一种双层Powerlink网络的网关

赵经时，史贵林，张静怡，李一石

（北方自动控制技术研究所，太原 030006）

一种双层Powerlink网络的网关

赵经时，史贵林，张静怡，李一石

（北方自动控制技术研究所，太原 030006）

描述了一种双层Powerlink网络的Powerlink网关，用于解决不同层次实时以太网总线之间数据转换以及不同网络之间周期同步的问题。其主要是解决了两层实时Powerlink网络通信时的周期不同步问题，通过使用这一同步机制使下层Powerlink网络在接入上层Powerlink网络时能够同步于上层网络，使每一个接入在同一上层网络的下层网络的动作实际都与上层网络保持同步，从而确保双层网络数据交互的正常进行。

双层Powerlink网络，网关，周期同步

0 引言

随着我军武器系统装备的快速发展，有必要将信息系统与各种武器平台连接为一个有机整体，组成初级战术网使其互相渗透和紧密交融，快速协作完成“侦控打保评”过程，从而提升整体作战效能。

考虑到火力控制的时敏特性和作战指挥大量信息的需求，通信网络要具备强实时和高带宽的特点，并且能实现网络与总线的综合集成。实时以太网的实时性和带宽能够满足传输实时控制数据、感知数据、音视频数据的需求，可用于火指控一体化设计。在诸多实时以太网技术中，Ethernet POWERLINK（EPL）以其出色的性能以及开放的源代码成为首选技术。

在基于单层Powerlink构建出的火指控一体化的通信网络架构中，一体化平台内所有节点由Powerlink网络实时连接，但这种结构只适用于平台内部或小型系统，平台间的交互还是非实时的。有两种方式解决平台间的实时交互：

（1）多个平台都接入在同一层Powerlink网络中，在一个实时网络中进行信息交互。但是平台内部存在较大数量的通信节点，在平台间通过单层实时以太网通信时，会导致同一网络节点数过多，使网络本身的实时性无法满足火控级需求。

（2）不同平台通过两层实时以太网连接，平台内由下层Powerlink网络连接，平台间和一些独立设备由上层Powerlink网络连接，完成战术信息系统与实装武器平台的交联和综合集成。这种方式可以实时地实现多平台协同控制技术，双层网络可以通过网关连接，网关连接的两级网络中下层网络为平台内部进行同步和信息实时交互的Powerlink网络，仅用于平台内的数据可以不发送到上层网络，上层网络为平台间进行周期同步和信息交互的网络，两层网络由Powerlink网关连接，组成一个上下两层周期长度不同，但能够同步的信息交互系统。其中网关在下层网络中作为主节点存在，上层网络中节点主要由本网关和普通Powerlink从节点组成，组成战斗协同网络。

图1 双层网络的结构

1 双层Powerlink网关的功能

图2 双层Powerlink网关的功能实现过程

双层Powerlink网关可以将大量节点分散到多个不同网段中，并通过一个主网络连接在一起，单个平台内部的节点分布在一个较小网络内，解决了多平台间通过Powerlink网络互连时，由于节点数过多导致通信周期过长的问题。具有以下功能：

（1）同一个设备内存在两个Powerlink节点，并且是不同Powerlink网络的节点，在其中一个网络中作主站，另一个网络中作从站；

（2）两层网络间的周期具有相关性，并且通过Powerlink网关进行同步；

（3）在未接入上层网络时，该网关可以作为下层网络的主站独立运行，与普通主站作用一致。

所以双层Powerlink网关的功能主要是：作为下层网络的主站工作、在上下层网络间转发数据、对下层网络周期进行同步。

2 双层Powerlink网关的设计与实现

2.1 硬件设计

图3 双层powerlink网关硬件结构

双层Powerlink网关，分为电源模块、上层网络从节点、下层网络主节点3部分组成，硬件上主要包括MCU芯片，RAM，ROM，FPGA芯片，时钟，FLASH，SRAM，PHY芯片，电源等，硬件上与普通Powerlink主站或从站区别不大。

2.2 普通Powerlink协议栈

双层Powerlink网关最基本的作用就是分别作为上层网络从站和下层网络主站，其在单层Powerlink网络中的作用与普通Powerlink协议栈相同。Powerlink网络的同步是通过每周期开始时的SOC帧完成的：若配置Powerlink网络的周期为T0，主节点在产生第一个SOC帧之后，计时器记录经过一个周期T0的时间，主节点会再产生一个SOC帧，同时将计时器的寄存器记录的时长清零，开始下一个周期，每一个从节点都以其接收到SOC帧作为执行动作的同步时间，也作为这一个周期的开始，整个网络实现同步。

在检测不到上层网络存在时，双层Powerlink网关作为下层网络的主节点，使用本身的时钟和计时器产生SOC帧完成本网段的同步过程，其过程与普通的Powerlink网络同步过程过程一致。

双层Powerlink网关的上层网络从节点部分作为普通从节点在上级网络进行周期同步，过程与现有的Powerlink网络同步过程一致。

2.3 双层Powerlink网络数据交互过程

双层Powerlink网关的核心功能是双层网络间的数据交互，当双层Powerlink网关接收到上层Powerlink网络的SOC帧时，将这一时间作为上下层各个设备动作的同步时间。在上层网络从节点部分接收到SOC帧时，FPGA芯片产生一个时间中断（IRQ），将这一中断信号接入到下层主节点MCU的CPU中断上，这一中断触发以下3个过程：

（1）从寄存器中读取计时器的当前值，这一值为上一SOC帧产生之后到此时的时长ΔT；

（2）将数据帧中预设的一个标志位IRQ标志位置1，表明接收到了同步信号。

（3）以这一信号为起始点开始下一个大周期（上层网络周期）的周期同步和数据交互，数据交互通过上下层主控单元对DPRAM进行读写操作进行，其中分为3种情况（T0为下层网络周期时长）：

①当T0-ΔT≤10 μs时，下层网络的动作时间相对上层网络有一个较小的延迟；下发过程：上层从节点在自身接收SOC帧的ΔT时刻后将下发数据写入下层主节点，下层主节点在一个下层周期后将数据发送到下层网络上；上报过程：下层主节点在接到上层时间中断后，在收到下层网络的第二个SOC时将下层网络数据写入上层从节点，上层从节点在一个上层周期后将数据发送到上层网络上；

②当ΔT≤10 μs时，下层网络的动作时间相对上层网络有一个较小的超前；下发过程：上层从节点在自身接收SOC帧后立刻将下发数据写入下层主节点，下层主节点在一个下层周期后将数据发送到下层网络上；上报过程：下层主节点在接到上层时间中断后，在收到下层网络的下一个SOC时将下层网络数据写入上层从节点，上层从节点在一个上层周期后将数据发送到上层网络上；

③当ΔT≥10 μs且T0-ΔT≥10 μs时，下层网络的动作时间相对上层网络完全不同步，需要通过舍弃下层网络一个周期的时间进行同步；下发过程：上层从节点在自身接收SOC帧后立刻将下发数据写入下层主节点，下层主节点在一个下层周期后将数据发送到下层网络上；上报过程：下层主节点在接到上层时间中断后，在收到下层网络的下一个SOC时将下层网络数据写入上层从节点，上层从节点在一个上层周期后将数据发送到上层网络上。

2.4 周期同步过程

在数据交互过程中，上层网络还要对每一个下层网络的运行周期进行同步，双层Powerlink网关通过调整下层网络每周期的开始时间完成上下层周期的同步过程，下层周期开始时间的调整由下层主节点中计时器Timer的时间中断中添加的一个判决机制完成，判决流程如下（T为计时器当前计时时长，T0为下层网络周期时长）：

图4 调整同步周期的判决流程

（1）判断是否接到了上层的时间中断（IRQ标志位是否为1），若未接收到中断，转到步骤（2），若接收到中断，转到步骤（3）；

（2）IRQ标志位为0时，将计时器的计时周期T更新为T=T0，下一个SOC帧在T0时间后产生，然后转到步骤（9）；

（3）IRQ标志位为0时，判断ΔT的大小，当ΔT≤10 μs（这一参数取决于网络特性，可根据网络参数调整）时，此时下层周期相对上层周期超前ΔT，转到步骤（4），当ΔT＞10 μs时，转到步骤（5）；

（4）将计时器的计时周期T更新为T=T0+ΔT，转到步骤（8）；

（5）判断T0-ΔT的大小，当T0-ΔT≤10 μs时，此时下层周期相对上层周期滞后T0-ΔT，转到步骤（6），当T0-ΔT＞10 μs，上下层周期之间同步差距较大，转入步骤（7）；

（6）将计时器的计时周期T更新为T=ΔT，在计时T之后产生SOC帧，转到步骤（8）；

（7）为避免对下层网络传输造成较大干扰，将下层网络空闲一个周期作为缓冲，计时器的计时周期T更新为T=2T0-ΔT，在计时T之后产生SOC帧，转到步骤（8）；

（8）置零IRQ标志位，转到步骤（9）；

（9）启动计时器，完成同步过程。

3 结束语

Powerlink实时以太网的应用可以有效地促进任务网和控制网的融合，实现平台内部的单一总线通信。但是在需要多平台间协同时，如果采用单层网络，过多的节点数会导致整个网络实时性的下降，为保证整个系统的实时性，将网络分为两层是一种行之有效的手段。该双层Powerlink网关实现了两层网络分别以不同的周期同步运行，在本层网络中实时的传输数据，同时在网络间实时的交互数据。

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［5］谢希仁.计算机网络（第五版）［M］.北京：电子工业出版社，2008.

A Gateway of Two-level Powerlink Network

ZHAO Jing-shi，SHI Gui-lin，ZHANG Jing-yi，LI Yi-shi
（North Automatic Contol Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

This paper describes a gateway of two-level Powerlink network for solving the problems of data conversion among real-time Ethernet bus of different level and periodic non-synchronous communication among various networks.By using this synchronous mechanism，lower-level Powerlink network can synchronous access to upper-level Powerlink network，that is to say，those accessing to upper-level network communication nodes in lower-level network which will keep synchronous operation with the upper-level Powerlink network to ensure data interaction of two-level Powerlink network.

two-level Powerlink network，gateway，periodic synchronous

TP393

A

1002-0640（2015）07-0180-04

2014-06-10

2014-07-07

赵经时（1989- ），男，山西侯马人，在读研究生。研究方向：嵌入式设计。