CN101950175B - 一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法，包括步骤：(1)现场总线系统上电并进行初始化设置；若初始化设置成功，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)的故障处理；(2)故障处理；(3)数据通信，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理；在各站点的数据传送完成后，本周期还有剩余时间则进入空闲状态，等待下一个数据的发送接收请求，在等待过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理，否则进行步骤(4)；(4)结束通信。本发明还提供了实现上述方法的基于工业以太网的高速现场总线系统，即GSK-Link高速现场总线系统。本发明的从站之间可以相互进行数据通信，可大大提高其数据传输速度及效率。

Description

一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法

技术领域

本发明属于现场总线技术领域，特别涉及一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法(即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线实现方法)和实现该方法的基于工业以太网的高速现场总线系统(即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线系统)。

背景技术

高速现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。根据工业制造设备的加工需求，通常将高速现场总线技术和数据采集技术结合使用。

现代制造工厂中单一的控制很难满足数控系统加工的需求，通常是由逻辑控制、过程控制、运动控制、传动控制、安全控制等控制过程中的多种控制的集合。在过去由于受限于如集成电路、输入输出、变频器、传感器、网络通信等技术，这种高度整合和集成的应用需要很多单一的控制系统的支持，如PLC作逻辑控制、伺服控制器做运动控制、分布式控制系统做过程控制等。各个控制系统之间的需要很繁琐的通信接口和握手，并且占据整个系统应用的很多时间工作量和时间，需要更多的设备维护和管理，使得制造工业信息化技术难以发展。但随着以太网技术和现场总线技术的不断发展，现代以太网通信数据传输的速度不断提升，从10Mbit/s，到100Mbit/s，1000Mbit/s甚至现在的10GMbit/s，同时使用成本也不断下降，这使得基于工业以太网的高速现场总线满足现代工业需求。

但在现有技术中，基于工业以太网的高速现场总线的实现方法比较单一，只能实现主站与从站之间的通信，对于从站与从站之间的通信较难实现，这大大地限制了其通信数据的传输速度；而且，现有的技术，通常是采用定制电路进行控制，具有比较大的局限性、成本较大、可编程器件门电路数有限等缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种快速、实时的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线实现方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述方法的基于工业以太网的高速现场总线系统，即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线系统。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法，包括如下步骤：

(1)现场总线系统上电后，每个站点依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口开始工作；通过各站点中的中央处理器对其进行初始化设置，包括对现场总线系统进行拓扑检测、选择网络的连接方式、地址编址、延迟测量和参数传送操作；若初始化设置成功，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)的故障处理；所述现场总线系统为GSK-Link高速现场总线；

(2)根据现场总线系统中各站点间所传送的数据信号，判别故障类型，进行故障处理；

(3)数据通信：现场总线系统中，本站的中央处理器把数据发送到本站的现场可编程门阵列，现场可编程门阵列中的处理器接口管理模块接收该数据，并将其经现场可编程门阵列中的管理模块发送至数据发送模块，数据发送模块把数据打包成一定的数据帧，数据帧依次经由以太网外围接口的以太网物理层、网络变压器和网络端口，再由网络端口把该数据帧发送出去至目标站点；该数据帧到达目标站点，依次经由目标站点以太网外围接口的网络端口、网络变压器、以太网物理层，并以一定的数据包形式送往目标站点的现场可编程门阵列中的数据接收模块，所述目标站点的现场可编程门阵列的数据接收模块把接收到的数据帧解包，若接收到的数据的目标地址为该目标站点的地址，则把接收的数据发送至现场可编程门阵列中的双口RAM控制模块进行缓冲存储、循环冗余校验码校验和把反馈数据上传，若循环冗余校验码校验正确则缓冲数据依次通过管理模块、处理器接口管理模块、处理器接口发送至中央处理器，实现中央处理器对该数据的访问，若循环冗余校验码校验错误则把上传的循环冗余校验码校验数据取反和置接收错误标志；其中，主站对循环冗余校验码进行校验错误时，则对错误数据重传；而本站的中央处理器读取到接收错误标志时则放弃对数据缓冲区的访问；若目标站点接收到的数据的目标地址为非本站的地址，并且同时本站没有进行数据发送则直接转发下一站，若本站正在进行数据发送，则把接收数据存放在数据缓冲区，待本站数据发送完成再发送数据缓冲区的数据；

在各站点的通信过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理；在各站点的数据传送完成后，本周期还有剩余时间则进入空闲状态，等待下一个数据的发送接收请求，在等待过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理，否则进行步骤(4)；

(4)各站点之间发出请求终止通信信号，结束通信。

所述步骤(3)中，主站与从站之间进行实时周期性数据通信和非实时的非周期数据通信，主站将相关的数据信号发送至从站，进而控制高速现场总线的工业设备；从站与从站之间进行非实时的非周期数据通信。

所述步骤(1)中，初始化设置具体包括：

(1-1)拓扑检测：主站通过现场可编程门阵列中的MII串行寄存器管理模块读取以太网物理层的其内部信息，根据寄存器来判断网络端口是否正常连接，若是两个网络端口都正常连接则两端都向从站发送拓扑测试帧，若只有一个网络端口连接正常则只在正常连接的网络端口向从站发送拓扑测试帧，如果两个网络端口都没有连接正常，则发送报警信号，进行步骤(2)；从站接收主站发送的拓扑测试帧信号，并向主站发送反馈信息，主站根据从站的反馈信息确认网络拓扑结构，若拓扑检测失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，即完成拓扑检测，则进行下一步骤；

(1-2)选择网络的连接方式：主站根据需要，选择网络的连接方式，若选择为标准以太网的连接方式，则通过标准以太网媒介存取控制层模块进行标准的以太网通信；若选择为工业以太网的连接方式，则进行下一步骤；

(1-3)地址编址：对连接到主站的各个从站进行地址编址，编址帧数据由主站发起，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址，若编址失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则完成编址并进行下一步骤；

(1-4)延迟测量：根据网络拓扑结构，对各从站进行延迟测量，根据各从站本身的传输延时来更新时钟计数器，以保证从站与主站时钟计数器同步；若延迟测量失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则延迟测量成功并进行下一步骤；

(1-5)参数传送：各站点之间采用普通数据帧进行数据传送，以对各站点进行必要的参数设置；参数传送完成后进行下一步骤；

(1-6)初始化设置完成，进行步骤(3)，各个站点之间进行数据通信。

所述步骤(3)中，各站点之间通信的数据帧的内容包括依次相接的目的地址、源地址、控制字、帧长度、数据域和循环冗余校验码，数据帧的种类包括：

拓扑测试帧(Test Telegram，简称TST)，用于在所述步骤(1-1)的初始化设置时的网络检查和拓扑结构判别；

主站同步帧(Master Sync Telegram，简称MST)，用于所述步骤(1-4)中同步主站和各个从站以及同步各从站之间的传输延时；每个周期的开始，主站以广播形式发送主站同步帧，主要用于同步主站和各个从站，同步各从站要考虑路径的传输延时；

编址帧(Address Assign Telegram，简称AAT)，用于所述步骤(1-3)中主站为从站分配特定的地址，以使各站点间的非周期数据按照所分配的地址进行互相通信；主站为从站编址，初始化阶段主站为从站分配特定的地址，非周期数据都是按照所分配的地址进行互相通信的；

延时测试帧(Time-lapse Test Telegram，简称TTT)，用于测试主站到各个从站的传输延时时间，利用计算延时时间和主站同步帧在每个周期中使从站同步于主站的时间计数器，以防止各个站点之间的时钟漂移；

主站数据帧(Master Data Telegram，简称MDT)，用于在每个通信周期中，各从站从由主站以广播形式发送的数据提取属于自己的数据，且将相关信息反馈给主站；每个通信周期，主站以广播形式发送一次这种数据帧，各从站从主站数据帧提取属于自己的数据(位置指令值、速度指令值等)，各从站将要反馈给主站的数据添加到主站数据帧中(实际位置值、实际速度值等)；

普通数据帧(General Data Telegram，简称GDT)，用于在任意站点之间互传非周期数据，包括主站对从站的读写、主站对从站的设置以及从站与从站之间高速通信；

主轴数据帧(Principal-axis Data Telegram，简称PDT)，用于主轴站点向主站站点传输主轴数据。

各种数据类型的打包和解包由现场可编程门阵列完成。

所述步骤(3)中，各站点之间的周期性数据通信采用主站数据帧来进行数据传送，非周期数据通信采用普通数据帧来进行数据传送，主轴和主站之间采用主轴数据帧进行通信。

所述步骤(1-1)中，所述网络拓扑结构为双环形连接编址、单环形连接编址、正向单线形连接编址、反向单线形连接编址或双线形连接编址。

所述步骤(1-3)中，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址的具体为：

(1-3-1)双环形连接或单环形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到该编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-2)正向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到该编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-3)反向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其反向端口上发送反向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-4)双线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；传输到最后一个从站时则只把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到编址帧控制字的低8位识别出连接在主站的正向端口上的从站个数，然后处理器控制主站只在反向端口上发送反向编址帧，其控制字的低8位数据为正向端口上从站个数；传输到最后一个从站时只把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站；主站在反向端口接收到编址帧控制字的的低8位数据里面识别出在总线上的从站个数，而从站则把各自加得编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址。

所述步骤(1-4)中，各种网络拓扑结构通过时钟同步控制模块进行延迟测量的具体步骤为：

(1-4-1)双环形连接或单环形连接的延时测试：主站的中央处理器在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间SMST；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间SMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间SNST；直到主站的反向端口接收到最后一个从站传递过来的延时测试帧时，主站立刻向从站发送测试延时反馈帧，该测试延时反馈帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间SNBT，直到主站收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧；主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时，主站记录在此时刻的主站计数器时间SMOT；主站再向从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间SMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间SMOT，所述各个从站相对主站的正向端口延时和反向端口延时分别满足：

正向端口延时＝((SMOT-SMST)-(SNST-SNBT))/2，其中SMOT为主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，SMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

反向端口延时＝(SNST-SNBT)/2，其中SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-2)正向单线形连接的延时测试：主站在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间PMST；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间PMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间PNST；所述延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站，测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间PNBT；直到主站收到所述测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间PMOT；主站再向各从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间PMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间PMOT，所述各个从站相对主站的正向端口延时满足：

正向端口延时＝((PMOT-PMST)-(PNST-PNBT))/2，其中PMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，PMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，PNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，PNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-3)反向单线形连接的延时测试：主站在反向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间OMST；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间OMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间ONST；延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站，测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间ONBT；直到主站收到该测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间OMOT；主站再向各从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间OMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间PMOT，所述各个从站相对主站的反向端口延时满足：

反向端口延时＝((OMOT-OMST)-(ONST-ONBT))/2，其中OMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，OMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，ONST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，ONBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-4)双线形连接的延时测试：双线形连接中的正向单线形连接的延时测试和反向单线形连接的延时测试分别进行计算，其中正向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-2)进行计算，反向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-3)进行计算。

所述步骤(2)中，故障处理具体为：根据步骤(1)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(1)进行重新初始化，若故障不可恢复，则进行步骤(4)；根据步骤(2)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(3)继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤(4)。

所述步骤(1)中，拓扑检测由各站点的现场可编程门阵列进行检测，其检测结果储存到相应站点的寄存器中供其处理器读取操作；地址编址由主站的现场可编程门阵列实现。

实现上述方法的基于工业以太网的高速现场总线系统，即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线系统，包括设置在每个站点中的依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口，每个站点的以太网外围接口均包括依次连接的以太网物理层、网络变压器和网络端口，每个站点的现场可编程门阵列均包括处理器接口管理模块、管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块，所述处理器接口管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与管理模块连接，标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与以太网外围接口的以太网物理层连接，数据接收模块和数据发送模块都分别与双口RAM控制模块连接，处理器接口管理模块通过处理器接口与中央处理器连接；各站点之间通过其以太网外围接口的网络端口进行通信连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明的从站之间可以相互进行数据通信，可大大提高其数据传输速度及效率。

2、本发明可对数据通道所传送的数据进行检错，并有完善的重发机制，以保证数据通信的实时性可靠性，具有快速、实时等优点。

3、本发明中，通过初始化设置，从站可支持对目标地址为广播地址或者非从站自身地址的数据帧进行地址识别和转发功能由现场可编程门阵列完成。

4、本发明可通过现场可编程门阵列实现数据接收和发送，支持双口RAM的乒乓操作，解决数据接收和发送的冲突问题。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是图1所示方法在步骤(3)中数据发送接收的流程图。

图3是图1所示方法在步骤(3)中通信时的数据帧格式示意图。

图4是图1所示方法在步骤(3)中通信时的主站数据帧格式示意图。

图5是图1所示方法在步骤(3)中通信时的普通数据帧格式示意图。

图6是图1所示方法在步骤(3)中通信时的主轴数据帧格式示意图。

图7是图1所示方法在步骤(1)中所确定双环形连接的网络拓扑结构示意图。

图8是图1所示方法在步骤(1)中所确定单环形连接的网络拓扑结构示意图。

图9是图1所示方法在步骤(1)中所确定正向单线形连接的网络拓扑结构示意图。

图10是图1所示方法在步骤(1)中所确定反向单线形连接的网络拓扑结构示意图。

图11是图1所示方法在步骤(1)中所确定双线形连接的网络拓扑结构示意图。

图12是图1所示方法在步骤(3)中正常通信时的通信时序示意图。

图13是实现图1所示方法的基于工业以太网的高速现场总线系统的结构示意图。

图14是图13所示现场可编程门阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本基于工业以太网的高速现场总线实现方法，即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线实现方法，包括如下步骤：

(1)现场总线系统上电后，每个站点依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口开始工作；通过各站点中的中央处理器对其进行初始化设置，包括对现场总线系统进行拓扑检测、选择网络的连接方式、地址编址、延迟测量和参数传送操作；若初始化设置成功，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)的故障处理；所述现场总线为GSK-Link高速现场总线；

(2)根据现场总线系统中各站点间所传送的数据信号，判别故障类型，进行故障处理；

(3)数据通信：如图2所示，现场总线系统中，本站的中央处理器把数据发送到本站的现场可编程门阵列，现场可编程门阵列中的处理器接口管理模块接收该数据，并将其经现场可编程门阵列中的管理模块发送至数据发送模块，数据发送模块把数据打包成一定的数据帧，数据帧依次经由以太网外围接口的以太网物理层、网络变压器和网络端口，再由网络端口把该数据帧发送出去至目标站点；该数据帧到达目标站点，依次经由目标站点以太网外围接口的网络端口、网络变压器、以太网物理层，并以一定的数据包形式送往目标站点的现场可编程门阵列中的数据接收模块，所述现场可编程门阵列的数据接收模块把接收到的数据帧解包，若接收到的数据的目标地址为本站的地址，则把接收的数据发送至现场可编程门阵列中的双口RAM控制模块进行缓冲存储、循环冗余校验码校验和把反馈数据上传，若循环冗余校验码校验正确则缓冲数据依次通过管理模块、处理器接口管理模块、处理器接口发送至中央处理器，实现中央处理器对该数据的访问，若循环冗余校验码校验错误则把上传的循环冗余校验码校验数据取反和置接收错误标志；其中，主站对循环冗余校验码进行校验错误时，则对错误数据重传；而本站的中央处理器读取到接收错误标志时则放弃对数据缓冲区的访问；若目标站点接收到的数据的目标地址为非本站的地址，并且同时本站没有进行数据发送则直接转发下一站，若本站正在进行数据发送，则把接收数据存放在数据缓冲区，待本站数据发送完成再发送数据缓冲区的数据；

在各站点的通信过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理；在各站点的数据传送完成后，本周期还有剩余时间则进入空闲状态，等待下一个数据的发送接收请求，在等待过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理，否则进行步骤(4)；

(4)各站点之间发出请求终止通信信号，结束通信。

所述步骤(3)中，主站与从站之间进行实时周期性数据通信和非实时的非周期数据通信，主站将相关的数据信号发送至从站，进而控制高速现场总线的工业设备；从站与从站之间进行非实时的非周期数据通信。

所述步骤(1)中，初始化设置具体包括：

(1-1)拓扑检测：主站通过现场可编程门阵列中的MII串行寄存器管理模块读取以太网物理层的其内部信息，根据寄存器来判断网络端口是否正常连接，若是两个网络端口都正常连接则两端都向从站发送拓扑测试帧，若只有一个网络端口连接正常则只在正常连接的网络端口向从站发送拓扑测试帧，如果两个网络端口都没有连接正常，则发送报警信号，进行步骤(2)；从站接收主站发送的拓扑测试帧信号，并向主站发送反馈信息，主站根据从站的反馈信息确认网络拓扑结构，若拓扑检测失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，即完成拓扑检测，则进行下一步骤；

(1-2)选择网络的连接方式：主站根据需要，选择网络的连接方式，若选择为标准以太网的连接方式，则通过标准以太网媒介存取控制层模块进行标准的以太网通信；若选择为工业以太网的连接方式，则进行下一步骤；

(1-3)地址编址：对连接到主站的各个从站进行地址编址，编址帧数据由主站发起，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址，若编址失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则完成编址并进行下一步骤；

(1-4)延迟测量：根据网络拓扑结构，对各从站进行延迟测量，根据各从站本身的传输延时来更新时钟计数器，以保证从站与主站时钟计数器同步；若延迟测量失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则延迟测量成功并进行下一步骤；

(1-5)参数传送：各站点之间采用普通数据帧进行数据传送，以对各站点进行必要的参数设置；参数传送完成后进行下一步骤；

(1-6)初始化设置完成，进行步骤(3)，各个站点之间进行数据通信。

所述步骤(3)中，各站点之间通信的数据帧的内容包括依次相接的目的地址、源地址、控制字、帧长度、数据域和循环冗余校验码，如图3所示，其中目的地址为1字节，源地址为1字节，控制字为2字节，帧长度为2字节，数据域为0～1500字节，循环冗余校验码为4字节；数据帧的种类包括：

拓扑测试帧(Test Telegram，简称TST)，用于在所述步骤(1-1)的初始化设置时的网络检查和拓扑结构判别；其中目的地址为1字节(内容为255)，源地址为1字节(内容为0，只有主站有权发送同步帧)，控制字为2字节(内容为0x0000)，帧长度为2字节，数据域为2字节(内容为0xAAAA或者0x5555)，循环冗余校验码为4字节；

主站同步帧(Master Sync Telegram，简称MST)，用于所述步骤(1-4)中同步主站和各个从站以及同步各从站之间的传输延时；每个周期的开始，主站以广播形式发送主站同步帧，主要用于同步主站和各个从站，同步各从站要考虑路径的传输延时；其中目的地址为1字节(内容为255)，源地址为1字节(内容为0，只有主站有权发送同步帧)，控制字为2字节(内容为0x9800或0x9900)，帧长度为2字节，数据域为4字节的时间参数，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧在每个周期开始时发送一次0x9800，每个从站收到该数据帧后根据从站本身的传输延时来更新时钟计数器，保证从站与主站时钟计数器同步；如果是线形拓扑结构，作为最后一个从站把控制字改为0x9900往回发送，将不更新同步时钟计数器，主站接收到此数据帧得知该拓扑结构为线形连接(该数据帧也用于其他拓扑结构检测)；

编址帧(Address Assign Telegram，简称AAT)，用于所述步骤(1-3)中主站为从站分配特定的地址，以使各站点间的非周期数据按照所分配的地址进行互相通信；主站为从站编址，初始化阶段主站为从站分配特定的地址，非周期数据都是按照所分配的地址进行互相通信的；其中目的地址为1字节(内容为255)，源地址为1字节(内容为0，只有主站有权发送同步帧)，控制字为2字节(内容为0xAXXX)，帧长度为2字节(内容为10)，数据域为4字节的无关数据，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧在现场总线系统初始化时由主站的中央处理器控制主站发送，每个从站收到该数据帧后根据控制字的12～8位来改变7～0位的数据发送出去，并以7～0位的数据作为从站的地址；

延时测试帧(Time-lapse Test Telegram，简称TTT)，用于测试主站到各个从站的传输延时时间，利用计算延时时间和主站同步帧在每个周期中使从站同步于主站的时间计数器，以防止各个站点之间的时钟漂移；其中目的地址为1字节(内容为255)，源地址为1字节(内容为0，只有主站有权发送同步帧)，控制字为2字节(内容为0xBX00)，帧长度为2字节(内容为10)，数据域为4字节(主站计数器的发送时间)，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧在现场总线系统初始化时由处理器控制其发送(现场总线系统空闲时也可以控制其发送)，每个从站收到该数据帧后根据控制字的12～8位来记录从站的时钟计数器；

主站数据帧(Master Data Telegram，简称MDT)，用于在每个通信周期中，各从站(从站1、从站2...从站n)从由主站以广播形式发送的数据提取属于自己的数据，且将相关信息反馈给主站；每个通信周期，主站以广播形式发送一次这种数据帧，各从站从主站数据帧提取属于自己的数据(位置指令值、速度指令值等)，各从站将要反馈给主站的数据添加到主站数据帧中(实际位置值、实际速度值等)；如图4所示，主站数据帧的目的地址为1字节(内容为255)，源地址为1字节(内容为0，只有主站有权发送同步帧)，控制字为2字节(内容为0xC800或0xC900)，帧长度为2字节(内容为10)，数据域为0～1500字节(内容为MDT数据，即从站1的周期数据、从站2的周期数据...从站n的周期数据，每个从站的周期数据包括4个字节的控制字和可配置的周期数据)，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧由处理器控制发送0xC900，该数据帧只能由从站接收和交换数据，从站的数据段位置和可配置的周期数据的长度都可由初始化时处理器对各个从站进行设定；每个伺服从站接收到该数据帧的同时把需要反馈的数据填充到该从站的区域中由主站数据帧发送到主站；作为线形传输时，每一线形最后一个从站接收到主站数据帧0xC900，把控制字改为0xC800往回发送，从站只能接收和填充主站数据帧0xC900，而控制字为0xC800的只能不改变地传输；

普通数据帧(General Data Telegram，简称GDT)，用于在任意站点之间互传非周期数据，包括主站对从站的读写、主站对从站的设置以及从站与从站之间高速通信；如图5所示，其中目的地址为1字节(内容为主站或从站地址)，源地址1字节(内容为发送普通数据帧的主站或从站地址)，控制字为2字节(内容为0xD8XX或0xD9XX或0xDAXX)，帧长度为12～1000或10(普通数据帧时为12～1000，普通数据帧应答帧时为10)，数据域的内容为4字节的站点时间值或6个字节的数据控制字+非周期数据(GDT数据帧时，6个字节的数据控制字+非周期数据；GDT应答帧时为4字节的站点时间值)，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧由处理器控制其发送0xD800，判断在发送空闲间隔大于10个时钟时把该数据帧发送出去，目标站点接收到此数据帧后，判断接收情况分别应答0xD9XX或0xDAXX，源站点接收到应答才结束该次GDT帧发送，该数据帧没有周期限制，GDT帧是从站相互通信的数据帧格式，从站的GDT传输通过构建数据缓冲处理机制和利用环形双通道来解决数据冲突和数据阻塞等问题，以达到实现从站任意从站的GDT传送(从站之间高速通信时GDT数据帧长度不能超过20字节)；

主轴数据帧(Principal-axis Data Telegram，简称PDT)，用于主轴站点向主站站点传输主轴数据；如图6所示，其中目的地址为1字节(内容为主站地址)，源地址1字节(内容为发送PDT的主轴站地址)，控制字为2字节(内容为0xE800)，帧长度为10～25，数据域的内容为4个字节的主轴数据时间参数+主轴数据，循环冗余校验码为4字节；该类型数据帧的报文说明：该数据帧由处理器控制其发送0xE800，记录PDT数据帧请求发送的24位从站计数器时间，并利用8位计数器计算请求发送到发送出去的周期数组成一个主轴时间参数，高8位为周期计数器，低24位为请求发送时间，由于主站的时间计数器与从站保持同步，故主站可以明确知道主轴请求发送的时刻，主轴数据区装载的是数据请求发送的数据。不管接收结构如何，该数据帧只发送一次，并且没有周期限制。

各种数据类型的打包和解包由现场可编程门阵列完成。

所述步骤(3)中，各站点之间的周期性数据通信采用主站数据帧来进行数据传送，非周期数据通信采用普通数据帧来进行数据传送，主轴和主站之间采用主轴数据帧进行通信。

所述步骤(1-1)中，所述网络拓扑结构为双环形连接、单环形连接、正向单线形连接、反向单线形连接或双线形连接。

所述步骤(1-3)中，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址的具体为：

(1-3-1)双环形连接或单环形连接：如图7和图8所示，主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站(从站1、从站2...从站n-1、从站n)，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-2)正向单线形连接：如图9所示，主站的其中一端可以通过标准的以太网连接到局域网，另一端连接从站；主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站(从站1、从站2...从站n-1、从站n)，且每经过一个从站后则其控制字加1，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-3)反向单线形连接：如图10所示，主站的其中一端可以通过标准的以太网连接到局域网，另一端连接从站；主站的中央处理器控制只在其反向端口上发送反向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站(从站1、从站2...从站n-1、从站n)，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-4)双线形连接：如图11所示，主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站(从站1、从站2...从站i)，且每经过一个从站后则其控制字加1；传输到最后一个从站时则只把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到编址帧控制字识别出连接在主站正向端口上的从站个数，然后处理器控制主站只在反向端口上发送反向编址帧其控制字的低8位数据为正向端口上从站个数的；该编址帧依次传送至各个从站(从站i+n...从站i+1)，传输到最后一个从站时只把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字低8位数据作为本站的逻辑地址。

所述步骤(1-4)中，各种网络拓扑结构通过时钟同步控制模块进行延迟测量的具体步骤为：

(1-4-1)双环形连接或单环形连接的延时测试：主站的中央处理器在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间SMST；这时主站所发送的延时测试帧的控制字为0XB900；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间SMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间SNST；直到主站的反向端口接收到最后一个从站传递过来的延时测试帧时，主站立刻向从站发送测试延时反馈帧，该测试延时反馈帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间SNBT，直到主站收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧；这时最后一个从站所发送的延时反馈帧的控制字为0XBA00；主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时，主站记录在此时刻的主站计数器时间SMOT；主站再向从站发送测试延时结束帧，这时主站所发送的测试延时结束帧的控制字为0XBC00；所述测试延时结束帧上带有主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间SMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间SMOT；所述各个从站相对主站的正向端口延时和反向端口延时分别满足：

正向端口延时＝((SMOT-SMST)-(SNST-SNBT))/2，其中SMOT为主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，SMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

反向端口延时＝(SNST-SNBT)/2，其中SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-2)正向单线形连接的延时测试：主站在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间PMST，这时所述延时测试帧的控制字为0XB900；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间PMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间PNST；所述延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，这时最后一个从站发出的所述测试延时反馈帧的控制字为0XBB00，测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站；测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间PNBT；直到主站收到所述测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间PMOT；主站再向各从站发送测试延时结束帧，这时主站所发送的测试延时结束帧的控制字为0XBC00；所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间PMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间PMOT；所述各个从站相对主站的正向端口延时满足：

正向端口延时＝((PMOT-PMST)-(PNST-PNBT))/2，其中PMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，PMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，PNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，PNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-3)反向单线形连接的延时测试：主站在反向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间OMST；这时主站所发送的延时测试帧的控制字为0XB900；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间OMST，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间ONST；延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，这时最后一个从站发出发送的测试延时反馈帧的控制字为0XBB00；测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站，测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间ONBT；直到主站收到该测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间OMOT；主站再向各从站发送测试延时结束帧，这时主站所发送的测试延时结束帧的控制字为0XBC00；所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间OMOT，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间PMOT；所述各个从站相对主站的反向端口延时满足：

反向端口延时＝((OMOT-OMST)-(ONST-ONBT))/2，其中OMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，OMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，ONST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，ONBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-4)双线形连接的延时测试：双线形连接中的正向单线形连接的延时测试和反向单线形连接的延时测试分别进行计算，其中正向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-2)进行计算，反向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-3)进行计算。

所述步骤(2)中，故障处理具体为：根据步骤(1)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(1)进行重新初始化，若故障不可恢复，则进行步骤(4)；根据步骤(2)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(3)继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤(4)。

所述步骤(1)中，拓扑检测由各站点的现场可编程门阵列进行检测，其检测结果储存到相应站点的寄存器中供其处理器读取操作；地址编址由主站的现场可编程门阵列实现。

所述步骤(1)的初始化设置中，通过读取寄存器中的数据就可以知道工业以太网的网络端口是否正常连接，由此任何一个站点的处理器都可以知道本站点的正反两个端口时候连接正常，那么主站通过读取该检测结果便可以分析出连接的网络拓扑结构，所述步骤(1-1)中，主站分别从正向端口和方向端口发送测试帧，正向端口的测试数据＝Z1＝0xAAAA，方向端口的测试数据＝Z2＝0x5555。

主站的两个端口分别对接收信号信号进行检测，按表1所示进行网络拓扑结构类型的判别。

表1

所述步骤(1-3)中，根据所述步骤(1-1)确定的网络拓扑结构类型对连接到主站的各个从站进行地址编址(分配逻辑地址和物理地址)，各站点的编址按以下网络拓扑结构类型来说明：

双环形连接或单环形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧0xAC01，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，例如0xAC02、0xAC03.....；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出有多少个从站连接在总线上，主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

正向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧0xAC01，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，例如0xAC02、0xAC03.....；当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站，例如0xAD08...；主站在正向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字低8位数据作为本站的逻辑地址；

反向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其反向端口上发送反向编址帧0xA801，该编址帧依次传送至各个从站，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，例如0xA902、0xA903.....；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字低8位数据作为本站的逻辑地址；

双线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧0xAC01，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，例如0xAC02、0xAC03.....；传输到最后一个从站时则只把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站，例如0xAD07...；主站在正向端口接收到编址帧识别出连接在主站正向端口上的从站个数，然后处理器控制主站只在反向端口上发送反向编址帧0xA80n，传输到最后一个从站时只把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站，例如0xA908、0xA909.....；例如0xA90a...；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字低8位数据作为本站的逻辑地址。

所述步骤(1)中，在现场总线系统初始化成功完成之后，则各站点间进入正常的通信，如图12所示，其通信时序的相关参数说明如下：

通信周期时间：保留2次重传时间最小值为100uS；

主站同步帧＝(2+14)×8clk＝112clk＝1.28uS；

主站同步帧与主站数据帧的间隔时间＝64clk＝0.64uS；

主站数据帧时间＝(2+10+6×n)×8clk(16从站，8.64uS；8个从站，4.8uS)，n为从站数；10为主站数据帧的数据长度(最短为4)；

主站数据帧与普通数据帧的间隔时间＝64clk＝0.64uS；

普通数据帧时间＝(2+10+2+n)×8clk(64字节，6.24uS)，n为普通数据帧的数据长度；

普通数据帧应答时间＝(2+14)×8clk＝1.28uS；

主轴数据帧与普通数据帧的间隔时间＝64clk＝0.64uS；

主轴数据帧的时间＝(2+10+2+n)×8clk(4字节，2.24uS)，n为PDT帧的数据长度；

从站延时时间＝n×32clk，(16个从站，5.12uS)，n为从站个数。

每个周期的非传输时间间隔5uS；

按主站数据帧数据一次重传，普通数据帧数据一次重传，一个周期时间，16个从站(47.88uS)，8个从站(37.64uS)；图中空闲时间的设置是为了主站同步帧开始传输时，通信环路处于空闲状态，该时间必须大于5uS。当时间处于通信周期的结束区域，且时间小于5uS时，所有站点丢弃正在传输的数据，等待主站同步帧指令的到来。图中的主站数据帧完成传输时间小于最大开始传输时间。

如图13所示，实现上述方法的基于工业以太网的高速现场总线系统，即基于工业以太网的GSK-Link高速现场总线系统，包括设置在每个站点中的依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口，每个站点的以太网外围接口均包括依次连接的以太网物理层、网络变压器和网络端口，如图14所示，每个站点的现场可编程门阵列均包括处理器接口管理模块、管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块(标准以太网MAC)、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块，所述处理器接口管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与管理模块连接，标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与以太网外围接口的以太网物理层连接，数据接收模块和数据发送模块都分别与双口RAM控制模块连接，处理器接口管理模块通过处理器接口与中央处理器连接；各站点之间通过其以太网外围接口的网络端口进行通信连接。

其中处理器接口管理模块主要管理与处理器与FPGA之间的数据接口，如地址译码选择，读写控制，数据流控制等；时钟同步控制模块的主要功能是进行主站与从站之间的时间同步，因为这些用于数控的主从站之间要求有严格的时钟同步，时钟同步控制模块可以提供延迟测量和时钟同步的功能，对周期传输的参考时钟进行控制以达到各个从站的同步协调；标准以太网MAC提供全标准的以太网MAC支持；MII串行寄存器管理模块是通过MII串口对以太网的以太网物理层内部寄存器访问的管理模块，通过该模块可以对工作的以太网的模式以及相关的设置进行设定，并检测网络的连接状态等；双口RAM控制模块则是控制接收和发送数据的缓存，乒乓操作等，协调数据之间的读写，解决数据访问的冲突，以达到快速可靠的数据流控制；数据接收模块主要是对接收的数据进行解包和校验等；数据发送模块(23)主要是对要发送的数据进行打包和添加校验码等；管理模块则是对以上的几个模块：处理器接口管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网MAC、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块的协调的控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)现场总线系统上电后，每个站点依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口开始工作；通过各站点中的中央处理器对其进行初始化设置，包括对现场总线系统进行拓扑检测、选择网络的连接方式、地址编址、延迟测量和参数传送操作；若初始化设置成功，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)的故障处理；

(2)根据现场总线系统中各站点间所传送的数据信号，判别故障类型，进行故障处理；

(3)数据通信：现场总线系统中，本站的中央处理器把数据发送到本站的现场可编程门阵列，现场可编程门阵列中的处理器接口管理模块接收该数据，并将其经现场可编程门阵列中的管理模块发送至数据发送模块，数据发送模块把数据打包成一定的数据帧，数据帧依次经由以太网外围接口的以太网物理层、网络变压器和网络端口，再由网络端口把该数据帧发送出去至目标站点；该数据帧到达目标站点，依次经由目标站点以太网外围接口的网络端口、网络变压器、以太网物理层，并以一定的数据包形式送往目标站点的现场可编程门阵列中的数据接收模块，所述目标站点的现场可编程门阵列的数据接收模块把接收到的数据帧解包，若接收到的数据的目标地址为该目标站点的地址，则把接收的数据发送至现场可编程门阵列中的双口RAM控制模块进行缓冲存储、循环冗余校验码校验和把反馈数据上传，若循环冗余校验码校验正确则缓冲数据依次通过管理模块、处理器接口管理模块、处理器接口发送至中央处理器，实现中央处理器对该数据的访问，若循环冗余校验码校验错误则把上传的循环冗余校验码校验数据取反和置接收错误标志；其中，主站对循环冗余校验码进行校验错误时，则对错误数据重传；而本站的中央处理器读取到接收错误标志时则放弃对数据缓冲区的访问；若目标站点接收到的数据的目标地址为非本站的地址，并且同时本站没有进行数据发送则直接转发下一站，若本站正在进行数据发送，则把接收数据存放在数据缓冲区，待本站数据发送完成再发送数据缓冲区的数据；

在各站点的通信过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理；在各站点的数据传送完成后，本周期还有剩余时间则进入空闲状态，等待下一个数据的发送接收请求，在等待过程中，若出现故障，则返回步骤(2)进行故障处理，否则进行步骤(4)；

(4)各站点之间发出请求终止通信信号，结束通信。

2.根据权利要求1所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，主站与从站之间进行实时周期性数据通信和非实时的非周期数据通信，主站将相关的数据信号发送至从站，进而控制高速现场总线的工业设备；从站与从站之间进行非实时的非周期数据通信。

3.根据权利要求1所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(1)中，初始化设置具体包括：

(1-1)拓扑检测：主站通过现场可编程门阵列中的MII串行寄存器管理模块读取以太网物理层的其内部信息，根据寄存器来判断网络端口是否正常连接，若是两个网络端口都正常连接则两端都向从站发送拓扑测试帧，若只有一个网络端口连接正常则只在正常连接的网络端口向从站发送拓扑测试帧，如果两个网络端口都没有连接正常，则发送报警信号，进行步骤(2)；从站接收主站发送的拓扑测试帧信号，并向主站发送反馈信息，主站根据从站的反馈信息确认网络拓扑结构，若拓扑检测失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，即完成拓扑检测，则进行下一步骤；

(1-2)选择网络的连接方式：主站根据需要，选择网络的连接方式，若选择为标准以太网的连接方式，则通过标准以太网媒介存取控制层模块进行标准的以太网通信；若选择为工业以太网的连接方式，则进行下一步骤；

(1-3)地址编址：对连接到主站的各个从站进行地址编址，编址帧数据由主站发起，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址，若编址失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则完成编址并进行下一步骤；

(1-4)延迟测量：根据网络拓扑结构，对各从站进行延迟测量，根据各从站本身的传输延时来更新时钟计数器，以保证从站与主站时钟计数器同步；若延迟测量失败，则进行步骤(2)，进行故障处理；否则，则延迟测量成功并进行下一步骤；

(1-5)参数传送：各站点之间采用普通数据帧进行数据传送，以对各站点进行必要的参数设置；参数传送完成后进行下一步骤；

(1-6)初始化设置完成，进行步骤(3)，各个站点之间进行数据通信。

4.根据权利要求3所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，各站点之间通信的数据帧的内容包括依次相接的目的地址、源地址、控制字、帧长度、数据域和循环冗余校验码，数据帧的种类包括：

拓扑测试帧，用于在所述步骤(1-1)的初始化设置时的网络检查和拓扑结构判别；

主站同步帧，用于所述步骤(1-4)中同步主站和各个从站以及同步各从站之间的传输延时；

编址帧，用于所述步骤(1-3)中主站为从站分配特定的地址，以使各站点间的非周期数据按照所分配的地址进行互相通信；

延时测试帧，用于测试主站到各个从站的传输延时时间，利用计算延时时间和主站同步帧在每个周期中使从站同步于主站的时间计数器，以防止各个站点之间的时钟漂移；

主站数据帧，用于在每个通信周期中，各从站从由主站以广播形式发送的数据提取属于自己的数据，且将相关信息反馈给主站；

普通数据帧，用于在任意站点之间互传非周期数据，包括主站对从站的读写、主站对从站的设置以及从站与从站之间高速通信；

主轴数据帧，用于主轴站点向主站站点传输主轴数据。

5.根据权利要求4所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，各站点之间的周期性数据通信采用主站数据帧来进行数据传送，非周期数据通信采用普通数据帧来进行数据传送，主轴和主站之间采用主轴数据帧进行通信。

6.根据权利要求3所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(1-1)中，所述网络拓扑结构为双环形连接、单环形连接、正向单线形连接、反向单线形连接或双线形连接。

7.根据权利要求6所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(1-3)中，按步骤(1-1)所确定的网络拓扑结构进行编址的具体为：

(1-3-1)双环形连接或单环形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到该编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-2)正向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到该编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-3)反向单线形连接：主站的中央处理器控制只在其反向端口上发送反向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，当该编址帧传输到最后一个从站时，则把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；主站在反向端口接收到编址帧控制字的低8位数据里面识别出连接在总线上的从站个数，而从站则把各自加得的编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址；

(1-3-4)双线形连接：主站的中央处理器控制只在其正向端口上发送正向编址帧，该编址帧依次传送至各个从站，且每经过一个从站后则其控制字加1；传输到最后一个从站时则只把控制字的12～8位改为D后依次往回发送至各个从站；主站在正向端口接收到编址帧控制字的低8位识别出连接在主站的正向端口上的从站个数，然后处理器控制主站只在反向端口上发送反向编址帧，其控制字的低8位数据为正向端口上从站个数；传输到最后一个从站时只把控制字的12～8位改为9，控制字的7～0位加1后依次往回发送至各个从站；主站在反向端口接收到编址帧控制字的的低8位数据里面识别出在总线上的从站个数，而从站则把各自加得编址帧控制字的低8位数据作为本站的逻辑地址。

8.根据权利要求6所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(1-4)中，各种网络拓扑结构通过时钟同步控制模块进行延迟测量，具体步骤为：

(1-4-1)双环形连接或单环形连接的延时测试：主站的中央处理器在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间；直到主站的反向端口接收到最后一个从站传递过来的延时测试帧时，主站立刻向从站发送测试延时反馈帧，该测试延时反馈帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间，直到主站收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧；主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时，主站记录在此时刻的主站计数器时间；主站再向从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，所述各个从站相对主站的正向端口延时和反向端口延时分别满足：

正向端口延时＝((SMOT-SMST)-(SNST-SNBT))/2，其中SMOT为主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，SMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

反向端口延时＝(SNST-SNBT)/2，其中SNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，SNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-2)正向单线形连接的延时测试：主站在正向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间；所述延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站，测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间；直到主站收到所述测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间；主站再向各从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，所述各个从站相对主站的正向端口延时满足：

正向端口延时＝((PMOT-PMST)-(PNST-PNBT))/2，其中PMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，PMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，PNST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，PNBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-3)反向单线形连接的延时测试：主站在反向端口上发送延时测试帧，所述延时测试帧上带有由主站计数器记录的该帧发送时的主站计数器时间；所述延时测试帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时从站接收延时测试帧中的主站计数器时间，并记录接收到该延时测试帧时本从站的从站计数器时间；延时测试帧传送至直到最后一个从站后，最后一个从站发出测试延时反馈帧，测试延时反馈帧由最后一个从站开始依次经由各个从站往回发送至主站，测试延时反馈帧在经过每个从站时，该从站记录接收到该测试延时反馈帧时的从站计数器时间；直到主站收到该测试延时反馈帧后，主站记录收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间；主站再向各从站发送测试延时结束帧，所述测试延时结束帧上带有主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，该测试延时结束帧依次传送至各个从站，且在经过每个从站时，从站接收测试延时结束帧上的主站接收到最后一个从站传递过来的测试延时反馈帧时的主站计数器时间，所述各个从站相对主站的反向端口延时满足：

反向端口延时＝((OMOT-OMST)-(ONST-ONBT))/2，其中OMOT为主站接收到从站将测试延时反馈帧传递回来时的主站计数器时间，OMST为主站发送延时测试帧时的主站计数器时间，ONST为本从站接收到延时测试帧时该从站的从站计数器时间，ONBT为本从站接收到测试延时反馈帧时该从站的从站计数器时间；

(1-4-4)双线形连接的延时测试：双线形连接中的正向单线形连接的延时测试和反向单线形连接的延时测试分别进行计算，其中正向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-2)进行计算，反向单线形连接的延时测试按照所述步骤(1-4-3)进行计算。

9.根据权利要求1所述的基于工业以太网的高速现场总线实现方法，其特征在于：所述步骤(2)中，故障处理具体为：根据步骤(1)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(1)进行重新初始化，若故障不可恢复，则进行步骤(4)；根据步骤(2)中所产生的数据，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤(3)继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤(4)；

所述步骤(1)中，拓扑检测由各站点的现场可编程门阵列中进行检测，其检测结果储存到相应站点的寄存器中供其处理器读取操作；地址编址由主站的现场可编程门阵列实现。

10.实现根据权利要求1～9任一项所述方法的基于工业以太网的高速现场总线通信系统，其特征在于：包括设置在每个站点中的依次连接的中央处理器、现场可编程门阵列和以太网外围接口，每个站点的以太网外围接口均包括依次连接的以太网物理层、网络变压器和网络端口，每个站点的现场可编程门阵列均包括处理器接口管理模块、管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块，所述处理器接口管理模块、时钟同步控制模块、标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与管理模块连接，标准以太网媒介存取控制层模块、MII串行寄存器管理模块、双口RAM控制模块、数据接收模块和数据发送模块都分别与以太网外围接口的以太网物理层连接，数据接收模块和数据发送模块都分别与双口RAM控制模块连接，处理器接口管理模块通过处理器接口与中央处理器连接；各站点之间通过其以太网外围接口的网络端口进行通信连接。

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