提高Powerlink乙太網同步性能的方法
2023-07-09 02:25:26
提高Powerlink乙太網同步性能的方法
【專利摘要】一種提高Powerlink乙太網同步性能的方法，包括：所有從站建立本地定時器；獲取乙太網通訊周期Tp及確定性延遲補償值Toffset；每一從站初次收到SOC包時，啟動本地定時器並設T為T=Tp－Toffset；從第二次收到SOC包起，每次收到SOC包時均將實際計時時刻與期望計時時刻作比較，存儲二者的時間偏差tn，其中：在第N+1次收到SOC包前，每次收到SOC包時，均將定時周期循環個數與SOC包到達次數相同的那一個定時周期T設為Tp；之後，每當n=N時，將n清零重新計數，求出時間偏差平均值並且在定時周期循環個數比該到達的SOC包的到達次數小1的那一個定時周期之後的N個定時周期均將T調整為本方法對主站同步抖動具有一定的容錯能力。
【專利說明】提高Power I ink乙太網同步性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高Powerlink乙太網同步性能的方法。
【背景技術】
[0002]隨著乙太網技術和電子信息技術的發展，傳統的現場總線正在向著工業乙太網的方向發展。工業乙太網的主要優勢在於傳播速率快、數據包容量大、傳輸距離長、拓撲結構靈活等。將總線應用在工業領域尤其是運動控制，要求工業乙太網擁有實時性——即確定性通訊、確定性響應以及同步性。新的國際標準IEC61784工業通信網絡一行規規範(Industrial communication networks-Profiles),根據實時性(如同步性能小於 Ius)要求定義了實時乙太網，並收錄了 10種實時乙太網，其中包括Ethernet Powerlink0
[0003]IEC61784中的實時乙太網均提供了自己的確定性通訊方式和同步方式。Powerlink米用請求、應答模式以及分時復用TDMA (Time Division Multiple Access)的機制來實現確定性通訊，如圖1所示。每個通訊周期分為同步階段和異步階段。同步階段由SOC (Start Of Cycle)同步包廣播下發啟動,主站與從站按照請求(圖中的Preq包)、應答(圖中的Pres包)模式進行數據交換。異步階段由SOA (Start of Asynchronous)異步包開始。
[0004]Powerlink 的同步方式可以米用 IEEE1588/IEC61588 協議(Standard for aPrecision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and ControlSystems)，亦稱作精確時鐘協議Precision Time Protocol (PTP)。IEEE1588的優勢在於節點較多以及跨網絡時均可以提供小於並接近Iu s的同步精度(硬體實現)。但是，ΙΕΕΕ1588的實現方式比較複雜。在節點數據較少的Powerlink網絡中，比如基於Powerlink的分布式數控系統，則無需使用ΙΕΕΕ1588而只用SOC同步也能達到〈I μ s的同步精度甚至比IEEE1588的同步精度高。
[0005]然而，對於實時性要求較高的場合，如分布式運動控制，同步性能越高越好。I μ s的同步精度依然不能滿足高速加工的需求。另外，這些網絡通常採用線形、環形、樹形的拓撲結構。對於此類網絡，只採用SOC同步包同步的話，則SOC每經過一個節點，其抖動幅度都會增加(抖動累積)。節點較少時(比如3、4個)還可以提供IOOns的同步精度,但節點較多時，就滿足不了要求。同時，從站直接依賴於主站SOC同步包，而主站實時性也會導致SOC抖動，既而會傳遞給從站。
[0006]Powerlink乙太網的物理層和鏈路層如圖2所示，Powerlink鏈路層通常由FPGA實現，Powerlink數據包由雙絞線流入RJ45網口，然後依次經過網絡變壓器、PHY晶片流入FPGA，再依次通過另一個PHY晶片、網絡變壓器、RJ45網口、雙絞線流入下一個節點。顯然，有兩個因素影響了 SOC同步包的準確性，繼而影響了整個系統各節點的同步性能:S0C同步包的抖動以及SOC同步包的延遲。
[0007]SOC抖動的原因是:S0C同步包每經過一個節點，它便由上一個節點的時鐘域轉入下一個節點的時鐘域，兩個異步時鐘間必定引起SOC同步包的抖動。單個節點的抖動不會大，但這種抖動是累積的，節點多時必然會將此放大。
[0008]SOC延遲的原因主要是確定性延遲，其包括:網線及線路板傳輸延遲(假設設備安裝後不再更換網絡);PHY晶片延遲；S0C同步包的轉發延時；S0C同步包的傳輸時間(S0C同步包大小固定)。
【發明內容】
[0009]本發明所要解決的技術問題在於提供一種基於SOC同步包的同步方式提高沒有採用IEEE1588協議的Powerlink乙太網同步性能的方法，該方法對主站同步抖動具有一定的容錯能力。
[0010]本發明所採用的技術方案是:提高Powerlink乙太網同步性能的方法，包括:
[0011]所有從站分別建立本地定時器，各從站每當本地定時器的計時計滿一個定時周期T時，便產生一次中斷；
[0012]各從站從主站獲取該Powerlink乙太網的通訊周期Tp及該從站的確定性延遲補
償值 Toffset ；
[0013]每一從站在 第一次接收到SOC同步包時，啟動本地定時器，並將本地定時器的定時周期T設為T=Tp - Toffset ；
[0014]每一從站從第二次接收到SOC同步包起,開始對SOC同步包的接收次數計數,計數值為n，並將計數值η與預先設定的計數閾值N進行比較，同時在每次接收到SOC同步包時均將SOC同步包到達時本地定時器的實際計時時刻Ts與期望計時時刻Tl作比較，以得到並存儲該實際計時時刻Ts與期望計時時刻Tl之間的時間偏差tn，如果實際計時時刻Ts早於期望計時時刻Tl，使tn為正值，如果實際計時時刻Ts晚於期望計時時刻Tl，使tn為負值；S0C同步包到達時期望的本地定時器計時時刻是指定時周期循環個數比該到達的SOC同步包的到達次數小I的那一個定時周期的結束時刻；其中:
[0015]每一從站在第N+1次接收到SOC同步包以前，每次接收到SOC同步包時，均將循環個數與該到達的SOC同步包的到達次數相同的那一個定時周期T設為Tp ；
[0016]每一從站從第N+1次接收到SOC同步包起,每當n=N時,將η清零後重新開始對SOC
同步包的接收次數計數，並求出時間偏差的平均值/N，並且，在定時周期循環個
H=I
數比該到達的SOC同步包的到達次數小I的那一個定時周期之後的N個定時周期均將本地定時器的定時周期T調整為T=Tp+ fn /N。
[0017]本發明具有以下優點:
[0018]1、本發明提供的提高Powerlink同步性能的方法，由於對本地定時器的定時周期做了靜態補償和動態補償，從而可以顯著提高Powerlink網絡的同步性能；在基於Powerlink的分布式數控系統中，可以使同步精度小於IOOns,從而可以提高分布式高速加工行業的加工精度。進而可以提高分布式製造的產品質量與效率，並使現場布線簡潔、易於安裝；
[0019]2、在本發明中，從站的同步信號(中斷)由本地定時器給出而不是以SOC同步包給出。SOC同步包在當前從站的抖動規律基本符合正態分布，用SOC同步包接收時刻的平均值替代單一值來動態調整本地定時器計時的漂移，可提高對SOC同步包的容錯能力；
[0020]3、本發明的實現方式比IEEE1588簡單，卻可以達到比它同步性能好的效果；對現有的Powerlink標準協議完全兼容,可以直接替換現有的Powerlink網絡而無需更改主站代碼。
【專利附圖】
【附圖說明】 [0021]圖1是Powerlink乙太網的通訊原理示意圖。
[0022]圖2是Powerlink乙太網的從站的物理層和鏈路層的結構示意圖。
[0023]圖3示出了 Powerlink乙太網中的一個從站採用根據本發明一實施例的提高Power I i nk乙太網同步性能的方法的流程示意圖。
[0024]圖4是具有線性拓撲結構的Powerlink乙太網的示意圖。
[0025]圖5是採用本發明提高Powerlink乙太網同步性能的方法的從站FPGA晶片的原理框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明做出進一步說明。
[0027]圖3示出了 Powerlink乙太網中的一個從站採用根據本發明一實施例的提高Power I i nk乙太網同步性能的方法的流程示意圖,其餘從站的流程與此相同。
[0028]結合圖3所示,根據本發明一實施例的提高Powerlink乙太網同步性能的方法,包括以下步驟:
[0029]所有從站分別建立本地定時器，各從站每當本地定時器的計時計滿一個定時周期T時，便產生一次中斷(請參考圖3的S11)。
[0030]在Powerlink乙太網的異步通信階段,各從站從主站獲取該Powerlink乙太網的通訊周期Tp及該從站的確定性延遲補償值Irffset (請參考圖3的S12)
[0031]確定性延遲中只有網線和級聯的節點數與現場安裝有關，其它的因素都在硬體固定下來後就固定了，因而可在硬體固定時測量出固定延遲(設為Tdelay),然後在現場安裝時根據網線長度和SOC同步包到達當前從站經過的從站數做補償。網線長度導致的是納秒級延遲，為簡化計算可以規定小於2m時忽略(分布式數控系統中，兩個節點的長度通常不超過半米)。設SOC同步包經過的從站數為m，則當前從站的確定性延遲的補償值Irffset為m*Tdelay。
[0032]若考慮線長，取每米5ns延遲，設當前節點與上一節點的接線長度為Im，則Tdelay
m_Tdelay+51m，則
[0033]
【權利要求】
1.提高Powerlink乙太網同步性能的方法,其特徵在於,包括: 所有從站分別建立本地定時器，各從站每當本地定時器的計時計滿一個定時周期T時，便產生一次中斷； 各從站從主站獲取該Powerlink乙太網的通訊周期Tp及該從站的確定性延遲補償值T.1 offset， 每一從站在第一次接收到SOC同步包時，啟動本地定時器，並將本地定時器的定時周期 T 設為 T=Tp - Toffset ； 每一從站從第二次接收到SOC同步包起，開始對SOC同步包的接收次數計數，計數值為n，並將計數值η與預先設定的計數閾值N進行比較，同時在每次接收到SOC同步包時均將SOC同步包到達時本地定時器的實際計時時刻Ts與期望計時時刻Tl作比較，以得到並存儲該實際計時時刻Ts與期望計時時刻Tl之間的時間偏差tn，如果實際計時時刻Ts早於期望計時時刻Tl，使tn為正值，如果實際計時時刻Ts晚於期望計時時刻Tl，使tn為負值；SOC同步包到達時期望的本地定時器計時時刻是指定時周期循環個數比該到達的SOC同步包的到達次數小I的那一個定時周期的結束時刻；其中: 每一從站在第N+1次接收到SOC同步包以前，每次接收到SOC同步包時，均將定時周期循環個數與該到達的SOC同步包的到達次數相同的那一個定時周期T設為Tp ； 每一從站從第N+1次接收到SOC同步包起,每當n=N時,將η清零後重新開始對SOC同步包的接收次數計數，並求出時間偏差的平均值
2.如權利要求1所述的提高Powerlink乙太網同步性能的方法,其特徵在於， 所述的計數閾值N=PXmXTphy/Tpl，P為採樣點係數，P > l，m為SOC同步包到達本節點經過的從站數量，Tphy為從站物理層的PHY晶片的時鐘周期，Tpl為從站鏈路層的FPGA晶片定時器的時鐘周期。
3.如權利要求1所述的提高Powerlink乙太網同步性能的方法,其特徵在於,各從站是在Powerlink乙太網的異步通信階段從主站獲取該Powerlink乙太網的通訊周期Tp及確定性延遲補償值Toffset O
【文檔編號】H04L7/00GK103607270SQ201310628093
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】王科, 嚴彩忠, 張金澤, 柳竹青 申請人:上海新時達電氣股份有限公司, 上海辛格林納新時達電機有限公司