摘 要：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求很高，不僅要求傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳輸還要具有確定性。以太網(wǎng)的通信存在不確定性，不能滿足實(shí)時(shí)性要求，成為以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)[2]就是網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信被嚴(yán)格地限定在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，確保在同一網(wǎng)段內(nèi)同時(shí)只有一臺(tái)在發(fā)送數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);確定性;調(diào)度;實(shí)時(shí)

1. 前言

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種特定應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，和商業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)相比，它具有自身的要求和特點(diǎn)，其中非常重要的一點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性要求高，不僅要求傳輸速度快，還要求響應(yīng)快，并且數(shù)據(jù)傳輸要具有確定性。以太網(wǎng)的通信調(diào)度方式——帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問機(jī)制（CSMA/CD），是一種非確定性的通信調(diào)度方式。網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過競(jìng)爭(zhēng)來取得信息的發(fā)送權(quán)：節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)才能發(fā)送信息。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，如發(fā)生碰撞，則需等待，等待的時(shí)間取決于“二進(jìn)制指數(shù)退避算法”得出的隨機(jī)延遲[1][4]，這種隨機(jī)延遲為工業(yè)通信的數(shù)據(jù)傳輸增加了難以避免的不確定性。

2. 系統(tǒng)模型

本設(shè)計(jì)通過在以太網(wǎng)MAC層之上增加確定性調(diào)度層，上層采用了EPA[3]（Ethernet of Plant Automation）協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝格式，因此使數(shù)據(jù)包的類型判斷和調(diào)度發(fā)送時(shí)間的獲取成為可能。EPA 是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、控制裝置之間，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行通信的分布式數(shù)字控制系統(tǒng)。這樣對(duì)所有的上層數(shù)據(jù)包在整個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)段范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包統(tǒng)一調(diào)度發(fā)送，從而避免碰撞現(xiàn)象的發(fā)生并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性要求。通信模型如圖 1所示：

圖1 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信模型

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是在嵌入式平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的，利用ARM7處理器和Cs8900網(wǎng)絡(luò)接口芯片搭建的硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，在同一網(wǎng)段中，每一個(gè)運(yùn)行的設(shè)備等同于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

上層采用EPA協(xié)議封裝，分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到達(dá)后，通過實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口向下遞交，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，等待調(diào)度發(fā)送。下一個(gè)發(fā)送周期到來后，將用新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新相應(yīng)緩沖區(qū);非實(shí)時(shí)通信服務(wù)通過OS中提供的BSD接口來提供，但是為了實(shí)現(xiàn)確定性的調(diào)度，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包穿越TCP/IP協(xié)議棧到達(dá)數(shù)據(jù)鏈路層時(shí)，不允許直接調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)包收發(fā)操作，而是通過一個(gè)虛擬的驅(qū)動(dòng)接口將數(shù)據(jù)包放入相應(yīng)的發(fā)送和接收隊(duì)列。修改原E-NIC的驅(qū)動(dòng)接口，使其成為虛擬驅(qū)動(dòng)接口，無法直接將數(shù)據(jù)遞交給硬件驅(qū)動(dòng)，而是入非周期隊(duì)列。對(duì)硬件網(wǎng)卡的收發(fā)操作在硬件驅(qū)動(dòng)接口中實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)圖如圖2：

圖2 以太網(wǎng)確定性調(diào)度設(shè)計(jì)圖

確定性調(diào)度層負(fù)責(zé)何時(shí)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)接口收發(fā)數(shù)據(jù)幀。當(dāng)確定性調(diào)度層收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)以太網(wǎng)幀首部的type字段來區(qū)分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀。若是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，將用收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新相應(yīng)緩沖區(qū);若是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則將其放入相應(yīng)的接收隊(duì)列并通過任務(wù)通信機(jī)制通知上層協(xié)議棧數(shù)據(jù)幀到達(dá)事件。確定性調(diào)度層的調(diào)度表由調(diào)度算法生成。

4. 主要模塊描述

實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口、虛擬驅(qū)動(dòng)接口、時(shí)鐘同步服務(wù)和實(shí)時(shí)調(diào)度算法為本設(shè)計(jì)的四個(gè)主要模塊。

4.1 實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口

實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口負(fù)責(zé)為上層應(yīng)用（協(xié)議）提供周期性實(shí)時(shí)消息的實(shí)時(shí)通信服務(wù)。

周期性實(shí)時(shí)消息的發(fā)送和接收采用緩沖機(jī)制，即為本節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中要發(fā)送的每個(gè)周期性實(shí)時(shí)消息在內(nèi)存中定義相應(yīng)的緩沖區(qū)，每當(dāng)上層應(yīng)用通過實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口發(fā)送新的消息時(shí)，即用該新消息值更新其對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)中的舊消息值;為本節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中要接收的每個(gè)周期性實(shí)時(shí)消息在內(nèi)存中定義相應(yīng)的緩沖，每當(dāng)上層應(yīng)用通過實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口接收新的消息時(shí)，則將對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)中的消息值返回。節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中將要發(fā)送的每個(gè)周期性實(shí)時(shí)消息必須要有與其對(duì)應(yīng)的已知的目標(biāo)地址（包括目標(biāo)MAC地址-用于識(shí)別節(jié)點(diǎn)，端口號(hào)-用于識(shí)別實(shí)時(shí)消息所對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)元素）。

實(shí)時(shí)通信服務(wù)接口要提供以下接口函數(shù)：

（1）RtAppInterface（）創(chuàng)建實(shí)時(shí)接口函數(shù)，用于實(shí)時(shí)周期性消息的發(fā)送和接收。

（2）RtMapping（）將由RtAppInterface（）函數(shù)創(chuàng)建的接口進(jìn)程映射到特定的地址（MAC，端口號(hào)（即緩沖元素的索引））。

（3）RtSend（）使用已創(chuàng)建和映射完畢的實(shí)時(shí)接口進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)消息的發(fā)送。

（4）RtRecv（） 使用已創(chuàng)建和綁定完畢的實(shí)時(shí)接口進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)消息的接收。

4.2 虛擬驅(qū)動(dòng)接口

虛擬驅(qū)動(dòng)接口負(fù)責(zé)為上層TCP/UDP/IP協(xié)議棧提供一套虛擬的驅(qū)動(dòng)程序接口，該接口必須與上層協(xié)議棧所使用的原硬件驅(qū)動(dòng)接口一致，但需改變?cè)摻涌谥械木唧w函數(shù)實(shí)現(xiàn)，使得虛擬驅(qū)動(dòng)接口所對(duì)應(yīng)的具體函數(shù)無法直接實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制（如打開，關(guān)閉設(shè)備，收發(fā)數(shù)據(jù)包等）。必須確保用虛擬驅(qū)動(dòng)接口替換原硬件驅(qū)動(dòng)接口后，從TCP/IP協(xié)議棧使用驅(qū)動(dòng)接口的角度來看，和使用原硬件接口一樣，即用虛擬驅(qū)動(dòng)接口替換原硬件驅(qū)動(dòng)接口的改動(dòng)對(duì)于上層協(xié)議棧的使用而言必須是透明的。對(duì)上層協(xié)議棧發(fā)下來的數(shù)據(jù)包以FIFO的順序緩存到消息隊(duì)列，何時(shí)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)接口發(fā)送這些數(shù)據(jù)包由確定性調(diào)度層決定。

虛擬驅(qū)動(dòng)接口提供的主要函數(shù)：

（1）RtVirtualIn（ ）接收IP層的發(fā)送數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包類型確定轉(zhuǎn)存入隊(duì)列還是向下遞交。

（2）RtVirtualOut（ ） 調(diào)用驅(qū)動(dòng)層的發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收發(fā)送返回信息。

（3）RtVirtualPacketType（）取對(duì)應(yīng)字段，判斷到來包類型（EPA類型字段 以太網(wǎng)類型字段）。

4.3 時(shí)鐘同步

在實(shí)時(shí)網(wǎng)段內(nèi)，時(shí)鐘同步是非常關(guān)鍵的，因?yàn)閷?shí)時(shí)網(wǎng)段內(nèi)各節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)運(yùn)行和消息發(fā)送都是基于時(shí)間基準(zhǔn)的，特別是總線上的消息調(diào)度，為了避免碰撞，消息間必須留出足夠的間隙來容納節(jié)點(diǎn)間的同步誤差。為了提高時(shí)鐘同步精度，應(yīng)把時(shí)鐘同步功能放在協(xié)議棧中盡可能靠近硬件的位置。本系統(tǒng)中時(shí)鐘同步功能由確定性調(diào)度層來提供。時(shí)鐘同步協(xié)議采用IEEE 1588協(xié)議[6]。

在實(shí)時(shí)網(wǎng)段內(nèi)選定一節(jié)點(diǎn)作為主時(shí)鐘，主時(shí)鐘定期發(fā)布時(shí)鐘同步消息，時(shí)鐘同步消息作為主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)上的周期性消息。由于時(shí)鐘同步消息在調(diào)度好的同步窗口中發(fā)送，可以保證時(shí)鐘消息的發(fā)送獨(dú)立于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載而無碰撞的發(fā)送，因而時(shí)鐘消息從發(fā)布節(jié)點(diǎn)到各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的延遲對(duì)各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)而言為一常量。

4.4實(shí)時(shí)調(diào)度算法

本設(shè)計(jì)采用的算法根據(jù)RM和EDF算法改進(jìn)而成的[7]，每個(gè)基本周期開始時(shí)動(dòng)態(tài)生成此基本調(diào)度單位（ESU）的調(diào)度時(shí)間表。整個(gè)鏈路時(shí)間由連續(xù)等長(zhǎng)的基本調(diào)度單位（ESU）組成，通常ESU為實(shí)時(shí)網(wǎng)段內(nèi)所有周期性實(shí)時(shí)消息的周期的最大公約數(shù)HCF。每個(gè)ESU被分成周期性實(shí)時(shí)消息窗口（PW）和非周期性消息窗口（AW），如圖3所示。PW中的調(diào)度根據(jù)事先由周期性實(shí)時(shí)消息調(diào)度算法生成的調(diào)度表來進(jìn)行，調(diào)度表的長(zhǎng)度為所有周期性實(shí)時(shí)消息的周期的最小公倍數(shù)LCM，調(diào)度表中與各個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的部分被存放在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)調(diào)度表中規(guī)定的時(shí)刻，以宏周期為循環(huán)單位周而復(fù)始的執(zhí)行周期性實(shí)時(shí)消息的發(fā)送動(dòng)作。在AW中，數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列節(jié)點(diǎn)輪詢的方式發(fā)送。按照非周期數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)要求將非周期數(shù)據(jù)劃分為i個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)優(yōu)先級(jí)在節(jié)點(diǎn)中維護(hù)一個(gè)非周期優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的非實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為i個(gè)。發(fā)送時(shí)采用節(jié)點(diǎn)輪詢的方式按優(yōu)先級(jí)從高到低的順序進(jìn)行發(fā)送，每次被輪詢節(jié)點(diǎn)將指定優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)全部發(fā)送。

圖3 基本周期內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送窗口

5.結(jié)論

本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)可以完成網(wǎng)段內(nèi)數(shù)據(jù)的調(diào)度發(fā)送，基于本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)完全可以應(yīng)用于一般的過程控制工業(yè)領(lǐng)域。通過改進(jìn)原型系統(tǒng)的時(shí)鐘同步機(jī)制等來可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及時(shí)鐘精度，基于本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)改進(jìn)的目標(biāo)是把時(shí)鐘精度提高到微秒級(jí)，進(jìn)而應(yīng)用于時(shí)間精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域，如運(yùn)動(dòng)控制等。

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