CN103812635B - 基于MCU的POWERLINK SoC帧同步降低抖动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于MCU的POWERLINK SoC帧同步降低抖动的方法，能够实现在无ASIC和FPGA的条件下，仅通过MCU来降低Powerlink技术Soc帧抖动，充实Powerlink技术的平台多样化；该方法通过对定时器中断的内容作了详细规划，并通过一个高速计数器提供高精度时钟，从而达到降低Soc帧的抖动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及实时以太网PowerLink技术的Soc帧同步技术，一种无ASIC和FPGA的条件下，仅通过MCU来降低Soc帧抖动的方案，尤其涉及一种基于MCU的POWERLINK SoC帧同步降低抖动的方案，该方案通过MCU计数器提供高精度时钟，Soc帧发送中断提前进入等候状态，忙等待查询至准确时钟后，再发送该以太网帧，达到降低Soc帧抖动的目的，提高了纯CPU***中Powerlink Soc帧同步的性能。
背景技术
PowerLink是一种在工业上普遍推广应用的以太网总线协议。该协议对标准的以太网数据链路层进行了简单的修改，禁用了CSMA/CD机制，创建了等时同步机制，由主站轮询各个从站的方式管理网络上数据的收发过程，保证严格的时间特性，实现通讯功能。与其他实时以太网协议不同的是，PowerLink协议除了可以采用基于分布式时钟（Distribute Clock）的同步技术以外，还可以采用基于Soc帧的同步方法。
Powerlink的Soc帧同步方法（如图1所示），是在每个周期的开始，主站节点发送Soc帧来通知各个从站节点开始同步动作。在运动控制等实时性要求很高的行业应用中，一般都要求主站严格的按照周期来发送Soc帧，即要求抖动尽可能小。因此，主站上常常需要有FPGA或者ASIC等器件，用来保证Soc帧准确的发送。但是，很多工业应用平台都对MCU有要求，而且MCU相比FPGA器件更加的经济实惠，采用通用的C语言开发，平台移植简单，可以大大的缩减企业的开发周期，降低***难度。因此，如果采用MCU实现Powerlink技术的Soc帧同步问题，将解决纯MCU方式的Powerlink主站的同步问题，降低了对FPGA和ASIC等器件的依赖性，使得行业解决方案更多丰富多彩，达到高效开发、便捷应用的目的。
通过MCU来实现低抖动的Soc帧发送，常见的办法是：设置一个高优先级的定时器，每当该定时器中断时，触发Soc帧的发送。但是，***中往往存在着影响实时性的因素：如操作***延迟、定时器中断响应延迟等，以至于Soc帧抖动较大。在不考虑操作***延迟的情况下，开源Powerlink Version1.7.1在最高优先级定时中断里面的抖动测试结果大于一微秒。因此，还存在一定的优化空间。
发明内容
本发明的主要目的旨在解决上述问题，能够实现在无ASIC和FPGA的条件下，仅通过MCU来降低Powerlink技术Soc帧抖动，充实Powerlink技术的平台多样化。该方法通过对定时器中断的内容作了详细规划，并通过一个高速计数器提供高精度时钟，从而达到降低Soc帧的抖动的目的。
Soc帧触发的一般方式是通过一个定时器的不断计数并产生中断来触发，相比于这种方式，该方法做了详细的设计程序流程图，如图2所示。程序初始化阶段，同样需要一个定时器，但是定时器设置值不再是一个周期，而是比周期稍微小一点，提前一小段时间进入中断。提前的这一小段时间的长度大于普通方式所测得的抖动最大值，确保在Soc帧发送之前进入该定时器中断。另外，还需要一个辅助时钟，靠一个高速计数器来实现，因此也初始化一个高精度计数器。
首先对***初始化完毕，启动Powerlink通信过程***进入正常通讯阶段，当定时器发生中断时，首先调用相应处理，关掉其他中断，确保该任务不会被其他任务打断。然后，查询高速计数器，获取当前时钟。按上分析，虽然存在抖动，但是可以确保当前时钟距离下一个周期的起始时间还有一定差距，该差距最大值设定为定时器初始化时提前的那一小段时间的两倍。如果时钟到达下一个周期的时钟值，则触发Soc帧发送，否则继续处于忙等待状态，继续查询时钟，直到时钟满足要求。中断程序的最后，开启其他中断服务，运行其他任务。
该方法利用了忙等待一段时间，不停地查询高精度时钟的过程，达到了减小抖动的目的。这种方法虽然占用了CPU一段时间，但是该时间不超过设置的提前时间的两倍，在可控范围内，不影响Powerlink其他进程的执行。所以该方案是基于纯MCU的Powerlink技术降低Soc帧抖动的可行方案。经过测试，Soc帧的抖动降到了1us以内，证实方案可行。
为解决上述问题，本发明提供了一种基于MCU的降低PowerLink Soc同步帧抖动的方法，包括：
***程序在初始化阶段，设置一个定时器，但是该定时器的设置值小于一个***周期，提前一小段时间进入中断，其中提前的这一小段时间的长度大于抖动最大值，确保在Soc帧发送之前进入该定时器中断；同时，该***还包括一个辅助时钟，通过一个高精度计数器来实现，因此在***初始化阶段也初始化该高精度计数器；
初始化完毕，启动Powerlink通信过程***进入正常通讯阶段，当定时器中断到来时，记录当前计数器的值T1；
初始化以太网Soc帧的数据，准备好以太网发送控制寄存器，然后忙等待，当查询高精度计数器的值到了一个设定的周期值时，使能Soc帧的发送；
在Soc帧发送完之后，处理Soc帧的回调函数，然后重新初始化所述定时器，读取并记录当前高精度计数器的值T2，通过T1和T2计算忙等待消耗的时间，从而得出定时器下次设定的时间长度，同样提前一小段时间t进入中断；其中，上述T1、T2、t的满足关系：0<T2-T1<2*t；
打开中断，继续执行其他任务。
优选的，不需要记录所述T1和T2，而是在Soc帧发送之后，立刻重新启动定时器。
优选的，为了保证定时器与计数器的时间同步，需要在初始化完成后同时启动定时器和计数器。
优选的，直接使用定时器中断的方式，测试所述抖动最大值，根据这个抖动最大值，设定定时器需要提前的一小段时间t。
优选的，另外一个高精度计数器选择32位计数器实现，设成循环计数方式，每次根据读到的计数值，换算成当前时间。
优选的，在Powerlink开始运行后的所有周期通信阶段，包括对从站节点的初始化阶段和正常通信阶段，都做与上类似处理，以降低Soc帧的抖动。
通过上述技术方案，降低了Powerlink技术Soc帧抖动，充实了Powerlink技术的平台多样化。
附图说明
图1是现有技术中的Powerlink技术的Soc帧同步示意图。
图2是Soc帧低抖动同步方法实现过程示意图。
图3是Soc帧抖时序示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供了一种基于MCU的降低PowerLink Soc同步帧抖动的方法，***程序在初始化阶段，设置一个定时器，但是该定时器的设置值小于一个***周期，提前一小段时间进入中断，其中提前的这一小段时间的长度大于抖动最大值，确保在Soc帧发送之前进入该定时器中断；同时，该***还包括一个辅助时钟，通过一个高精度计数器来实现，因此在***初始化阶段也初始化该高精度计数器。
选择ARM中的M4和A9两款高性能处理器来做实验，移植Powerlink到器件上。直接使用定时器中断的方式，测试抖动的最大值，记录下来。根据这个抖动值，设定定时器需要提前的时间。另外一个高精度计数器选择32位计数器实现，设成循环计数方式，每次根据读到的计数值，换算成当前时间。因为是循环计数，换算时需要做计满溢出的处理。为了保证定时器与计数器的时间同步，需要在初始化完后，同时启动定时器和计数器。
如图2所示，程序初始化阶段，定时器设置值不再是一个周期，而是比周期稍微小一点，提前一小段时间进入中断。提前的这一小段时间的长度大于普通方式所测得的抖动最大值，确保在Soc帧发送之前进入该定时器中断。另外，还需要一个辅助时钟，靠一个高速计数器来实现，因此也初始化一个高精度计数器。
初始化完毕，启动Powerlink通信过程***进入正常通讯阶段，当定时器发生中断时，首先调用相应函数，关掉其他中断，确保该任务不会被其他任务打断。然后，查询高速计数器，获取当前时钟。按上分析，虽然存在抖动，但是可以确保当前时钟还是距离下一个周期的时钟值有一定差距，该差距最大值为定时器初始化时提前的那一小段时间的两倍。如果时钟到达下一个周期的时钟值，则触发Soc帧发送，否则在此忙等待，继续查询时钟，直到时钟满足要求。中断程序的最后，开启其他中断服务，运行其他任务。
该方法利用了忙等待一段时间，不停地查询高精度时钟的过程，达到了减小抖动的目的。这种方法虽然占用了CPU一段时间，但是该时间不超过设置的提前时间的两倍，在可控范围内，不影响Powerlink其他进程的执行。所以该方案是基于纯MCU的Powerlink技术降低Soc帧抖动的可行方案。经过测试，Soc帧的抖动降到了1us以内，证实方案可行。
也可以采用另外一种方法，不需要记录T1和T2，在Soc帧发送之后，立刻重新启动定时器。因为Soc帧发送时，可以确定当前时间为一个周期的末尾，也是下一个周期的开始。
最后，打开中断，继续执行其他任务。
优选的，为了保证定时器与计数器的时间同步，需要在初始化完成后同时启动定时器和计数器。
优选的，直接使用定时器中断的方式，测试所述抖动最大值，根据这个抖动最大值，设定定时器需要提前的一小段时间t。
优选的，另外一个高精度计数器选择32位计数器实现，设成循环计数方式，每次根据读到的计数值，换算成当前时间。
优选的，在Powerlink开始运行后的所有周期通信阶段，包括对从站节点的初始化阶段和正常通信阶段，都做与上类似处理，以降低Soc帧的抖动。）
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于MCU的POWERLINK SoC帧同步降低抖动的方法，包括：
***程序在初始化阶段，设置一个定时器，但是该定时器的设置值小于一个***周期，提前一小段时间进入中断，其中提前的这一小段时间的长度大于抖动最大值，确保在Soc帧发送之前进入该定时器中断；同时，该***还包括一个辅助时钟，通过一个高精度计数器来实现，因此在***初始化阶段也初始化该高精度计数器；
初始化完毕，启动Powerlink通信过程***进入正常通讯阶段，当定时器中断到来时，记录当前计数器的值T1；
初始化以太网Soc帧的数据，准备好以太网发送控制寄存器，然后忙等待，当查询高精度计数器的值到了一个设定的周期值时，使能Soc帧的发送；
在Soc帧发送完之后，处理Soc帧的回调函数，然后重新初始化所述定时器，读取并记录当前高精度计数器的值T2，通过T1和T2计算忙等待消耗的时间，从而得出定时器下次设定的时间长度，同样提前一小段时间t进入中断；其中，上述T1、T2、t的满足关系：0<T2-T1<2*t；
打开中断，继续执行其他任务；
其中，为了保证定时器与计数器的时间同步，需要在初始化完成后同时启动定时器和计数器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
直接使用定时器中断的方式，测试所述抖动最大值，根据这个抖动最大值，设定定时器需要提前的一小段时间t。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高精度计数器选择32位计数器实现，设成循环计数方式，每次根据读到的计数值，换算成当前时间。
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