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大作业题目Linux操作系统下的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、课程设计的目的 (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的原理 (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、主站发送参数的配置过程 (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、主从站之间的通信 (9)2、openCONFIGURATOR应用 (19)六、实习体会 (28)一、课程设计的目的通过对Powerlink的理论学习和完成Powerlink的主站和从站通信的实践工作，将这门课程的理论知识尤其是Powerlink这种现场总线的理论和应用知识进一步巩固和完善，培养学生较强的工程实践能力，为进一步学习专业知识和从事相关专业工作打下坚实的基础。
二、课程设计题目及要求1、题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信2、设计要求掌握Powerlink的工作原理，使用开源的openConfigurator对主站和从站进行配置，对开源的openPOWERLINK代码在Linux系统下进行编译实现主站和从站的通信功能，利用网络诊断工具wireshark检查和验证通信功能。
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CMakee)安装网路数据包捕获函数库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）可以不编译openConfigurator源代码，直接在32位Windows环境下运行openConfigurator可执行文件，用来配置网络参数和映射参数。
现场总线课程设计1. 课程简介本课程旨在介绍现场总线通信系统的基本原理、功能、适用范围以及常见应用。
通过本课程的学习，学生将掌握现场总线通信系统的标准化技术、不同类型的现场总线、系统安装和调试等内容。
本课程适用于自动控制、电气工程等专业的学生，也适合相关行业工作者参加。
2. 课程内容2.1 现场总线（Fieldbus）系统概述•现场总线系统的定义及其发展历程•现场总线系统的优势和应用场景•现场总线系统的使用前景和发展趋势2.2 现场总线技术标准•现场总线系统标准化技术及其特点•电气/物理层标准和协议标准•常用现场总线协议的特点和优缺点2.3 不同类型现场总线的介绍•传统现场总线概述•以太网/工业以太网现场总线简介•CAN现场总线简介•Profibus现场总线简介•DeviceNet现场总线简介2.4 现场总线的安装和调试•现场总线系统安装的准备工作和要求•现场总线系统调试的流程和技巧•现场总线系统故障排除的方法和技巧3. 教学方法本课程将采用多种教学方法相结合，包括理论授课、案例分析、课堂互动等方式。
课堂互动环节将提供实际案例分析、小组讨论等，以帮助学生更好地理解和应用课程内容；实验环节将让学生亲自操作现场总线设备，并进行调试和故障排除。
4. 教材•现场总线技术与应用，李世金•现场总线实用技术手册，周正华•现场总线通信技术及应用，丁志勇5. 课程评估课程评估方式包括学生作业、课堂表现、课堂互动参与度等。
学生需要完成相关项目的实验、报告等任务，以检验对课程内容的掌握程度。
在课堂互动环节中，学生需积极参与，发表自己的看法和提问，以便及时修正理解上的偏差。
6. 课程总结本课程通过对现场总线通信系统的基本原理、功能、适用范围以及常见应用进行讲授，使学生掌握了现场总线技术标准、不同类型现场总线的介绍、现场总线的安装和调试等知识点。
通过多种教学方式相结合的方式，本课程为学生提供了更为全面、深入的课程学习体验，为学生未来的工作和实践奠定了坚实的基础。
现场总线技术及其应用 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点，将带来控制系统的一大变革。
1 引言 随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（Distributed Control System dcs）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
2 被誉为自动化领域的计算机局域网 2．1 现场总线及其特点 （1）什么是现场总线？ 根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求： （1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、plc等与数字1/0设备互连； （2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取； （3）通信媒体安装费用较低。
现场总线技术及应用教程课程设计课程介绍本课程旨在介绍现场总线技术及其在实际应用中的重要性和作用。
学生将了解现场总线技术的基本原理、通信协议和网络结构，并通过案例分析和实践操作深入掌握其设计与应用技巧。
学习目标1.掌握现场总线技术的基本原理和实现方式。
2.理解常见的现场总线通信协议，并对比其特点和优缺点。
3.了解现场总线系统的基本架构和组成模块。
4.学会使用相关软件工具设计和模拟现场总线系统。
5.实践操作现场总线系统，掌握常见的故障排除方法和检测手段。
课程大纲第一章现场总线概述1.1 现场总线技术的发展历史和应用现状 1.2 现场总线技术的基本原理和通信方式 1.3 现场总线系统的优点和局限性第二章现场总线通信协议2.1 传统现场总线通信协议介绍（例如：Profibus、Modbus、CAN） 2.2 现代现场总线通信协议介绍（例如：EtherCAT、Profinet IO） 2.3 通信协议的特点和应用场景比较第三章现场总线系统架构和组成模块3.1 现场总线系统结构分层介绍（例如：物理层、数据链路层、应用层） 3.2 现场总线系统组成模块介绍（例如：IO模块、控制器、传感器、执行机构等）3.3 现场总线系统实例分析第四章现场总线系统设计和模拟4.1 现场总线系统设计要点和流程介绍 4.2 现场总线系统仿真软件（例如：SIMATIC STEP 7、CODESYS、TwinCAT等）介绍及使用实例 4.3 现场总线系统实验环节第五章现场总线系统实践操作5.1 现场总线系统故障排除方法介绍 5.2 实践操作现场总线系统 5.3 现场总线系统检测手段介绍及使用实例学习评估方式本课程采用以下方式进行学习评估：1.平时学习表现（综合考虑作业、课堂表现等）占总成绩的20%。
2.课程设计成果报告占总成绩的40%。
3.现场总线系统实验占总成绩的40%。
参考资料1.现场总线技术（第三版），肖邦卿著，人民邮电出版社；2.现场总线技术及应用，赵波等著， XiTiChEN出版社；3.现场总线技术及其应用，谢玉庆等著，清华大学出版社。
472018年10月总第299期ISSN1672-1438CN11-4994/TPowerlink 现场总线教学实践赵 岚南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167摘 要：以Powerlink 现场总线在不同的系统平台上的通信实现为例，阐述了现场总线在课程设计环节和毕业设计环节中的教学改革实践。
通过实践，学生能掌握现场总线技术领域的学科前沿和应用热点，掌握相关总线技术的实现和设计方法，培养学生的系统分析能力和设计开发能力。
关键词：现场总线；Powerlink 总线；实践教学作者简介：赵岚，工学博士，讲师。
基金项目：南京工程学院科研基金“基于工业以太网的开放式机器人控制平台”(编号：YKJ201415)；贝加莱公司产学合作专业综合改革项目“Powerlink 现场总线教学改革与研究实践”。
现场总线技术及应用课程是自动化及相关专业的一门专业必修课，属于自动控制的前沿课程，具有知识覆盖面广、实践应用性强的特点。
其课程定位对学生的综合知识和能力提出了比较高的要求。
先导课程包括控制理论和过程自动化，学生通过进一步学习计算机网络和通信相关理论知识，并在理解特定的现场总线技术规范后，结合微处理器知识构建实施一个基于现场总线的控制网络。
目前现场总线教学存在教学内容多、学时数少、教材涵盖面有限、授课形式单一等问题[1]。
针对这些问题，进行了一系列课程教学改革的实践。
首次在课程教学中增加了以Powerlink [2]为代表的工业以太网总线标准作为现有教材的补充内容，并进行了Powerlink 总线的课程设计实践教学。
以项目驱动的实践教学极大地丰富了学生的知识面，提高了学生对总线技术应用及开发的综合能力。
Powerlink 是一种以普通以太网为物理层的高实时性现场总线，它结合了以太网和CANopen [3]技术的优点，并充分满足IEEE802.3以太网标准，是一项在标准的以太网介质上用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的新技术， 由于它的开源性、易于实现和高性能，Powerlink 被广泛应用于自动化行业的各个领域。
Powerlink课程设计报告-现场总线技术及应用大作业题目Linux操作系统下的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、课程设计的目的 (4)二、课程设计题目及要求 (4)1、题目 (4)2、设计要求 (4)三、环境搭建 (4)1、硬件环境： (4)2、软件环境： (4)3、源代码和安装文件： (5)四、powerlink的原理 (5)1、Powerlink是ICE国际标准，通信描述 (5)2、Powerlink网络建构 (6)3、通信过程 (6)3、主站发送参数的配置过程 (9)4、从站接收配置之通信参数配置 (9)5、openCONFIGURATOR介绍 (10)五、操作过程 (10)1、主从站之间的通信 (10)2、openCONFIGURATOR应用 (22)六、实习体会 (30)一、课程设计的目的通过对Powerlink的理论学习和完成Powerlink的主站和从站通信的实践工作，将这门课程的理论知识尤其是Powerlink这种现场总线的理论和应用知识进一步巩固和完善，培养学生较强的工程实践能力，为进一步学习专业知识和从事相关专业工作打下坚实的基础。
二、课程设计题目及要求1、题目Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信2、设计要求掌握Powerlink的工作原理，使用开源的openConfigurator对主站和从站进行配置，对开源的openPOWERLINK代码在Linux系统下进行编译实现主站和从站的通信功能，利用网络诊断工具wireshark检查和验证通信功能。
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CMakee)安装网路数据包捕获函数库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）可以不编译openConfigurator源代码，直接在32位Windows环境下运行openConfigurator可执行文件，用来配置网络参数和映射参数。
将生成的mnobd.cdc文件和xap.h文件拷贝到openPowerlink 源代码的指定目录下，供主站配置整个网络。
四、powerlink的原理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目前中国唯一实时以太网的国家标准（ GB/T- - 27960 ）2、Powerlink网络建构Powerlink是一个三层的通讯网络，它规定了物理层、数据链路层和应用层3、通信过程本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。
如下图所示：POWERLINK 的主站和从站事先定义了一些对象，这些对象的声明在objdict.h中。
这些对象的作用就是用来存储通信数据的。
下图为通信模型。
节点i节点k通信过程为：1、主站把需要通信的 object 的数据，组成发送数据桢，发送给从站。
从站接收到该数据桢，将数据桢中的数据解析，放到从站自身的object 中。
2、同样道理从站把需要通信的 object 的数据，组成发送数据桢，以广播的方式发送的网络上。
主站或其他从站接收到该数据桢，将数据桢中的数据解析，放到从站自身的 object 中。
3、因此，POWERLINK 的通信，实际上就是主站上的 object 与从站上的 object 之间相互通信。
需要注意的是，相互通信的两个object，在数据长度上最好相同，否则，容易产生错误。
例如主站上某一个object 的数据长度为 16bits, 而某个从站上的 object 为 8bits，这两个object 要通信，可能会出现主站发来的16bits 的数据要被保存到从站的 8bits 的 object 上，这就造成了数据的丢失。
通信模型的要点：1．对象字典由通信模型可知，要通信，首先需要有 object，所有 object 的集合，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 与数据桢中数据段对应关系的参数叫做映射参数（mapping ).这个参数描述了 object 如何组建成数据桢；以及如何将数据桢解析，将数据桢中的数据存放到 object 中。
3．应用程序中对 object 的访问通信的最终目的是为应用程序服务，将通信的数据交给应用程序使用。
Object 是通信协议与应用程序之间的接口，通信协议将数据保存至 object 或者从 object 把数据取走。
应用程序从另外一测与 object 打交道。
3、主站发送参数的配置过程主站和从站的区别：每个循环周期，从站只需要发送一个 TPDO 的数据帧。
而主站如果基于请求/应答模式，一个循环周期需要向网络中所有的节点都发送一次请求数据帧 Preq，而且相应的也会收到从站的回复 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的通道；在接收时，需要有多个接收 RPDO 的通道。
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 描述接收配置的通信参数，XX 的取值范围为 0x00 至 0xFF。
该参数描述了此节点需要接收来自哪个节点的数据。
从前面讲述的 POWERLINK 基本原理可知，POWERLINK 支持交叉通信，因此每一个节点都可以接收来自另外一个或多个节点的数据。
所以一个节点可以有多个接收通道。
例如 0x1400 是一个通道，接收来自主节点的数据，那么就把 0x1400/0x01 的值设为 0（默认值设为0，表示接收来自主站的请求数据）；0x1401 是一个通道，接收来自3 号节点的数据，那么就把 0x1401/0x01 的值设为 3，这样该节点在同一个循环周期你既接收来自主站的数据，也接收来自 3 号节点的数据。
5、openCONFIGURATOR介绍如果使用手动配置网络，那么每次修改网络参数，都要重新编译程序，重新下载，显然在某些场合是不能接受的。
而且手动配置的过程过于复杂。
因此手动配置适合用于产品开发和调试阶段。
当产品开发完成，交付给客户时，就不适合使用手动配置的方式来配置网络。
为此我们提供了一个工具 openCONFIGURATOR，使用此工具可以方便快速的组建一个网络轻松地配置各个节点的网络参数和映射参数。
openCONFIGURATOR 是一个 POWERLINK 的组网工具或者组态工具。
该工具的输入为网络设备的 XDD 文件，输出文件主要是后缀名.cdc的网络配置文件。
该 cdc 文件是一个二进制文件，保存了整个网络的配置信息。
主站会根据这个 cdc 文件来配置网络主站的参数，以及各个从站的网络参数和映射参数以及循环周期等参数，这个文件不是程序的一部分，他只是一个存储文件。
五、操作过程1、主从站之间的通信1.在vm虚拟机下安装Ubuntu操作系统按下图的步骤进行配置填写用户名密码并且配置完成后，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doxygen3.下载编译安装工具cmake4.下载网路数据包捕获函数库libpcap作为网卡驱动5.下载wireshark工具6.将下载好的openCONFIGURATO文件以及openPOWERLINK源代码复制到虚拟机的磁盘中。
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，过程及结果如下图8.生成底层配置文件并进行编译，过程及结果如下所示底层文件配置成功9.按照指导书上的过程生成可执行文件由上图可知主站的可执行文件已经生成，此时进入安装文件夹下，复制该虚拟机作为从站，然后进行如下配置生成可执行文件。
可知从站可执行文件已生成。
10.运行主站的可执行文件，进行主站和从站之间的通信。
A）配置主站通信选择eth0网卡通信成功，主站传输数据B）配置从站通信选择相应与主站相同的网卡eth0通信成功，从站接收到来自主站的数据。
11.打开wireshark，通过此工具观察主从站之间的通信过程A）打开wiresharkB）在界面中选择主从站配置时选择的网卡eth0，点击start开始通信C）如下图所示，可以观察到主从站之间通信的数据信息2、openCONFIGURATOR应用1.openCONFIGURATOR的安装进入openCONFIGURATOR-v1.3.1-linux-i386文件夹运行confiture 可执行文件，系统就会自动下载安装所需文件编译成功可以在gui文件夹下看到可执行文件openCONFIGURATOR,运行此文件。
可打开openCONFIGURATOR如下图进行配置在此页面的“choose save option”下的三个选项中选择poompt 选项，其作用是当用户修改了配置或退出时，openCONFIGURATOR会淡出一个窗口询问是否保存。
接下来如上图所示，导入主站的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的主站或者第三方提供的主站，来导入与主站相对应的XDD文件。
并在接下来弹出的窗口中选择“yes”选项，openCONFIGURATOR会自动计算并填写主站中如下参数的配置信息，完成了添加一个网络配置的工程，并在网络里添加了一个默认的主站的工作。
然后进行从站的添加工作，如下图进行配置在弹出的窗口中填好相应的从站名称，节点号以及与主站相似的选项。
观察从节点，单击某个从节点，显示如下界面，如下图进行配置“pollResponse Timout”选项是指主站接收该从站pollresponse 数据帧的超时时间，也可看作主站为该从站发送数据所分配的时间片然后配置接收和发送的网络参数和映射参数首先配置从站的发送PDO的映射信息，发送PDO的映射信息，描述了如何将该节点对字典中的object打包成一个数据帧，单击cm 中的PDO的TPDO，按下图进行配置。
