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　　摘要：实时控制网络是新型网络化、智能化工业装备的重要支撑技术。在研究POWERLINK实时工业以太网协议的基础上，以FPGA为核心，设计和实现了一个实时无线通信嵌入式硬件节点。其中，以FPGA作为实时网络协议栈处理单元，采用并行接口与主控单元实现高速数据交互，并基于典型射频模块实现无线数据传输接口，可支持高速无线数据传输。通过所集成POWERLINKIP核的实时链路层管理机制，实现了工业网络中多节点间数据的无线实时传输。

　　关键词：嵌入式；实时网络；POWERLINK；FPGA；射频；无线通信

　　1、引言

　　随着计算机、控制、网络等技术的发展，工业控制系统呈现出网络化、智能化特征。新型数控装备的控制系统，通过现场总线实现复杂机电结构的协同控制，可以进行高效、精密的任务加工，但是该类总线互操作性差，在运动控制中不能够满足精确时钟同步需求。随着新型工业装备对控制速度和精度要求的提高，工业以太网被广泛研究。工业以太网采用标准的IEEE802.3以太网和TCP/IP协议，利用信息级、流量控制以及虚拟局域网等技术，将工业以太网的实时响应时间做到5～10ms。为满足更高实时性能应用的需求，标准组织提出各种提升实时性的技术解决方案，以在IEEE802.3标准为基础，对相关标准的实时性进行扩展，实现与标准以太网的无缝连接。当前常见的标准实时工业以太网协议包括EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET和POWERLINK等，这些协议栈可以灵活地集成到嵌入式系统平台中，已经成为当前工业控制领域的重要技术。

　　其中，EthernetPOWERLINK基于标准以太网并对其进行实时性扩展。实时性要求事件触发到响应不超过特定应用约定的时间间隔，以保证系统的控制动作在规定时限内完成，工业网络的实时性同样要求数据传输在特定时限内完成实时通信。实时性的扩展满足了工控系统对响应时间的要求，克服了现有以太网通信中实时性能不足的弱点，表现出速度快、数据流量大、可靠性强和实时性高等性能优势，在工业控制领域开始得到应用。

　　POWERLINK是一个三层的通信网络，除物理层外还定义了精简且实时性极高的数据链路层协议，并定义CANopen为应用层协议，因此POWERLINK融合了以太网和CANopen二者的优点。POWERLINK基于标准的以太网，无需专用ASIC芯片，可以在ARM、FPGA、X86CPU等多种硬件平台上实现。目前，POWERLINK是一项开源的工业控制技术，应用于机械加工、工厂自动化制造和测量技术等要求苛刻的领域。

　　POWERLINK协议基于有线以太网网络设计，采用主从站同步通信机制，但是在现代控制网络中，自动化设备要求具有更高的灵活性和可移动性，射频技术的发展推进了无线通信高速、稳定的实现，所以无线通信作为数据传输的有效应用，具有一定的研究价值。本文在分析现有POWERLINK协议及其网络节点逻辑的基础上，基于FPGA研究和设计了无线通信节点电路与控制逻辑。

　　2、POWERLINK协议体系结构

　　POWERLINK通信协议基于普通以太网，属于开源的高实时性的现场总新方案。POWERLINK通信模型中包含了物理层、数据链路层和应用层。物理层遵循IEEE802.3快速以太网标准，因此以太网存在的地方就可以实现POWERLINK。数据链路层中，POWERLINK对标准以太网做调整和修改，定义了新的网络传输机制，通过网络通信管理NMT(NetworkManagement)对POWERLINK的整个协议栈进行初始化、配置以及错误的处理，包括构建解析数据帧、对数据帧定界、网络同步、数据帧收发顺序控制、实时通信的传输控制等；其中，ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用POWERLINK利用基于请求/应答模式机制实现数据实时通信，通信过程中，模式主站（MN）轮询所有从站（CN），主站发送Preq数据帧给1号从站，1号节点收到Preq数据帧后，上报一个Pres数据帧，以此类推，主站（MN）与i号从节点(CNi)的信息交互，在此循环周期时间设定的范围内，网络中的每个设备收发数据，实现网络时通信，这是POWERLINK协议实现的核心。应用层遵循CANOpen协议，协议为主控单元的应用程序提供统一的接口，使不同设备与应用程序之间有统一的访问方式，协议包括过程数据对象PDO（ProcessDataObject）、服务数据对象SDO（ServiceDataObject）和对象字典OD（ObjectDirectory），PDO是周期性、实时传输的数据，SDO是非周期性、实时性要求不高的数据，OD是连接主控单元和POWERLINK协议的接口，POWERLINK协议栈根据配置信息将OD中的对象数据组包发送，同时将接收到的数据存入至OD相应对象中，整个过程由POWERLINK协议栈自动完成。

　　3、节点硬件逻辑与电路

　　3.1硬件逻辑

　　该硬件主要为过程自动化的应用提供实时通信等功能。硬件系统的构成主要包括FPGA、射频电路、交互接口等。FPGA作为POWERLINK协议处理栈，完成对用户命令信息的处理；射频电路模块收发无线数据，实现无线通信，提高了设备移动的灵活性；交互接口实现主控单元控制系统和POWERLINK协议栈的数据交互。硬件系统中还包含有电源模块、有源晶振、JTAG接口、存储芯片、拨码开关、LED指示灯等；电源模块为FPGA以及其他芯片提供合适的工作电平，晶振为FPGA提供合适的外部时钟，

　　JTAG接口负责下载用户开发的FPGA配置文件和ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用协议的逻辑代码，存储芯片负责存储FPGA的配置文件和协议代码，拨码开关设定硬件节点在通信网络中的节点ID号，LED指示灯的亮暗变化显示了节点的通信状态。

　　3.2基于FPGA的协议处理单元

　　通信过程中，数据需经过协议栈的封装处理，协议栈采用FPGA作为处理器。FPGA采用Altera公司的低功耗、低成本、具有收发功能的CycloneIV系列EP4CE10芯片，该芯片针对无线、工业、用户以及通信等行业的低成本小型应用。

　　相较于软件实现协议栈，硬件实现方式能够提高通信调度速率和同步精度，有利于系统的稳定。CycloneIV系列的FPGA内部集成了诸多电路，包括全局时钟、嵌入式乘法器、丰富的存储器和各种外部存储器接口。用户根据需求综合、编译内部资源实现专业定制。FPGA时序控制能力强、运算速度快以及编程简易的优势，缩短了开发周期，降低了系统的功耗和设计成本。

　　利用SOPCBuilder工具对FPGA内部资源集成可实现专用定制。

　　FPGA内部，以NiosII软核处理器为控制核心，同时加入其它的IP核，包括并行控制器接口、存储器控制器接口、内部存储器以及JTAG控制器接口等和用户自定义的通信协议IP核，各IP核之间通过片上的Avalon总线与NiosII核相连，完成彼此间数据交互；FPGA外围电路包含LED指示灯、拨码开关、SRAM和JTAG接口等。FPGA内部系统构建完毕后，由SOPCBuilder生成SOPC系统，通过QuartusII对SOPC系统综合、编译并下载至FPGA和存储器中，完成芯片配置工作。

　　FPGA由存放在片内RAM单元的程序来设置其工作状态的。上电后，通过下载口下载程序至片内RAM，FPGA初始化并执行相应操作，但由于FPGA的片内RAM容量有限，不能满足复杂协ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用议栈程序的存储要求，设计中采用ISSI了公司的IS61LV25616AL型号的SRAM对其进行扩展，通过Avalon三态总线桥接口接入到NiosII系统中。该RAM由3.3V供电，其最小存取时间为10ns，容量为256K*16，具有电源和地、地址输入、数据输入/出、芯片使能输入、输出使能输入和写使能输入等引脚。