本帖最后由 a976209770 于 2024-12-9 16:58 编辑
1. 协议简介
Profinet是一种基于工业以太网的开放式通信协议，主要应用于工业自动化领域，支持高效的数据交换和设备间的实时通信。它分为以下几种通信模式：
- 实时通信（RT）：用于大部分工业控制。
- 同步通信（IRT）：支持时间严格同步的应用。
- 非实时通信（NRT）：用于普通数据传输。
2. Profinet从站工作流程
Profinet从站的核心任务是处理主站发送的控制报文并反馈状态数据。主要流程包括初始化、报文接收与解析、数据处理、报文响应。
3. Profinet从站通信流程详细解释
3.1 初始化流程- 系统启动: 硬件和底层驱动准备就绪。
- 初始化以太网驱动:
- 设置PHY工作模式（如全双工、100 Mbps）。
- 启用MAC驱动并配置回调函数。
- 初始化Profinet协议栈:
3.2 连接建立- 主站发送连接请求，从站通过以太网接收并解析Profinet连接请求报文。
- 从站反馈连接确认报文，完成连接建立。
3.3 数据交互- 报文解析: 检查Profinet协议头部标识符，提取实时数据。
- 数据处理: 根据主站下发的指令，处理输入数据并生成对应的输出数据。
- 发送响应: 打包处理后的数据，返回给主站。
3.4 状态管理- 维护连接状态，包括RUNNING和IDLE状态切换。
- 检测并响应主站发送的Keep-Alive信号。
4. 核心功能模块
4.1 Profinet数据报文结构| 字段 | 长度（字节） | 描述 | | 帧头 | 6 | 包括目标MAC、源MAC等信息 | | EtherType | 2 | 标识Profinet协议类型 | | Profinet头部 | 10 | 包含帧ID、版本号等信息 | | 数据区 | 可变 | 实际的输入输出数据 | | CRC校验 | 4 | 验证数据完整性 |
4.2 数据解析逻辑- 帧头: 检查MAC地址是否匹配。
- 帧ID: 根据帧ID确定报文类型（如连接请求、实时数据）。
- 数据区: 提取具体的输入输出数据。
4.3 状态管理- 定期检查主站的Keep-Alive信号，若超时则断开连接。
- 根据主站下发的命令切换状态（IDLE ↔ RUNNING）。
5. 示例代码
以下是解析Profinet数据报文的核心逻辑示例：
void ParseProfinetFrame(const uint8_t *frame, uint32_t len) {
if (len < MIN_PROFINET_FRAME_LEN) {
return; // 无效帧
}
// 检查帧头是否为Profinet标识
if (frame[ETHERTYPE_OFFSET] != PROFINET_ETHER_TYPE) {
return;
}
// 提取Profinet协议头
uint16_t frame_id = (frame[PROFINET_HEADER_OFFSET] << 8) | frame[PROFINET_HEADER_OFFSET + 1];
switch (frame_id) {
case PROFINET_FRAME_ID_CONNECT_REQUEST:
HandleConnectRequest(frame, len);
break;
case PROFINET_FRAME_ID_REALTIME_DATA:
HandleRealtimeData(frame, len);
break;
default:
break;
}
}
6.Profinet IRT（同步通信）的支持
Profinet IRT（Isochronous Real-Time）是一种严格同步的通信方式，能够保证报文传输的实时性和低延迟，适用于高精度同步控制场景。为支持IRT，需实现以下功能：
- 精确时间同步：通过PTP（精确时间协议）实现主站与从站之间的时钟同步。
- 报文优先级调度：确保实时报文优先传输。
- 实时数据处理：在规定的时间窗口内完成数据采集、处理和发送。
核心代码示例
以下是支持Profinet IRT的关键代码部分：
1. 时间同步实现
通过PTP协议同步主站和从站的时钟，确保报文在严格的时间窗口内传输。
void SyncPTPTime(const uint8_t *ptp_frame, uint32_t len) {
// 提取PTP报文的时间戳
uint64_t master_time = ExtractTimestamp(ptp_frame);
// 同步从站时间
uint64_t local_time = GetLocalTime();
AdjustLocalTime(master_time - local_time);
}
void AdjustLocalTime(int64_t offset) {
// 根据时间偏移调整本地时钟
if (offset > 0) {
AdvanceLocalClock(offset);
} else {
DelayLocalClock(-offset);
}
}
2. 实时报文优先级处理优先处理IRT报文，确保非实时报文在空闲时间传输。
void ProcessEthernetFrame(const uint8_t *frame, uint32_t len) {
uint16_t ethertype = GetEtherType(frame);
if (ethertype == PROFINET_IRT_TYPE) {
HandleIRTFrame(frame, len);
} else if (ethertype == PROFINET_RT_TYPE) {
HandleRTFrame(frame, len);
} else {
HandleNonRealTimeFrame(frame, len);
}
}
void HandleIRTFrame(const uint8_t *frame, uint32_t len) {
// 提取输入数据
const uint8_t *input_data = GetInputData(frame);
// 数据处理逻辑
uint8_t output_data[MAX_OUTPUT_SIZE];
ProcessData(input_data, output_data);
// 在时间窗口内发送响应
ScheduleResponse(output_data, sizeof(output_data), GetTimeWindow());
}
流程详细说明
- 接收以太网帧：
- 使用以太网MAC接收硬件进行帧捕获。
- 检查是否为Profinet报文。
- 识别报文类型：
- 判断报文是否为IRT类型。
- 若非IRT，则根据类型进行其他处理（如RT或普通以太网报文）。
- 时间同步：
- 提取IRT报文中的PTP时间戳。
- 调整本地时钟，确保与主站时间同步。
- 数据处理：
- 时间窗口控制：
- 检查当前时钟是否在允许的时间窗口内。
- 若在时间串口内，则发送响应报文
- 若在时间串口外，则丢弃对应报文
7. 总结
本文详细介绍了Profinet从站协议栈的实现流程和核心逻辑，结合APM32F407硬件平台完成了以太网通信的配置和数据处理。通过Profinet协议栈的构建，可实现工业自动化设备间的实时通信。
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