Powerlink专业课程设计方案报告现场总线关键技术及应用.doc

大作业

题目 Linux操作系统下POWERLINK主站和从站通信

课 程 名 称 现场总线技术及应用
院（系、部、中心） 自动化学院
专 业 自动化
班 级
学 生 姓 名
学 号
设 计 地 点
指 导 教 师

目录
一、课程设计目标 3
二、课程设计题目及要求 3
1、题目 3
2、设计要求 3
三、环境搭建 3
1、硬件环境： 3
2、软件环境： 3
3、源代码和安装文件： 4
四、powerlink原理 4
1、Powerlink是ICE国际标准，通信描述 4
2、Powerlink网络建构 5
3、通信过程 5
3、主站发送参数配置过程 8
4、从站接收配置之通信参数配置 8
5、openCONFIGURATOR介绍 9
五、操作过程 9
1、主从站之间通信 9
2、openCONFIGURATOR应用 19
六、实习体会 28

一、课程设计目标
经过对Powerlink理论学习和完成Powerlink主站和从站通信实践工作，将这门课程理论知识尤其是Powerlink这种现场总线理论和应用知识深入巩固和完善，培养学生较强工程实践能力，为深入学习专业知识和从事相关专业工作打下坚实基础。
二、课程设计题目及要求
1、题目
Linux操作系统下POWERLINK主站和从站通信
2、设计要求
掌握Powerlink工作原理，使用开源openConfigurator对主站和从站进行配置，对开源openPOWERLINK代码在Linux系统下进行编译实现主站和从站通信功效，利用网络诊疗工具wireshark检验和验证通信功效。
三、环境搭建
1、硬件环境：
一台PC机，安装两台虚拟机，一台作为主站，另一台作为从站
2、软件环境：
a)安装虚拟机VMware player；
b)安装Linux操作系统Ubuntu；
c)安装程序文件产生器Doxygen；
d)安装编译安装工具CMake
e)安装网路数据包捕捉函数库libpcap作为网卡驱动
3、源代码和安装文件：
a）openPowerlink源代码，需要在Linux下编译；
b）openConfigurator源代码，需要在Linux下编译；
c）能够不编译openConfigurator源代码，直接在32位Windows环境下运行openConfigurator可实施文件，用来配置网络参数和映射参数。将生成mnobd.cdc文件和xap.h文件拷贝到openPowerlink源代码指定目录下，供主站配置整个网络。
四、powerlink原理
1、Powerlink是ICE国际标准，通信描述
– IEC 61784- - 2
§ 服务和协议
– IEC 61158- - 300
– IEC 61158- - 400
– IEC 61158- - 500
– IEC 61158- - 600
§ 设备描述
– ISO 15745- -1 1
现在中国唯一实时以太网国家标准（ GB/T- - 27960 ）
2、Powerlink网络建构
Powerlink是一个三层通讯网络，它要求了物理层、数据链路层和应用层

3、通信过程
此次课程设计我们安装两个ubuntu操作系统，一个作为主站，一个作为从站。其中，主站发送一个数据给从站，同时从从站接收一个数据。以下图所表示：

POWERLINK 主站和从站事先定义了部分对象，这些对象申明在 objdict.h中。这些对象作用就是用来存放通信数据。下图为通信模型。
节点i

节点k
通信过程为：
1、主站把需要通信 object 数据，组成发送数据桢，发送给从
站。从站接收到该数据桢，将数据桢中数据解析，放到从站本身object 中。
2、 一样道理从站把需要通信 object 数据，组成发送数据桢，以广播方法发送网络上。主站或其它从站接收到该数据桢，将数据桢中数据解析，放到从站本身 object 中。
3、所以，POWERLINK 通信，实际上就是主站上 object 和从站上 object 之间相互通信。需要注意是，相互通信两个 object，在数据长度上最好相同，不然，轻易产生错误。比如主站上某一个object 数据长度为 16bits, 而某个从站上 object 为 8bits，这两个object 要通信， 可能会出现主站发来 16bits 数据要被保留到从站 8bits object 上，这就造成了数据丢失。
通信模型关键点：
1．对象字典
由通信模型可知，要通信，首先需要有 object，全部 object 集合，
就成为对象字典。通信之前，首先要定义对象字典。
2．映射参数（mapping） ：
描述object 和数据桢中数据段对应关系参数叫做 映射参数（mapping ).这个参数描述了 object 怎样组建成数据桢；和怎样将数据桢解析，将数据桢中数据存放到 object 中。
3．应用程序中对 object 访问
通信最终目标是为应用程序服务，将通信数据交给应用程序使用。Object 是通信协议和应用程序之间接口，通信协议将数据保留至 object 或从 object 把数据取走。应用程序从另外一测和 object 打交道。
3、主站发送参数配置过程
主站和从站区分：每个循环周期，从站只需要发送一个 TPDO 数据帧。而主站假如基于请求/应答模式，一个循环周期需要向网络中全部节点全部发送一次请求数据帧 Preq，而且对应也会收到从站回复 Pres，一个 Preq 数据帧就是一个 TPDO,而一个 Pres 数据帧，就是一个 RPDO。这也就意味着主站在发送时，需要有多个发送 TPDO通道；在接收时，需要有多个接收 RPDO 通道。举例来说，假如一个系统里，有 1 个主节点和 3 个从节点。此时主站需要 3 个发送通道和 3 个接收通道。
4、从站接收配置之通信参数配置
参数 0x14XX 描述接收配置通信参数，XX 取值范围为 0x00 至 0xFF。该参数描述了此节点需要接收来自哪个节点数据。以前面讲述 POWERLINK 基础原理可知，POWERLINK 支持交叉通信，所以每一个节点全部能够接收来自另外一个或多个节点数据。所以一个节点能够有多个接收通道。比如 0x1400 是一个通道，接收来自主节点数据，那么就把 0x1400/0x01 值设为 0（默认值设为 0，表示接收来自主站请求数据）；0x1401 是一个通道，接收来自 3 号节点数据，那么就把 0x1401/0x01 值设为 3，这么该节点在同一个循环周期你既接收来自主站数据，也接收来自 3 号节点数据。
5、openCONFIGURATOR介绍
假如使用手动配置网络，那么每次修改网络参数，全部要重新编译程序，重新下载，显然在一些场所是不能接收。 而且手动配置过程过于复杂。 所以手动配置适适用于产品开发和调试阶段。当产品开发完成，交付给用户时，就不适合使用手动配置方法来配置网络。
为此我们提供了一个工具 openCONFIGURATOR，使用此工具能够方便快速组建一个网络轻松地配置各个节点网络参数和映射参数。openCONFIGURATOR 是一个 POWERLINK 组网工具或组态工具。 该工具输入为网络设备 XDD 文件， 输出文件关键是后缀名.cdc网络配置文件。该 cdc 文件是一个二进制文件，保留了整个网络配置信息。主站会依据这个 cdc 文件来配置网络主站参数， 和各个从站网络参数和映射参数和循环周期等
参数，这个文件不是程序一部分，她只是一个存放文件。
五、操作过程
1、主从站之间通信
1. 在vm虚拟机下安装Ubuntu操作系统
按下图步骤进行配置

填写用户名密码而且配置完成后，系统会自动安装并打开，填写密码登陆后进入操作系统桌面，打开终端进行操作。

2. 下载程序文件产生器doxygen

3. 下载编译安装工具cmake

4. 下载网路数据包捕捉函数库libpcap作为网卡驱动

5. 下载wireshark工具

6.将下载好openCONFIGURATO文件和openPOWERLINK源代码复制到虚拟机磁盘中。

7. 进入prj/openPOWERLINK-v2.0.2-2/doc/software-manual文件夹下运行doxygen文件产生指导书，过程及结果以下图

8. 生成底层配置文件并进行编译，过程及结果以下所表示

底层文件配置成功
9. 根据指导书上过程生成可实施文件
由上图可知主站可实施文件已经生成，此时进入安装文件夹下，复制该虚拟机作为从站，然后进行以下配置生成可实施文件。

可知从站可实施文件已生成。
10. 运行主站可实施文件，进行主站和从站之间通信。
A） 配置主站通信

选择eth0网卡

通信成功，主站传输数据
B） 配置从站通信

选择对应和主站相同网卡eth0

通信成功，从站接收到来自主站数据。
11. 打开wireshark，经过此工具观察主从站之间通信过程
A） 打开wireshark

B）在界面中选择主从站配置时选择网卡eth0，点击start开始通信

C）以下图所表示，能够观察到主从站之间通信数据信息

2、openCONFIGURATOR应用
1. openCONFIGURATOR安装
进入openCONFIGURATOR-v1.3.1-linux-i386文件夹运行confiture可实施文件，系统就会自动下载安装所需文件

编译成功能够在gui文件夹下看到可实施文件openCONFIGURATOR,运行此文件。可打开openCONFIGURATOR
以下图进行配置

在此页面“choose save option”下三个选项中选择poompt选项，其作用是当用户修改了配置或退出时，openCONFIGURATOR会淡出一个窗口问询是否保留。

接下来如上图所表示，导入主站XDD文件，我们选择import XDD/XDC选项，是因为此选项用于用户自己开发主站或第三方提供主站，来导入和主站相对应XDD文件。并在接下来弹出窗口中选择“yes”选项，openCONFIGURATOR会自动计算并填写主站中以下参数配置信息，完成了添加一个网络配置工程，并在网络里添加了一个默认主站工作。
然后进行从站添加工作，以下图进行配置

在弹出窗口中填好对应从站名称，节点号和和主站相同选项。

观察从节点，单击某个从节点，显示以下界面，以下图进行配置

“pollResponse Timout”选项是指主站接收该从站pollresponse数据帧超时时间，也可看作主站为该从站发送数据所分配时间片
然后配置接收和发送网络参数和映射参数
首先配置从站发送PDO映射信息，发送PDO映射信息，描
述了怎样将该节点对字典中object打包成一个数据帧，单击cm中PDOTPDO，按下图进行配置。

然后配置从站接收映射信息
接收PDO映射信息，描述该节点，怎样解析收到数据帧，设置同上图主站一样，配置完成后大考TPDOobjectmapping（0x
01和ox02），能够看到配置结果以下图所表示

设置循环周期
单击openPOWERLINK_MN(240)，在右边cycletime里填写循环周期

进行下面操作对工程进行编译

编译结果以下图所表示，下图显示编译成功

六、实习体会
现场总线这门课，经过了赵老师和陆老师两位老师讲解，我对这门课认识很深刻，首先我喜爱计算机网络，并经过了全国计算机等级考试三级网络技术这个考试。
首先，即使此次powelink课程设计时间很短，任务也不是很重，不过这个总线，我们在课堂上没怎么包含，不过确实是比较常见一个总线标准。课程设计内容关键在软件方面，不过我们实习过程中还是出现了很多问题，首先在安装Ubuntu系统时因为试验室没有网络原因，造成大家在这方面浪费了很多时间，我们在自己做时候，到了后面部分需要用到网络地方进行也不是很顺利，不过在老师帮助下我们还是顺利完成了此次课程设计。
其次，在于我们对这个总线原理了解，课上听讲全部认为是很抽象一个物体，在进行了几次亲身体验以后认为这个不像是自己想那样简单，而是很复杂一个系统类型，所以要学还是很多。
最终，我认为此次实习还是入门阶段，以后学习还是需要靠我们自学，比如在这次设计过程中需要查阅资料，安装部分虚拟机软件，这个是我之前全部没有接触过，经过接触我认为外面世界很大，很出色，这也激发了我对学习爱好。这次设计作业我也是收获了好多，我想在以后学习和生活中，我能够很好利用这些经验和技能，愈加好去实现自己理想。