开源实时以太网POWERLINK详解

《开源实时以太网POWERLINK详解》详细讲述了实时以太网技术——POWERLINK，它是一个技术开放、代码开源的实时以太网通信解决方案。该方案被广泛应用于工业界的运动控制和分布式过程控制，涉及的行业包括电力、能源、高铁、伺服驱动器、数控加工、纺织和印刷等。本书浅入深地介绍POWERLINK的原理、功能特点、应用和实践等内容，使读者可以用POWERLINK产品构建一个网络，并对网络故障进行诊断。本书适合从事工业控制的嵌入式设计程师、电子工程师等阅读，也可作为高校电子、自动化专业的技术参考书。

《开源实时以太网POWERLINK详解》特色：

理论结合实践，在介绍理论知识的基础上，重点讲述如何实现POWERLINK，如何运行和使用POWERLINK。

内容全面，涵盖了一个通信协议的所有层面——物理层、数据链路层、应用层。

以应用为重点，阐述如何开发POWERLINK的产品、如何联调POWERLINK产品、如何使用POWERLINK产品，以及如何诊断POWERLINK网络错误。

实时以太网技术是现场总线技术的最前沿发展，已广为应用，POWERLINK是最早被应用的实时以太网技术，并且不断发展升级，它对于智能制造与机器控制而言，在确保加工的精度、速度以及生产灵活性方面至关重要，其冗余设计、大数据传输能力更可被过程自动化、工厂自动化应用，基于POWERLINK的安全技术也是满足工业4.0对于系统安全协同需求的关键技术。

《开源实时以太网POWERLINK详解》是第一本完全基于实时以太网技术的图书，由具有丰富应用经验的工程技术专家编写，并结合实际开发与应用，对于工业自动化、嵌入式系统开发、运动控制、机器人等领域的技术开发人员具有全面而系统的支持和帮助作用，其内容涵盖：

现场总线技术及其发展

POWERLINK技术基础

基于FPGA的POWERLINK主站与从站实现

POWERLINK测试与配置

POWERLINK应用

肖维荣，德国卡塞尔大学电气工程系工学博士，山东大学控制科学与工程学院兼职教授/博士生导师，上海交通大学安泰管理学院EMBA。研究领域：现场总线与控制技术，电机的设计与计算，用数值场分析方法设计电磁能量转换系统，磁浮轴承的设计与应用，电机与驱动系统的动态仿真，PLC, IPC, 变频器、伺服系统等工业自动化技术，模糊逻辑以及非线性调节技术，在国际国内各学术期刊发表35篇以上论文，并且是《可编程计算机控制器》、《装备自动化工程设计与实践》两本图书的主要作者。自1996年起担任贝加莱（中国）总经理以来，积极推动前沿控制技术在大学的实践，共为中国本土大学资助26个合作实验室，并且推动实时以太网POWERLINK技术的开源以及在中国的应用推广。

前言
第1章总线概述 1
1.1现场总线 2
1.1.1现场总线技术的发展 2
1.1.2现场总线产生的需求 2
1.2以太网技术 3
1.3实时以太网技术 5
1.3.1实时以太网与现场总线的比较 5
1.3.2主要实时以太网技术的比较 5
1.3.3不同工业应用对于网络的需求 6
1.3.4选择实时以太网的标准 7
1.4现有实时以太网的标准 7
1.4.1几种典型总线的原理 8
1.4.2POWERLINK和EtherCAT的比较 11
第2章POWERLINK的原理 17
2.1IEC国际标准POWERLINK 18
2.2OSI模型 18
2.3POWERLINK的物理层 19
2.4POWERLINK的数据链路层 20
2.4.1POWERLINK概述 20
2.4.2POWERLINK管理节点 20
2.4.3POWERLINK受控节点 21
2.4.4POWERLINK服务 21
2.4.5POWERLINK周期 21
2.4.6POWERLINK短周期 28
2.5POWERLINK的同步机制 30
2.6POWERLINK数据帧的结构 34
2.6.1SoC数据帧结构 34
2.6.2Preq数据帧结构 34
2.6.3Pres数据帧结构 35
2.6.4SoA数据帧结构 37
2.6.5ASnd数据帧结构 38
2.7DLL状态机 38
2.7.1从站DLL状态机 38
2.7.2MN周期状态机 42
2.8主站网络管理（NMT）状态机 48
2.8.1通用初始化NMT状态机 49
2.8.2主站MN NMT状态机 51
2.8.3从站CN NMT状态机 56
2.9CANopen简介 63
第3章POWERLINK的功能和特点 65
3.1应用案例 66
3.2一“网”到底 66
3.2.1多路复用 66
3.2.2大数据量通信 67
3.2.3故障诊断 67
3.2.4网络配置 67
3.2.5实现方案 68
3.2.6开发难度 68
3.3性能参数 68
3.4网络拓扑 69
3.4.1网络拓扑概述 69
3.4.2节点的寻址 70
3.5热插拔 70
3.6冗余 70
3.6.1双网冗余 70
3.6.2环形冗余 74
3.6.3多主冗余 81
3.6.4冗余系统的典型拓扑结构 90
3.7交叉通信 90
3.8实时域与非实时域 91
3.9基于POWERLINK的功能安全 92
3.9.1适用于所有现场总线 92
3.9.2openSAFETY原理 93
第4章POWERLINK的实现方案 96
4.1C语言实现方案 97
4.1.1硬件平台 97
4.1.2软件平台 97
4.1.3物理层 98
4.1.4软件介绍 98
4.1.5软件架构 98
4.1.6软件模块 98
4.1.7基于Windows的方案 102
4.1.8基于Linux的方案 102
4.1.9基于VxWorks的方案 103
4.1.10基于FPGA的方案 103
4.1.11运行openPOWERLINK 104
4.2HDL语言实现方案 112
4.2.1方案优势 112
4.2.2方案架构 112
4.2.3FPGA资源 115
4.2.4支持的平台 115
4.2.5与上位机的接口 115
4.2.6异步并行总线 116
4.2.7POWERLINK IP的寄存器介绍 116
4.2.8Verilog HDL最小应用层 118
第5章POWERLINK应用层 130
5.1CANopen应用层 131
5.2对象字典 131
5.3XDD文件 136
5.3.1设备描述 138
5.3.2网络通信描述 139
5.4异步通信模型 143
5.4.1SDO读 143
5.4.2SDO写 144
5.4.3SDO命令接收方的处理过程 146
5.5同步通信模型 147
5.5.1从站发送的通信参数配置（0x18XX） 148
5.5.2从站发送的映射参数配置（0x1A00） 149
5.5.3从站接收的通信参数配置（0x14XX） 150
5.5.4从站接收的映射参数配置（0x1600） 150
5.5.5主站发送参数的配置过程 152
5.6应用编程接口 153
5.7自定义应用层 153
5.7.1对象字典 153
5.7.2自定义异步协议 153
5.7.3自定义同步协议 154
第6章POWERLINK的网络组态 155
6.1openCONFIGURATOR简介 156
6.2openCONFIGURATOR的使用 159
6.2.1创建新的openCONFIGURATOR工程 159
6.2.2openCONFIGURATOR配置Preq-Pres模式通信 167
6.2.3openCONFIGURATOR配置PRC模式通信 170
6.2.4openCONFIGURATOR配置交叉通信 171
6.3Mnobd文件解析 175
第7章POWERLINK通信诊断 178
7.1诊断工具简介 179
7.2Wireshark使用方法 179
7.2.1下载及安装 179
7.2.2网络连接 179
7.2.3运行Wireshark 179
7.2.4Wireshark数据分析 181
7.2.5对各个从节点状态的诊断 182
7.2.6Wireshark过滤功能 185
7.2.7配置过程中对错误的诊断 186
7.3Omnipeek简介 187
7.3.1Omnipeek安装 188
7.3.2EthernetAnalyzer安装 188
7.3.3PC网卡的配置 188
7.3.4X20_ET8819的设置 189
7.3.5启动Omnipeek 190
7.3.6对X20_ET8819的配置 190
7.3.7关闭防火墙 190
7.3.8线缆连接 191
7.3.9开始分析 192
7.3.10X20_ET8819的高级设置 192
7.4错误处理机制 193
7.4.1POWERLINK可能出现的错误 193
7.4.2各种错误对应的对象字典中的对象 194
7.4.3源码中经常出现的错误 195
第8章POWERLINK的应用 197
8.1基于POWERLINK的伺服驱动器设计 198
8.1.1硬件平台 198
8.1.2软件设计 198
8.1.3DS402 198
8.1.4伺服中关于通信的设计 199
8.1.5一拖多伺服的设计 200
8.1.6伺服设计实例 200
8.2基于POWERLINK的DCS系统设计 207
8.2.1大数据量传输 207
8.2.2多主站冗余 208
8.2.3监控功能 208
8.2.4通信功能 208
8.2.5强制切换 209
8.2.6环网冗余和线缆冗余 209
8.2.7热插拔 209
8.2.8无扰下装 210
8.2.9可扩展背板总线 211
8.2.10网络组态工具 212
8.2.11POWERLINK各种冗余的拓扑结构 212

工业实时以太网技术属于工业现场总线的范畴。工业现场总线在工业应用中占有重要地位，也是“兵家必争之地”，如西门子、AB等国际知名的公司都拥有自己的总线技术。POWERLINK是开放源码的实时以太网技术，它最早开始于2001年，是最早、最成熟、使用最广泛的实时以太网协议之一，后来成了IEC国际标准及中国的国家标准。它是目前唯一一个技术开放、代码开源的工业实时以太网技术，与其他总线相比，具有实现容易、可以掌握核心技术、拥有源代码和自主知识产权等特点，因此被国内很多大公司采用，如和利时、南瑞、南车、格力及一些军工单位。POWERLINK的优点是无需专用的硬件，在普通的以太网硬件平台上就能实现，而软件又全部开放了源码，可免费从网上下载。对于中小企业，POWERLINK的优势是实现方便、价格便宜，能为企业节省一笔可观的授权费，而且实现POWERLINK的硬件成本也很低廉。

本书以现有工业以太网技术的比较为出发点，概要介绍了几种主流的实时以太网技术，详细介绍了POWERLINK实时以太网技术，内容包括POWERLINK的技术原理、特点、功能，以及应用层CANopen的概念等。进而介绍了如何实现和使用POWERLINK，包括如何组建和配置POWERLINK网络，如何诊断网络错误等。最后介绍了POWERLINK的典型应用，包括运动控制和过程控制。本书从POWERLINK的技术原理开始，逐一介绍了组网、运行、诊断以及行业的应用，从理论到实践逐步深入。通过阅读本书，读者定能熟练掌握POWERLINK技术。

出版本书就是为了更好地推广POWERLINK，让更多人了解、学习、掌握、使用POWERLINK。