專利名稱：基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信的實(shí)時(shí)同步通信網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn) 以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，用于解決現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)中通信問(wèn)題，即如何解決以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng) 級(jí)通信系統(tǒng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性和以及系統(tǒng)的精確同步性。
背景技術(shù)：
目前在工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)中的主流解決方案。 不過(guò)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線越來(lái)越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一 方面，隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，控制變得越來(lái)越分散，分布在工廠各處的智能設(shè) 備之間以及智能設(shè)備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間數(shù)據(jù) 的交換量飛速增長(zhǎng)；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整 合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通 過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)，因此，縱向一致性也成為熱門(mén)的話題，用戶希望管理 層和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動(dòng)化技術(shù)兼容的通信方案，這樣可以大大簡(jiǎn)化工廠控 制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約系統(tǒng)實(shí)施和維護(hù)的成本。
基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng) 技術(shù)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于工廠的控制級(jí)通信。在自動(dòng)化世界中使用以太網(wǎng)解決方案W兒力I(U顯 著的優(yōu)勢(shì)統(tǒng)一的架構(gòu)、集成的通信以及強(qiáng)大的服務(wù)和診斷功能。從目前工業(yè)H動(dòng)化控制領(lǐng) 域的情況來(lái)看，以太網(wǎng)技術(shù)取代現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
不過(guò)，將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工廠的生產(chǎn)控制過(guò)程中并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的移植過(guò)l .。在將以 太網(wǎng)技術(shù)引入到控制級(jí)通信的過(guò)程中，為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的特殊需求，如現(xiàn)場(chǎng)壞境、拓 撲結(jié)構(gòu)、可靠性等要求，必須對(duì)普通的辦公室以太網(wǎng)做出調(diào)整和補(bǔ)充，以保證以太網(wǎng)技術(shù)在 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性，即我們常說(shuō)的工業(yè)以太網(wǎng)。目前，在控制級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中，工業(yè) 以太網(wǎng)解決方案已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和接受，企業(yè)和工廠也充分享受到了高性能通信網(wǎng)絡(luò) 帶來(lái)的便利和收益。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在向最底層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)滲透時(shí)遇到了 難以克服的障礙——通信的實(shí)時(shí)性和確定性。由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測(cè)方式，艮P:
當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先監(jiān)聽(tīng)信道，若信道忙就持續(xù)等待，直到 它一旦監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí)，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽(tīng)和等待發(fā)送數(shù) 據(jù)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí)，各節(jié)點(diǎn)就立即(幾乎同時(shí))開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，這是就發(fā)生沖突。如 果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸期間檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止傳輸，并向信道發(fā)出一個(gè)"擁擠"信號(hào)，以 確保網(wǎng)絡(luò)上的所有其他節(jié)點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)沖突。在基于以太網(wǎng)的通信中，為避免沖突，各節(jié)點(diǎn)采用
二進(jìn)制指數(shù)退避(BEB, Binary Exponential Back—Off)算法處理沖突，但該方法具有沖突 時(shí)延不確定性的缺陷。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性 要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求， 一直被視為 非確定性網(wǎng)絡(luò)。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種典型的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，其中的任務(wù)(如功能塊的執(zhí)行)通常按照一 定的時(shí)間間隔出發(fā)，并且對(duì)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有截止性要求，這種任務(wù)稱為周期性任務(wù)。實(shí) 時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中還有一種任務(wù)，這種任務(wù)只有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，例如設(shè)備配置、故 障診斷、程序的上載/下載、運(yùn)行記錄、報(bào)警處理等，這種任務(wù)稱為非周期性任務(wù)，非周期性
任務(wù)是隨機(jī)觸發(fā)的。這兩種任務(wù)反映在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信中，就是兩類通信信息周期性
通信信息和非周期性通信信息。周期性通信信息是實(shí)時(shí)信息，非周期信息是非實(shí)時(shí)信息，周 期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的時(shí)間特性。 一旦系統(tǒng)組態(tài)完成，周期性通信信 息的發(fā)送就具有時(shí)間確定性。而非周期性通信信息往往是突發(fā)信息，在時(shí)間上是不確定的。
為了提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和確定性，人們作了不少研究，提出各種方法來(lái)改進(jìn)CSMA/CD， 按照對(duì)CSMA/CD的改進(jìn)方法劃分，主要有改進(jìn)以太網(wǎng)MAC協(xié)議、在以太網(wǎng)上層增加傳輸控 制機(jī)制等。CSMA/DCR (Deterministic Collision Resolution)是最具有代表性的一種MAC 協(xié)議改進(jìn)方法。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，采用確定性的二叉樹(shù)尋址方法，CSMA/DCR依照節(jié)點(diǎn)地址采取 先序遍歷的方式解決沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)停止對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)，而高優(yōu)先級(jí) 的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)信道，直到成功傳輸。這種修改以太網(wǎng)MAC協(xié)議的方式雖然可以極大的改善 以太網(wǎng)通信確定性的問(wèn)題，卻是以更改以太網(wǎng)固件(以太網(wǎng)控制器硬件和軟件)為代價(jià)的， 很難與標(biāo)準(zhǔn)的商用以太網(wǎng)兼容，并且增加了開(kāi)發(fā)成本。
在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制機(jī)制中最典型的一種方法是時(shí)分多路獲取(TDMA)策略，TDMA 為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一定的帶寬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在固定的時(shí)間片內(nèi)發(fā)送信息，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息 具有確定的發(fā)送時(shí)間。由于TDMA不需要傳輸額外的控制信息，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬得使用率比較高。 但TDMA是基于節(jié)點(diǎn)的方法，不能反映每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際帶寬要求，無(wú)法保證非周期信息及時(shí)發(fā) 送。另外一種在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制的方法是主從式傳輸控制方式，這是一種集中式的 傳輸控制方式，網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，從設(shè)備只有在收到來(lái)自主設(shè)備的控 制報(bào)文之后，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這種主從式傳輸控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以保證每個(gè)從設(shè)備都有 發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，但缺點(diǎn)是無(wú)法處理工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)性通信，例如工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的 報(bào)警信息。
因此，盡管上述方法都在一定程度上提高了以太網(wǎng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，卻是以改變 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為代價(jià)(如CSMA/DCR)，或者在較低的網(wǎng)絡(luò)層次(如MAC層的上層)實(shí)現(xiàn)，這些 方法的最大不足是實(shí)現(xiàn)難度大，往往涉及到硬件，無(wú)法與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相互兼容，并且 無(wú)法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中對(duì)兩類信息一周期信息(即實(shí)時(shí)信息)和非周期信息(通常為非實(shí) 時(shí)信息)進(jìn)行同時(shí)處理的特殊要求。
快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題帶來(lái)了一種解決 方案，使這一應(yīng)用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從IOM、 100M增大到如今的1000M、 IOG，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的 減小，即碰撞幾率大大下降。其次采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。 Ethernet交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到 緩沖，不再發(fā)生碰撞同時(shí)交換機(jī)還可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù) 據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不再需要經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)，也不再占用其他網(wǎng)段內(nèi)的帶寬， 從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線(或 兩對(duì)光纖)上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全 雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在(全雙工通信)，或碰撞幾率大大降低(半雙工)， 因而使Ethernet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。但是采用全雙工交換式以太網(wǎng)，改變了 CSMA/CD機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)的通信速度和效率將取決于交換機(jī)。為了減少交換機(jī)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)速度和 效率的影響，組網(wǎng)時(shí)要盡量避免跨多個(gè)交換機(jī)通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設(shè)備放在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)， 這將給組網(wǎng)增加難度，也不利于以后系統(tǒng)的擴(kuò)展。
有的系統(tǒng)對(duì)通信節(jié)點(diǎn)的同步性也有嚴(yán)格的要求，比如在運(yùn)動(dòng)控制中，各軸的同步性也是 一個(gè)非常重要的因素?，F(xiàn)有的解決方案為網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)必須通過(guò)精確的時(shí)鐘同步以實(shí)現(xiàn) 同步實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。例如Internet網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP (Network Time Protocal)、簡(jiǎn)單時(shí)間 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal) 、 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal),周期性的通過(guò)發(fā)送帶有時(shí)間戳協(xié)議的同步數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)通信循 環(huán)的同步。在要求同步精度為微秒級(jí)的場(chǎng)合，想要獲得如此高的同步定時(shí)，單純靠軟件是無(wú) 法實(shí)現(xiàn)的，必須依靠網(wǎng)絡(luò)第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)中硬件的支持，即等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片。
現(xiàn)在很多使用以太網(wǎng)作現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信的廠商，上位機(jī)都是自己開(kāi)發(fā)的專用控制網(wǎng)卡，以實(shí)
現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信。很難與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容，也很難與別的廠商開(kāi)發(fā)的設(shè)備互換，形成各 自獨(dú)立的一套通信系統(tǒng)。
現(xiàn)在國(guó)際上主要有幾個(gè)比較流行的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，分別是PROFINET、 Ethernet/IP、 PowerLink、 SYNQNET、 SERC0S III等。
PROFINET:是一種典型的交換式以太網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)采用的是一種基于地址的信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī) 制，網(wǎng)絡(luò)的通信速度和效率將取決于交換機(jī)。為了減少交換機(jī)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)速度和效率的影響， 組網(wǎng)時(shí)要盡量避免跨多個(gè)交換機(jī)通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設(shè)備放在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，這將給組網(wǎng) 增加難度，也不利于以后系統(tǒng)的擴(kuò)展。同時(shí)系統(tǒng)也無(wú)法枚舉和配置各設(shè)備。PROFINET通過(guò)精 確的時(shí)鐘同步以實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，通過(guò)規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信循環(huán)的同步，其精度可 以達(dá)到微秒級(jí)，這么高的同步水平單純靠軟件是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實(shí) 時(shí)，必須依靠網(wǎng)絡(luò)第二層中硬件的支持，即西門(mén)子IRT等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片，增加了系統(tǒng)成本。
Ethernet/IP: Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802. 3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié) 議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個(gè)部分組成，前面兩部分 為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用 商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也是采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)連接，系統(tǒng)也無(wú)法枚舉和配置各設(shè)備。最新版本的Ethernet/IP技術(shù)規(guī)范中包含了 CIP Sync， CIP Sync時(shí)間同步方案基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)主處理器(或從站)周期性的發(fā)送 一個(gè)實(shí)時(shí)的時(shí)鐘同步報(bào)文信號(hào)，以便其它的從處理器(或從站)能夠準(zhǔn)確地同步。這種方式將 增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，同樣需要硬件的支持，即等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片。這種方式，所有站點(diǎn)都必須 自帶時(shí)鐘，成本較高，用這樣的通信機(jī)制對(duì)系統(tǒng)的編程帶來(lái)很大的影響，因?yàn)榭刂迫蝿?wù)必須 通過(guò)時(shí)間觸發(fā)的方式來(lái)啟動(dòng)，這提高了編程的難度，而且不符合工控工程人員的編程習(xí)慣。
PowerLink:通過(guò)使用Hub來(lái)實(shí)現(xiàn)任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)Hub來(lái)組網(wǎng)，使得系統(tǒng)很難 枚舉和配置各設(shè)備。為了避免沖突，PowerLink盡量利用帶寬，在時(shí)間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中 站點(diǎn)信息交互機(jī)制，在CSMA/CD基礎(chǔ)上引入時(shí)間槽管理機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)站點(diǎn)充當(dāng)管理站管 理網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)其他站點(diǎn)給定同步節(jié)拍，分配給各站發(fā)布權(quán)限，各站只能在得到發(fā)布權(quán)限之 后才可以發(fā)布信息。這種時(shí)間槽管理機(jī)制，雖然避免了網(wǎng)絡(luò)上通信沖突，但也使各設(shè)備得非 周期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(如報(bào)警等)無(wú)法及時(shí)通知到系統(tǒng)。
SYNQNET:是一種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有容錯(cuò)功能，主設(shè)備通過(guò)自己開(kāi)發(fā)的一種專用控制網(wǎng) 卡來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，并修改了數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了一種高性能的同步運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 由于是自己專用的控制網(wǎng)卡和修改了數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議，使其很難與別的廠商和標(biāo)準(zhǔn)的以 太網(wǎng)兼容。
SERCOS III:是一種環(huán)形或線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主設(shè)備通過(guò)自己開(kāi)發(fā)的專用控制網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議分為實(shí)時(shí)通信通道和非實(shí)時(shí)通信通道。實(shí)時(shí)通信通道傳送用于顯示和 輸入所有的控制內(nèi)部參數(shù)、數(shù)據(jù)和診斷信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。非實(shí)時(shí)通道使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀來(lái) 傳送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但并未提出系統(tǒng)中枚舉和配置各設(shè)備的方法。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是為了解決目前將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)時(shí)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通 信的實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)的精確同步性難以保障，而添加專用設(shè)備，又造成使用成本增高等問(wèn)題， 提供一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，采用現(xiàn)有普通的通用網(wǎng)卡即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步的基于標(biāo)準(zhǔn) 以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)及其工作方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案
一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個(gè)主設(shè)備和至 少一個(gè)從設(shè)備，在從設(shè)備中任選一個(gè)為同步信號(hào)源，各設(shè)備通過(guò)傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設(shè)備 上有至少一個(gè)數(shù)據(jù)線接口，每個(gè)從設(shè)備有至少兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，連接時(shí)彼此串行連接，即主
設(shè)備的數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)接口 通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到下一個(gè)從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)接口上，依次連接構(gòu)成串行網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步
的全雙工通信。
所述各^設(shè)備有兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，各從設(shè)備有兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，在從設(shè)備中任選一個(gè)為 同步信號(hào)源，各設(shè)備通過(guò)傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到從 設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到下一個(gè)從設(shè)備的一 個(gè)數(shù)據(jù)接口上，這樣級(jí)聯(lián)下去， 一直連到最后一個(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)線接口上，最后一個(gè)從設(shè)備 的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到主設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行 實(shí)時(shí)同步的全雙工通信。
所述同步信號(hào)源是在從設(shè)備中任選一個(gè)，并在其上安裝同步信號(hào)線與其余的從設(shè)備連接， 同步信號(hào)源負(fù)責(zé)嚴(yán)格的定時(shí)和同步信號(hào)的發(fā)送，周期性的發(fā)送同步信號(hào)，其他從設(shè)備負(fù)責(zé)接 政同步信號(hào)，各從設(shè)備中設(shè)有一個(gè)信號(hào)延遲參數(shù)寄存器，用于設(shè)定同步信號(hào)在傳輸線上的時(shí) 間延遲，這個(gè)信號(hào)延遲參數(shù)可以通過(guò)主設(shè)備發(fā)送配置報(bào)文的形式來(lái)設(shè)定。
所述同步信號(hào)源設(shè)定時(shí)，還可根據(jù)主設(shè)備發(fā)送命令報(bào)文的形式利用軟件任意指定一個(gè)從 設(shè)備為同步信號(hào)源，或者通過(guò)在任意一個(gè)從設(shè)備上設(shè)定撥碼開(kāi)關(guān)裝置的方式確定一個(gè)從設(shè)備 為同步信號(hào)源，然后用同步信號(hào)線將同步信號(hào)源與其余從設(shè)備連接。
所述數(shù)據(jù)線既包括數(shù)據(jù)發(fā)送線，也包括數(shù)據(jù)接收線，相鄰的兩個(gè)設(shè)備之間通信時(shí)沒(méi)有沖 突，實(shí)現(xiàn)全雙工通信，數(shù)據(jù)線的傳輸介質(zhì)既可為雙絞線，也可為光纖。
所述全雙工通信為，每個(gè)從設(shè)備有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，主設(shè)備同從設(shè) 備進(jìn)行通信時(shí)，各從設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)主設(shè)備的信息，整個(gè)系統(tǒng)通信沒(méi)有沖突，各從設(shè)備同主設(shè)備進(jìn) 行通信時(shí)，從設(shè)備如果有發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)，將先發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給主設(shè)備，同時(shí)接收并 存儲(chǔ)后面一個(gè)從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)，等待自己給主設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，再轉(zhuǎn)發(fā)已 存儲(chǔ)的后一個(gè)從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)，從設(shè)備如果沒(méi)有發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)，將直接轉(zhuǎn) 發(fā)后面一個(gè)從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)，避免了通信沖突，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的全雙工通信。
所述的串行或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸協(xié)議形式可以是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，如正EE802.3 幀協(xié)議格式，包括前導(dǎo)符、分割符、目的地址、源地址、長(zhǎng)度/類型字段、數(shù)據(jù)段、幀校驗(yàn)序 列域等組成；其中數(shù)據(jù)段中包括非周期數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)，周期數(shù)據(jù)是工業(yè)控制中，任務(wù)通常 按照一定的時(shí)間間隔發(fā)出，并且對(duì)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有截止性要求的數(shù)據(jù)，非周期數(shù)據(jù)是只 有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，如設(shè)備配置、故障診斷、程序的上載/下載、運(yùn)行記錄、報(bào)警 處理等；還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式。
一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)的工作方法，
(1) 首先，主設(shè)備對(duì)從設(shè)備進(jìn)行自檢，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備首先接 收到此査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備將轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報(bào)文，并發(fā)送自己的應(yīng)答報(bào)文和將自己的設(shè)備 號(hào)初始化為0,各從設(shè)備在收到査詢報(bào)文后依次轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報(bào)文，并發(fā)送自己的應(yīng)答報(bào)文和 將自己的設(shè)備號(hào)初始化為0，直到最后一個(gè)從設(shè)備，最后一個(gè)從設(shè)備可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)確 定，該最后一個(gè)從設(shè)備收到此査詢報(bào)文后，發(fā)送自己的應(yīng)答報(bào)文，包含為最后--個(gè)從設(shè)備的 信息，并將自己的設(shè)備號(hào)初始化為0，主設(shè)備收到最后一個(gè)從設(shè)備的應(yīng)答報(bào)文后，說(shuō)明系統(tǒng) 連接可靠和各設(shè)備正常工作；若主設(shè)備在發(fā)送完查詢報(bào)文后，等待一段時(shí)間，此時(shí)間為正常 情況下枚舉最大從設(shè)備的最長(zhǎng)時(shí)間的2倍.仍然收不到最后一個(gè)從設(shè)備的應(yīng)答報(bào)文，將報(bào)告 錯(cuò)誤，說(shuō)明有故障；
(2) 自檢通過(guò)后，主設(shè)備對(duì)從設(shè)備進(jìn)行枚舉和配置，即從主設(shè)備收到最后一個(gè)從設(shè)備的 應(yīng)答報(bào)文后，開(kāi)始發(fā)送配置報(bào)文，跟主設(shè)備相連的第一個(gè)從設(shè)備，此時(shí)設(shè)備號(hào)為0，將先收 到配置報(bào)文，收到此配置報(bào)文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備，第一個(gè)從設(shè)備將自 己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為1,同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用
等，主設(shè)備在配置完第一個(gè)從設(shè)備后，將再發(fā)個(gè)下一個(gè)配置報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備將轉(zhuǎn)發(fā)此配 置報(bào)文到第二個(gè)從設(shè)備，此時(shí)設(shè)備號(hào)為0，第二個(gè)從設(shè)備在收到此配置報(bào)文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配 置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備，第二個(gè)從設(shè)備將自已的設(shè)備號(hào)設(shè)置為2，同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文， 包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用等；這樣依次類推，直到配置到最后一個(gè)從設(shè)備； 這樣每個(gè)從設(shè)備都有自己唯一的設(shè)備標(biāo)號(hào)，主設(shè)備也建立一個(gè)設(shè)備表，包含各從設(shè)備的設(shè)備 號(hào)、各從設(shè)備的功能和作用等；
(3)在主設(shè)備完成對(duì)各從設(shè)備的枚舉和配置后，給每個(gè)從設(shè)備依次發(fā)送參數(shù)設(shè)定報(bào)文， 包括同步信號(hào)延遲參數(shù)等，然后系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)同步的正常運(yùn)行狀態(tài)。
所述步驟(1)在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中自檢時(shí)，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備收到之后 轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)從設(shè)備，同時(shí)將自己的設(shè)備號(hào)初始化為0，各從設(shè)備依次轉(zhuǎn)發(fā)并將自己設(shè)備號(hào) 初始化為0,直到最后一個(gè)從設(shè)備，最后一個(gè)從設(shè)備再轉(zhuǎn)發(fā)此查詢報(bào)文到主設(shè)備，并初始化 自己設(shè)備號(hào)為0;主設(shè)備在收到此査詢報(bào)文后，說(shuō)明系統(tǒng)連接可靠和各設(shè)備工作正常；若主 設(shè)備等待一段時(shí)間后，此時(shí)間為正常情況下檢測(cè)最大從設(shè)備數(shù)的最長(zhǎng)時(shí)間的2倍，仍然接收 不到此査詢報(bào)文，說(shuō)明系統(tǒng)連接不可靠或某個(gè)設(shè)備不正常工作。
所述步驟(2)在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，主設(shè)備通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)接口開(kāi)始發(fā)送配置報(bào)文，跟主設(shè)備相 連的第一個(gè)從設(shè)備，此時(shí)設(shè)備號(hào)為0，將先收到配置報(bào)文，收到此配置報(bào)文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此 配置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備，第一個(gè)從設(shè)備將自己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為1，同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文， 包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用等，主設(shè)備在配置完第一個(gè)從設(shè)備后，將再發(fā)個(gè) 下一個(gè)配置報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到第二個(gè)從設(shè)備，此時(shí)設(shè)備號(hào)為0，第二 個(gè)從設(shè)備在收到此配置報(bào)文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備，第二個(gè)從設(shè)備將自己的 設(shè)備號(hào)設(shè)置為2，同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用等， 這樣依次類推，直到配置完最后一個(gè)從設(shè)備；此時(shí)主設(shè)備再發(fā)配置報(bào)文，各從設(shè)備都有自己 的設(shè)備號(hào)，各從設(shè)備都將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文，最后一個(gè)從設(shè)備將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到主設(shè)備的另 一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上；主設(shè)備在收到此配置報(bào)文后，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)將配置完畢，這樣每個(gè)從設(shè) 備都有自己唯一的設(shè)備標(biāo)號(hào)，主設(shè)備也建立一個(gè)設(shè)備表，包含各從設(shè)備的設(shè)備號(hào)、各從設(shè)備 的功能和作用等。
其中，主設(shè)備為負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理，并控制各從設(shè)備的設(shè)備，所述的從設(shè)備為負(fù)責(zé)系 統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，接收主設(shè)備的命令并按命令工作。
本實(shí)用新型結(jié)合FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新的用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信的實(shí)時(shí) 同步以太網(wǎng)絡(luò)，將以太網(wǎng)中的設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，適合于分布式控制系統(tǒng)。給出了以 太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了主設(shè)備自動(dòng)枚舉和配置從設(shè)備的方法，以 及實(shí)現(xiàn)各從設(shè)備實(shí)時(shí)通信和同步動(dòng)作的方法。
本實(shí)用新型的有益效果
(1) 該系統(tǒng)主設(shè)備采用普通標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡，與以太網(wǎng)完全兼容，實(shí)現(xiàn)了工廠控制網(wǎng)絡(luò)的一 致性，實(shí)現(xiàn)了一網(wǎng)到底，避免了專用網(wǎng)卡間不兼容的局限性。
(2) 該系統(tǒng)采用串行結(jié)構(gòu)(無(wú)容錯(cuò)功能)或者環(huán)形結(jié)構(gòu)(有容錯(cuò)功能)，易于系統(tǒng)構(gòu) 建、擴(kuò)展和維護(hù)。不使用集線器和交換機(jī)，避免了系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)的復(fù)雜問(wèn)題和提高 了系統(tǒng)通信的速度和效率。
(3) 該系統(tǒng)提;的主設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)、枚舉和配置各從設(shè)備的方法，使系統(tǒng)具有智能性， 減少了用撥碼開(kāi)關(guān)手工配置從設(shè)備的煩瑣工作，提高了自動(dòng)化水平。
(4) 該系統(tǒng)提出的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步的方法，相比Internet網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP (Network Tirae Protocal)、簡(jiǎn)單時(shí)間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal)、 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal)等方法，減輕 了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。在實(shí)現(xiàn)高精度同步時(shí)，避免每個(gè)從設(shè)備站點(diǎn)必須自帶精確時(shí)鐘芯片
(即等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC)，節(jié)約了成本。


圖1為實(shí)施例1的系統(tǒng)串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2為圖1的以太網(wǎng)連接實(shí)例結(jié)構(gòu)圖3為系統(tǒng)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4為圖3的以太網(wǎng)連接實(shí)例結(jié)構(gòu)圖5為實(shí)現(xiàn)從設(shè)備精確同步的方法圖
圖6為數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議格式圖，
其中，l.主設(shè)備，2.從設(shè)備，3.數(shù)據(jù)發(fā)送線，4.數(shù)據(jù)接收線，5.普通標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡，6.網(wǎng)絡(luò) 變壓器，7.PHY芯片，8.帶MAC IP核的FPGA， 9.信號(hào)同步線。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1:
以一個(gè)主設(shè)備和兩個(gè)從設(shè)備為例來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)的串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖l所示。 主設(shè)備1和從設(shè)備2之間的通信分別由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來(lái)完成，從設(shè)備2 之間的通信也由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來(lái)完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備間數(shù)據(jù)的全雙工 通信。從設(shè)備有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主設(shè)備1.發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)從設(shè)備2時(shí)，從設(shè)備 2接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)從設(shè)備2，從設(shè)備2的數(shù)據(jù)發(fā)送給主設(shè)備1時(shí)，若從設(shè)備2有要發(fā) 送給主設(shè)備l的數(shù)據(jù)，則從設(shè)備2先存儲(chǔ)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)，等從設(shè)備2發(fā)送給主設(shè)備 1的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，再轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)，若從設(shè)備2沒(méi)有要發(fā)送給主設(shè)備1的數(shù) 據(jù)，則從設(shè)備2直接轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全雙工通信。此拓?fù)?結(jié)構(gòu)不僅適用于以太網(wǎng)，還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式，只是FPGA中 IP核的協(xié)議不同。
舉以太網(wǎng)為實(shí)例，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。l為主設(shè)備，2為從設(shè)備，5為主設(shè)備的數(shù)據(jù)接 口，為普通標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡，6為網(wǎng)絡(luò)變壓器，7為PHY芯片，8為為帶MAC IP核的FPGA。
在該系統(tǒng)的串行結(jié)構(gòu)中，主設(shè)備1可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠連接和正常工作。在最后 一個(gè)從設(shè)備2中通過(guò)一個(gè)撥碼配置開(kāi)關(guān)，表明為最后一個(gè)從設(shè)備。在主設(shè)備l自動(dòng)檢測(cè)從設(shè) 備時(shí)，主設(shè)備1發(fā)送一個(gè)査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備2首先接收到此査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備 2將轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報(bào)文，并發(fā)送自己的應(yīng)答報(bào)文和將自己的設(shè)備號(hào)初始化為0下一個(gè)從設(shè)備2 也即最后一個(gè)從設(shè)備收到此査詢報(bào)文后，發(fā)送自己的應(yīng)答報(bào)文(包含為最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息)， 并將自己的設(shè)備號(hào)初始化為0。主設(shè)備1收到最后一個(gè)從設(shè)備2的應(yīng)答報(bào)文后，說(shuō)明系統(tǒng)連 接可靠和各設(shè)備正常工作。若主設(shè)備1在發(fā)送完查詢報(bào)文后，等待一段時(shí)間(此時(shí)間為正常 情況下檢測(cè)最大從設(shè)備數(shù)的最長(zhǎng)時(shí)間的2倍)，仍然收不到最后一個(gè)設(shè)備2的應(yīng)答報(bào)文，將 報(bào)告錯(cuò)誤，說(shuō)明有故障。
在該系統(tǒng)的串行結(jié)構(gòu)中，主設(shè)備1可以自動(dòng)枚舉和配置各從設(shè)備2。在主設(shè)備l檢測(cè)到系 統(tǒng)可靠連接和正常工作后，在主設(shè)備1收到最后一個(gè)從設(shè)備2的應(yīng)答報(bào)文后，開(kāi)始發(fā)送配置 報(bào)文，跟主設(shè)備1相連的第一個(gè)從設(shè)備2 (此時(shí)設(shè)備號(hào)為0)將先收到配置報(bào)文，收到此配置 報(bào)文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備2，第一個(gè)從設(shè)備2將自己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為1， 同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用等，主設(shè)備l在配置完 第一個(gè)從設(shè)備2后，將再發(fā)下一個(gè)配置報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備2 (此時(shí)設(shè)備號(hào)不為0)將轉(zhuǎn)發(fā)此 配置報(bào)文到第二個(gè)從設(shè)備2(此時(shí)設(shè)備號(hào)為0)，第二個(gè)從設(shè)備也即最后一個(gè)從設(shè)備2在收到 此配置報(bào)文后將自己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為2,同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包含自己的設(shè)備號(hào)、該從 設(shè)備的功能、作用等。這樣每個(gè)從設(shè)備2都有自己唯一的設(shè)備標(biāo)號(hào)，主設(shè)備l也建立一個(gè)設(shè) 備表，包含各設(shè)備的設(shè)備號(hào)，包含各設(shè)備的功能和作用等。
以一個(gè)主設(shè)備和兩個(gè)從設(shè)備為例來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。l為主設(shè)備， 2為從設(shè)備。主設(shè)備1和從設(shè)備2之間的通信線有兩根數(shù)據(jù)發(fā)送線3和兩根數(shù)據(jù)接收線4，兩 個(gè)從設(shè)備2之間的通信也由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來(lái)完成，這樣相鄰的設(shè)備間就實(shí)現(xiàn) 了數(shù)據(jù)的全雙工通信。從設(shè)備有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)第一個(gè) 從設(shè)備2時(shí)，從設(shè)備2接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)從設(shè)備2，從設(shè)備2的數(shù)據(jù)發(fā)送給主設(shè)備31 時(shí)，若從設(shè)備2有要發(fā)送給主設(shè)備1的數(shù)據(jù)，則從設(shè)備2先存儲(chǔ)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)，等 從設(shè)備2發(fā)送給主設(shè)備1的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，再轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)，若從設(shè)備2沒(méi)有 要發(fā)送給主設(shè)備l的數(shù)據(jù)，則從設(shè)備2直接轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)從設(shè)備2的數(shù)據(jù)。主設(shè)備l也可以通 過(guò)另一根數(shù)據(jù)線3、 4與從設(shè)備2進(jìn)行通信，方法與上面提到的主設(shè)備1通過(guò)數(shù)據(jù)線3、 4與 從設(shè)備2通信方法一致。即正常情況下， 一根數(shù)據(jù)線是冗余的，但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有容錯(cuò)功能， 即若兩個(gè)從設(shè)備2之間的數(shù)據(jù)線連接有斷開(kāi)的時(shí)候，從設(shè)備2可以通過(guò)數(shù)據(jù)線3、 4與主設(shè)備 l進(jìn)行通信，下一個(gè)從設(shè)備2可以通過(guò)另一根數(shù)據(jù)線3、 4與主設(shè)備1進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此拓?fù)?結(jié)構(gòu)不僅適用于以太網(wǎng)，還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式，只是FPGA中 IP核的協(xié)議不同。
舉以太網(wǎng)為實(shí)例，內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。l為主設(shè)備，2為從設(shè)備，5為主設(shè)備的通 信數(shù)據(jù)接口，即普通標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡,6為網(wǎng)絡(luò)變壓器，7為PHY芯片，8為為帶MACIP核的FPGA。
在該系統(tǒng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)中，主設(shè)備l可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠連接和正常工作。主設(shè)備 1通過(guò)數(shù)據(jù)線3、 4發(fā)送一個(gè)査詢報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備2收到之后轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)從設(shè)備2，同 時(shí)將自己的設(shè)備號(hào)初始化為O，下一個(gè)從設(shè)備也即最后一個(gè)從設(shè)備2再通過(guò)數(shù)據(jù)線3、 4轉(zhuǎn)發(fā) 此査詢報(bào)文到主設(shè)備l,并初始化自己設(shè)備號(hào)為0。主設(shè)備l在收到此査詢報(bào)文后，說(shuō)明系統(tǒng) 連接可靠和各設(shè)備工作正常。若主設(shè)備1等待一段時(shí)間(此時(shí)間為正常情況下檢測(cè)最大從設(shè) 備數(shù)的最長(zhǎng)時(shí)間的2倍)后，仍然接收不到此查詢報(bào)文，說(shuō)明系統(tǒng)連接不可靠或某個(gè)設(shè)備不 正常工作。
在該系統(tǒng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)中，主設(shè)備1可以自動(dòng)枚舉和配置各從設(shè)備2。主設(shè)備1檢測(cè)系統(tǒng) 可靠連接和正常工作后，主設(shè)備1通過(guò)數(shù)據(jù)線3、 4開(kāi)始發(fā)送配置報(bào)文，跟主設(shè)備1相連的第 一個(gè)從設(shè)備2 (此時(shí)設(shè)備號(hào)為0)將先收到配置報(bào)文，收到此配置報(bào)文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào) 文到下一個(gè)從設(shè)備2，第一個(gè)從設(shè)備2將自己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為1，同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包 含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、作用等，主設(shè)備1在配置完第一個(gè)從設(shè)備2后，將再發(fā) 個(gè)下一個(gè)配置報(bào)文，第一個(gè)從設(shè)備2將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到第二個(gè)從設(shè)備2 (此時(shí)設(shè)備號(hào)為0), 第二個(gè)從設(shè)備2在收到此配置報(bào)文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到下一個(gè)從設(shè)備2,第二個(gè)從設(shè)備2 將自己的設(shè)備號(hào)設(shè)置為2，同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，包含自己的設(shè)備號(hào)、該從設(shè)備的功能、 作用等。此時(shí)主設(shè)備再發(fā)配置報(bào)文，各從設(shè)備2都有自己的設(shè)備號(hào)(此時(shí)設(shè)備號(hào)不為0), 各從設(shè)備2都將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文，最后一個(gè)從設(shè)備2將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報(bào)文到主設(shè)備1的另一個(gè) 數(shù)據(jù)線接口上。主設(shè)備1在收到此配置報(bào)文后，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)將配置完畢。這樣每個(gè)從設(shè)備 2都有自己唯一的設(shè)備標(biāo)號(hào)，主設(shè)備1也建立一個(gè)設(shè)備表，包含各從設(shè)備2的設(shè)備號(hào)，包含 各設(shè)備的功能和作用等。
在上面所說(shuō)的串行和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，除可用Internet網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP (Network Time Protocal)、簡(jiǎn)單時(shí)間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal) 、 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)精 確時(shí)間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal)協(xié)議來(lái)同步各從設(shè)備外，還提出了一種用 于各從設(shè)備精確同步的方法。就是從設(shè)備之間除了數(shù)據(jù)線之外，再加一根同步信號(hào)線。以串 行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，如圖5所示，l為主設(shè)備，2為從設(shè)備，3為數(shù)據(jù)發(fā)送線、4為數(shù)據(jù)接收線, 9為同步信號(hào)線。在從設(shè)備2中可任選一個(gè)從設(shè)備為同步信號(hào)源，舉以最后一個(gè)從設(shè)備2為 同步信號(hào)源為例，最后一個(gè)從設(shè)備2負(fù)責(zé)嚴(yán)格的定時(shí)和同步信號(hào)的發(fā)送，周期性的通過(guò)同步 信號(hào)線9發(fā)送同步信號(hào)。其他的從設(shè)備2接收同步信號(hào)。如果不考慮傳輸線的線上延遲，各
從設(shè)備2將同時(shí)收到同步信號(hào)，同時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)各從設(shè)備2動(dòng)作的同步性。如果考慮傳輸線 的線上延遲，各從設(shè)備2收到同步信號(hào)的線上延遲時(shí)間是固定的，在配置階段根據(jù)各設(shè)備的 傳輸線長(zhǎng)給各從設(shè)備2中設(shè)置一個(gè)時(shí)間延遲參數(shù)寄存器，在收到同步信號(hào)后，每次延遲一段 確定的時(shí)間再動(dòng)作，這樣就實(shí)現(xiàn)了各從設(shè)備2的精確同步動(dòng)作。
在上面所說(shuō)的串行和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，除了主設(shè)備可以與各從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信外，各 從設(shè)備之間也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主設(shè)備與各從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的傳輸協(xié)議和報(bào)文格式， 主要包括主設(shè)備配置報(bào)文、主設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文、從設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文三類。主設(shè)備與從設(shè)備間以及 各從設(shè)備間數(shù)據(jù)通信協(xié)議符合以太網(wǎng)幀協(xié)議規(guī)范，舉以太網(wǎng)IEEE802.3幀協(xié)議格式為例，如 圖6所示，包括前導(dǎo)符、分割符、目的地址、源地址、長(zhǎng)度/類型字段、數(shù)據(jù)段、幀校驗(yàn)序列 域等組成。其中數(shù)據(jù)段中包括非周期數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)，周期數(shù)據(jù)是工業(yè)控制中，任務(wù)(如功 能塊的執(zhí)行)通常按照一定的時(shí)間間隔發(fā)出，并且對(duì)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有截止性要求的數(shù)據(jù)。 非周期數(shù)據(jù)是只有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，例如設(shè)備配置、故障診斷、程序的上載/下載、 運(yùn)行記錄、報(bào)警處理等。
主設(shè)備配置(查詢)報(bào)文系統(tǒng)上電以后或系統(tǒng)重構(gòu)以后，主設(shè)備發(fā)送此報(bào)文，完成系 統(tǒng)的檢測(cè)以及對(duì)各從設(shè)備的自動(dòng)枚舉和配置。
主設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文用于向從設(shè)備發(fā)送指令數(shù)據(jù)，在一次通訊周期中，主設(shè)備發(fā)送一次主設(shè) 備周期數(shù)據(jù)報(bào)文，從設(shè)備接收后從中提取自己的數(shù)據(jù)。
從設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文用于向主設(shè)備反映該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在一次通訊周期中，從設(shè)備都會(huì) 向主設(shè)備發(fā)送一次從設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文。
在系統(tǒng)完成從設(shè)備的自動(dòng)枚舉和配置過(guò)程后，以串行結(jié)構(gòu)為例，如圖5所示，主設(shè)備1 發(fā)送周期數(shù)據(jù)報(bào)文，在保證各從設(shè)備2都收到主設(shè)備1的周期數(shù)據(jù)報(bào)文的前提下，同步信號(hào) 源即最后一個(gè)從設(shè)備2周期性的通過(guò)信號(hào)同步線9發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，各從設(shè)備2在收到此 信號(hào)后，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延遲時(shí)間值后，鎖存當(dāng)前的工作狀態(tài)，按照收到的主設(shè)備1周期數(shù)據(jù)同 時(shí)動(dòng)作，并同時(shí)將當(dāng)前的工作狀態(tài)即從設(shè)備周期數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到主設(shè)備1。
權(quán)利要求1、一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，其特征是在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個(gè)主設(shè)備和至少一個(gè)從設(shè)備，在從設(shè)備中任選一個(gè)為同步信號(hào)源，各設(shè)備通過(guò)傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設(shè)備上有至少一個(gè)數(shù)據(jù)線接口，每個(gè)從設(shè)備有至少兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，連接時(shí)彼此串行連接，即主設(shè)備的數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到下一個(gè)從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)接口上，依次連接構(gòu)成串行網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的全雙工通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，其特征是所述各主設(shè)備有 兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，各從設(shè)備有兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，在從設(shè)備中任選一個(gè)為同步信號(hào)源，各設(shè)備 通過(guò)傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接 口上，從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到下一個(gè)從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)接口上，這樣 級(jí)聯(lián)下去， 一直連到最后一個(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)線接口上，最后一個(gè)從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口 通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到主設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的全雙工通 信。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，其特征是所述同步信 號(hào)源是在從設(shè)備中任選一個(gè)，并在其上安裝同步信號(hào)線與其余的從設(shè)備連接，各從設(shè)備中設(shè) 有一個(gè)信號(hào)延遲參數(shù)寄存器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，其特征是所述同步信號(hào)源 為在任意一個(gè)從設(shè)備上設(shè)定撥碼開(kāi)關(guān)裝置的方式確定一個(gè)從設(shè)備為同步信號(hào)源，然后用同步 信號(hào)線將同步信號(hào)源與其余從設(shè)備連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，其特征是所述數(shù)據(jù)線既包 括數(shù)據(jù)發(fā)送線，也包括數(shù)據(jù)接收線，相鄰的兩個(gè)設(shè)備之間通信時(shí)沒(méi)有沖突，實(shí)現(xiàn)全雙工通信, 數(shù)據(jù)線的傳輸介質(zhì)既可為雙絞線，也可為光纖。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)。它解決了以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)時(shí)，通信的實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)的精確同步性難以保障，而添加專用設(shè)備，又造成使用成本增高等問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，通用性高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個(gè)主設(shè)備和至少一個(gè)從設(shè)備，在從設(shè)備中任選一個(gè)為同步信號(hào)源，各設(shè)備通過(guò)傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設(shè)備上有至少一個(gè)數(shù)據(jù)線接口，每個(gè)從設(shè)備有至少兩個(gè)數(shù)據(jù)線接口，連接時(shí)彼此串行連接，即主設(shè)備的數(shù)據(jù)線接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)線接口上，從設(shè)備的另一個(gè)數(shù)據(jù)接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到下一個(gè)從設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)接口上，依次連接構(gòu)成串行網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的全雙工通信。
文檔編號(hào)H04L7/00GK201066852SQ20072001788
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者張承瑞, 王金江 申請(qǐng)人:山東大學(xué)