本發(fā)明涉及工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，尤其涉及一種低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)和算法。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industrial?internet?of?things,iiot)領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的信息共享能力要求嚴(yán)格。由于部署成本、應(yīng)用功能、通信性能等存在差異性，iiot多系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備存在多種異構(gòu)通信協(xié)議共存的現(xiàn)象，其極大的影響了系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性與實時性，而現(xiàn)有的協(xié)議轉(zhuǎn)換和配置管理機制不靈活也會降低不同系統(tǒng)間的互操作性。時間敏感網(wǎng)絡(luò)(time-sensitive?network,tsn)是一種支持確定性通信和網(wǎng)絡(luò)流量控制的技術(shù)，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枪I(yè)領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢。因此需要設(shè)計一種可將工業(yè)現(xiàn)場的異構(gòu)數(shù)據(jù)流量接入到時間敏感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，來實現(xiàn)多協(xié)議間互相轉(zhuǎn)換，以及設(shè)計一種與之適配的靈活的管理和配置方案保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與確定性。將有利于建立操作技術(shù)(operation?technology,ot)與信息技術(shù)(informationtechnology,it)深度融合的新型工業(yè)融合網(wǎng)絡(luò)。

2、現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場存在多種有線和無線異構(gòu)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換、互聯(lián)互通的需求，但是現(xiàn)有的技術(shù)方案大多采用一對一的轉(zhuǎn)換方式，少數(shù)技術(shù)方案能實現(xiàn)多種異構(gòu)有線/無線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，但是缺乏對實時性、確定性的考慮?，F(xiàn)有的基于fpga開發(fā)的協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件解決方案往往忽略了交換架構(gòu)的使用，這限制了它們在處理不同協(xié)議時的性能。此外，這些方案普遍缺乏對數(shù)據(jù)流重要性的識別和區(qū)分，導(dǎo)致它們無法確保關(guān)鍵協(xié)議轉(zhuǎn)換的確定性與實時性，這對于工業(yè)自動化和智能制造等對時間敏感的應(yīng)用場景來說是一個顯著的不足。在多種異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，由于工業(yè)現(xiàn)場存在各種支持不同工業(yè)協(xié)議的設(shè)備，存在異構(gòu)協(xié)議設(shè)備間互聯(lián)互通難、轉(zhuǎn)換時延抖動大等問題。時間敏感網(wǎng)絡(luò)交換機和終端設(shè)備使用優(yōu)先級隊列來處理數(shù)據(jù)包，確保關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)包能夠優(yōu)先被處理和轉(zhuǎn)發(fā)，是時間敏感網(wǎng)絡(luò)用于確保關(guān)鍵任務(wù)實時性和確定性的機制之一，然而，當(dāng)時間敏感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)設(shè)備集成時，傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)不具有優(yōu)先級標(biāo)簽，無法兼容上述時間敏感的機制，導(dǎo)致其確定性下降。

3、因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)和算法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的針對多種工業(yè)有線和無線異構(gòu)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換、互聯(lián)互通的方法缺乏對實時性、確定性的考慮。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)，包括協(xié)議管理控制設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備和設(shè)備層；

3、所述協(xié)議管理控制設(shè)備包括上位機，所述上位機包括協(xié)議轉(zhuǎn)換配置界面和異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理算法，用戶可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換配置界面對多種異構(gòu)協(xié)議的初始參數(shù)進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)的查詢，再將配置的數(shù)據(jù)作為異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理算法的處理數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)處理方案。

4、進(jìn)一步地，所述傳輸網(wǎng)絡(luò)包括時間敏感網(wǎng)絡(luò)，所述時間敏感網(wǎng)絡(luò)支持確定性通信和網(wǎng)絡(luò)流量控制的技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所述時間敏感網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)關(guān)、時間敏感網(wǎng)絡(luò)交換機和客戶端。

5、進(jìn)一步地，所述異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備包含硬件框架、任務(wù)調(diào)度以及時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法，所述異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備具備接入所述設(shè)備層和所述傳輸網(wǎng)絡(luò)、接收所述設(shè)備層和來自上層的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)換工業(yè)異構(gòu)協(xié)議的功能。

6、進(jìn)一步地，所述異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備的硬件框架包括：配置管理中心、異構(gòu)數(shù)據(jù)交換單元以及交互端口。

7、進(jìn)一步地，所述配置管理中心包括管理端口、配置方案模塊、門控列表模塊以及時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法模塊；

8、所述管理端口為以太網(wǎng)端口，可接收配置數(shù)據(jù)；

9、所述配置方案模塊包括最優(yōu)處理方案查找表、排列序號表以及用戶配置的協(xié)議信息；所述最優(yōu)處理方案查找表用于查找輸入順序所對應(yīng)的最優(yōu)處理方案；所述排列序號表查找最優(yōu)處理方案對應(yīng)的不同協(xié)議數(shù)據(jù)的輸出順序；

10、所述門控列表模塊根據(jù)輸出順序生成門控列表，用于控制門控開關(guān)的開關(guān)順序；

11、所述時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法模塊使用時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法對用戶配置的協(xié)議信息進(jìn)行處理計算，為不同協(xié)議的數(shù)據(jù)定義時間敏感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級。

12、進(jìn)一步地，所述異構(gòu)數(shù)據(jù)交換單元包括輸入路徑、地址查找轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度模塊、crossbar交換結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換處理單元以及監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出路徑；

13、所述輸入路徑包括端口和異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)解析模塊；所述異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)解析模塊分析不同協(xié)議數(shù)據(jù)的源地址和目的地址，并將這些信息發(fā)送至地址查找轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度模塊；所述地址查找轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度模塊包含了查找表，接收異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)解析模塊解析出的目的地址，將不同數(shù)據(jù)的目的地址轉(zhuǎn)換成端口信號發(fā)送到crossbar交換結(jié)構(gòu)；所述crossbar交換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換功能，地址的映射由地址查找轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度模塊控制。

14、進(jìn)一步地，所述交互端口實現(xiàn)配置管理中心與異構(gòu)數(shù)據(jù)交換單元之間的數(shù)據(jù)與控制信息的交互。

15、本發(fā)明還提供一種低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換方法，包括異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理算法、時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法和應(yīng)用于所述低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)的任務(wù)調(diào)度流程，所述異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理算法從協(xié)議轉(zhuǎn)換配置界面取出用戶自定義的設(shè)備的協(xié)議種類、數(shù)量、優(yōu)先級、用戶自定義優(yōu)先級、截止時間以及異構(gòu)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)據(jù)，生成最優(yōu)處理方案查找表，并生成隨機樣本驗證最優(yōu)處理方案查找表。

16、進(jìn)一步地，所述時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法用于計算不同協(xié)議數(shù)據(jù)與異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備交互時的動態(tài)優(yōu)先級，所述時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法包括以下步驟：

17、計算優(yōu)先級pe：所述保護帶時間段內(nèi)異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備收到向傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳某設(shè)備的數(shù)據(jù)的請求時，在下一個處理周期內(nèi)才將請求的數(shù)據(jù)在保護帶時間段內(nèi)上傳；在一個處理周期內(nèi)有空閑時即可向設(shè)備層提取請求的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在下一個保護帶到來前都不會上傳到傳輸網(wǎng)絡(luò)中，該數(shù)據(jù)提取到異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備的時刻決定了它的優(yōu)先級pe；

18、

19、δ是單位等待時間距離，p為優(yōu)先級數(shù)量，可以計算得出請求的數(shù)據(jù)在異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備中的等待時間tdelay對應(yīng)的該數(shù)據(jù)流在異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備中的優(yōu)先級pe，這個值越小在端設(shè)備中的優(yōu)先級越大；

20、計算時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級ptsn：

21、

22、pu為用戶自定義優(yōu)先級，引入用戶定義優(yōu)先級說明用戶對該數(shù)據(jù)的重視程度，從而影響數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，α為用戶自定義優(yōu)先級的權(quán)重，1-α為pe的權(quán)重，兩者的加權(quán)和即為數(shù)據(jù)流在時間敏感網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先級ptsn。

23、進(jìn)一步地，應(yīng)用于所述低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)的任務(wù)調(diào)度流程包括設(shè)備層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程、異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備配置流程及數(shù)據(jù)查詢流程，所述設(shè)備層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程、異構(gòu)協(xié)議交互管理設(shè)備配置流程及數(shù)據(jù)查詢流程可并行執(zhí)行。

24、技術(shù)效果

25、(1)低時延高確定性工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)支持profine、ethernet/ip、wifi及zigbee等多種工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)了不同協(xié)議設(shè)備間的數(shù)據(jù)互操作性，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與確定性。此外，本發(fā)明中的工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)為現(xiàn)有異構(gòu)協(xié)議設(shè)備提供了一種高效的接入時間敏感網(wǎng)絡(luò)的解決方案，有效降低了因物理硬件更換而產(chǎn)生的成本，這些技術(shù)效果為智能制造的實現(xiàn)提供了堅實的技術(shù)支撐，推動了工業(yè)自動化和智能化的進(jìn)一步發(fā)展；

26、(2)本發(fā)明的硬件框架通過明晰的分區(qū)，將fpga劃分為配置管理中心、異構(gòu)數(shù)據(jù)交換單元以及交互端口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理流程的高效組織，配置管理中心負(fù)責(zé)初始設(shè)定以及算法初始數(shù)據(jù)的配置，異構(gòu)數(shù)據(jù)交換單元指揮數(shù)據(jù)流向并且承擔(dān)起實際的數(shù)據(jù)處理任務(wù)；時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法計算每個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級；最優(yōu)處理方案查找表管理端口協(xié)議數(shù)據(jù)的輸出順序。框架的設(shè)計允許靈活配置不同協(xié)議的數(shù)量和種類，展現(xiàn)了其高度的靈活性和拓展性；無論是應(yīng)對現(xiàn)有協(xié)議還是未來新協(xié)議的轉(zhuǎn)換需求，本發(fā)明中的硬件框架均能提供穩(wěn)定支持；

27、(3)本發(fā)明中的異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理算法實現(xiàn)了對多種異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中動態(tài)優(yōu)先級的計算，在確保了實時性和確定性要求下，不同協(xié)議間能夠高效、穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該算法采用超時率、確定性和實時性作為核心評判指標(biāo)，該算法不僅提升了數(shù)據(jù)處理的實時性和操作的確定性，還有效降低了數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換過程中超時風(fēng)險。此外，算法對局部延遲抖動進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。綜合這些技術(shù)效果，該算法為構(gòu)建高效、穩(wěn)定、可靠的異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支撐。

28、(4)本發(fā)明中的時間敏感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)先級算法保證了數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)議管理控制設(shè)備的時延具有確定性；并且該算法考慮了用戶對協(xié)議優(yōu)先級的定義，能夠平衡上傳數(shù)據(jù)的等待延時和用戶對該數(shù)據(jù)重視程度，使得該數(shù)據(jù)在被時間敏感網(wǎng)絡(luò)處理時的優(yōu)先級比較合理，既不會忽略用戶重視的數(shù)據(jù)，也不會忽略等待延時長的數(shù)據(jù)。

29、以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。