；第二状态机，用于管理已建立的POWERLINK通讯循环周期；寄存器阵列，用于修改网络参数和监控运行状态；时钟，用于第一状态机、第二状态机以及寄存器阵列之间的时钟同步，物理层配置模块Phy_cfg，用于将物理层配置数据下发给物理层接口；应用层接口APP_IF，用于在应用层和寄存器阵列之间进行网络参数和运行状态交换。3.根据权利要求2所述的POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其特征在于，所述物理层接口包括：介质无关接口MII，用于根据从所述Phy_cfg接收的物理层配置文件对物理层进行配置；媒体访问控制子协议OpenMAC，用于连接物理层并控制物理层上的数据收发；连接器OpenHub，用于将所述OpenMAC连接到至少两个网络接口；物理层缓存，用于缓存所述OpenMAC的收发数据。4.根据权利要求1所述的POWERLINK通讯协议的硬件实现方法，其特征在于，所述数据链路层包括：主站数据链路层或者从站数据链路层，所述主站数据链路层的控制流程包括：第一状态机初始化，通过对网络内各节点进行评估从而确定将本节点设置为主站还是从站，并在将所述本节点设置为主站后跳转至第一状态机网络监测状态；第一状态机网络监测状态，在所述第一状态机网络监测状态下，主站监测所述网络中是否有其他主站处于活动状态，如果存在活动的主站，则跳转到第一状态机基础以太网状态，如果没有监测到活动的主站，则跳转到第一状态机第一预处理状...

【专利技术属性】
技术研发人员：严彩忠，王科，李延法，张金泽，刘伟东，丁信忠，付博，段杰芳，
申请(专利权)人：上海新时达电气股份有限公司，上海辛格林纳新时达电机有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31