控制工程在线更新于2005年1月14日

为了在以太网网络上实现可预测的定时，需要避免冲突。从共享以太网(一个网段上有许多设备)迁移到(完全)交换以太网(一个网段上只有两个设备)似乎是一个很有前途的解决方案。就像电话网络中的交换机一样，只有当目标地址与连接到该特定网段的设备匹配时，数据包才会被转发到该特定网段。

由于每个网段只有两个端口(交换机端口和设备端口)，因此可以同时使用网段的前向和后向通道。这种全双工操作理论上使网络带宽增加了一倍。有了交换以太网，冲突不再发生在任何网段。然而，由于交换式以太网的瓶颈点是交换机本身，因此该网络仍然不适合实时操作。所有同时到达交换机端口的数据流都需要由交换机进行缓冲和绑定，并在输出端口上依次发送出去。多路复用和缓冲的时间取决于各自的交换机实现，并随着网络负载的变化而变化。

通过减少在特定网络上传输的数据量，可以在一定程度上限制时间延迟和偏差。然而，精确计算时间仍然是不可能的。

在许多工业应用中，需要将数据从一个设备同时发送到各种其他设备(广播、发布/订阅关系)。交换式以太网更适合点对点数据关系。广播或多播消息同时加载许多交换机端口，导致上述时间延迟和偏差。

使用交换以太网时要考虑的另一个方面是这种网络的布线拓扑。

点对点连接不可避免地导致树形拓扑结构。嵌入式系统中的空间有限，因此机器和控制设备要求布线拓扑适应系统的需要，而不是相反。

时钟同步

IEEE 1588标准中描述了处理实时数据的特定解决方案，而不仅仅是通过以太网。它定义了同步网络中的分布式时钟和时间标记数据的方法。所有分布式时钟都使用同步电报进行定期校准。每条数据都标有时间信息，说明它何时被捕获或何时必须启动某个活动。

接收器通过在特定时间设置某个输出或对输入进行采样来相应地处理时间标签。这些时钟可以根据所需的精度在硬件或软件中实现。此方法允许精确同步到

该方法的优点是它完全基于标准的IEEE协议，并且在多个网络系统之间是透明的。缺点是需要付出努力来补偿不可避免的切换延迟和通过定期同步消息对网络造成的额外负载。交换机和路由器等基础设施组件需要配备集成边界时钟，以保证定时精度。这种方法只能实现设备间的同步，不能保证数据及时到达收件人。因此，当数据到达时，时间标签可能已经过期。因此，必须采取额外措施以便及时交付。

时间切片

时间切片似乎是一种更好的方法，可以保证通过以太网进行可预测的数据通信，具有非常短的周期时间和精确的定时，并为时间要求不高的数据保留额外的带宽。

它已经通过以太网Powerlink实现，这是一个由自动化和嵌入式行业领先公司组成的协会以太网Powerlink标准化组管理的开放式实时协议标准。使用这种方法，即使是高度动态的驱动系统也可以同步。到目前为止，这只能通过专用的运动总线系统实现。

以太网Powerlink按时间顺序组织网络上的数据传输，从而保证网络上没有冲突，并且带宽得到了理想的利用。网络上的每个节点都有其专用的时间窗口来发送数据。时间分配的管理由一个专用节点，即管理节点来处理。交流是按有规律的基本周期组织起来的，这些周期又分为具体的阶段:

• 开始阶段:所有网络节点同步管理节点的时钟。

• 同步阶段:管理节点为每个节点分配一个固定的时间窗口，用于传输时间关键型数据。在此阶段，所有其他节点都可以侦听流量。(发布/订阅)

• 异步阶段:管理节点授予向特定节点发送临时数据的权限。在此期间使用标准的基于ip的协议和寻址。

• 空闲时间:下一个基本周期开始前的剩余时间。

可以配置同步和异步阶段的持续时间。周期时间的精度总是优于1

除了在每个周期内传输同步数据外，该周期内的数据还可以进行多路复用，以更好地利用带宽。不太重要的时间关键数据可以以比基本周期更大的周期传输。在每个周期中分配时隙由管理节点自行决定。

该方法符合IEEE 802.3标准以太网，可在任何标准以太网芯片或接口卡上实现。在更高层的所有基于ip的协议，如TCP或UDP，都可以在不修改的情况下进一步使用。以太网Powerlink还符合:

• IEEE 802.3快速以太网;

• 分布式实时域的IEEE 1588时钟同步

• 根据CANopen EN50325-4自动化标准设备配置文件;和

• 可以在任何以太网硬件上实现-不需要asic

Dipl.-Ing。Andreas Pfeiffer, Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik GmbH, Eggelsberg, Austriawww.br-automation.com;他也是Ethernet Powerlink标准化组织的董事会成员。www.ethernet-powerlink.org。