CN102843390B - 面向数据角色的以太网确定性数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，满足先进制程控制(APC)应用对于IC装备内部数据的收集需求。在以太网数据链路层和网络层之间增设通信调度层；增设实时通道；根据数据收集计划内各数据追踪请求的数据采集周期数值的最大公约数确定宏周期数值；用四段式划分原则对所述宏周期在时间轴上划分为四个时间段，基于不同类型报文的自身特点确定其发送方式；总线的仲裁采用基于时间触发和事件触发相结合的方式；系统中所有从设备都通过时钟同步算法与主设备保持时间上的一致。针对IC装备内部不同类型数据的具体特点，为具有不同发送时限要求的数据提供了相应的通信调度方法，很好地满足了APC应用对于装备数据访问的要求。

Description

面向数据角色的以太网确定性数据传输方法

技术领域

本发明涉及自动控制、计算机网络和实时通信技术领域，具体涉及一种面向数据角色的以太网确定性数据传输方法。

背景技术

世界领先的芯片制造商发现，对半导体生产设备(简称IC装备)内部的多种数据实现访问能够显著提升产品质量并降低产品成本。从技术实现的角度来看，芯片制造商借助先进制程控制(简称APC)技术对来自IC装备内部数据进行运算与分析，进而实现提高设备资源利用率、降低设备故障率等预期控制目标。

典型的芯片制造工厂内通常包括有几十到上百台IC装备，每个IC装备均由数目众多的各种不同类型的组件构成，因而装备内部包含有各种不同类型的数据。如何将工厂内各IC装备内部数据按照控制应用要求采集至企业层，是APC应用能否完成预期控制功能的前提。

对于典型的APC应用来说，通常需要来自IC装备内部的两类数据：一是位于IC装备设备层的各种传感器、执行器的测量与控制数据；二是与上述测量与控制数据相关的执行上下文信息。执行上下文信息具体包括：原料上下文信息、工艺上下文信息以及制造上下文信息等。APC应用基于执行上下文信息为采集到的数据确定适当的计算/分析方法。

从数据收集的角度看，APC应用对于上述两类数据传输的实时性要求是不同的。对于某些设备层测量与控制数据来说，APC应用要求随时跟踪数据值，即要求在数据产生后尽可能快的得到数据，因此对数据传输的实时性提出了较高要求；而对于执行上下文信息来说，尽管这类数据的信息量十分巨大，但是其变化频率相对较慢，仅在其发生变化时传输就能满足APC应用需求。

当前，国际半导体设备与材料协会(SEMI)发布了Interface A标准，用于实现IC装备和企业层APC应用间的通信。Interface A标准有利于芯片制造商对来自工厂设备的详细工艺参数、测量结果和其它生产数据进行访问。Interface A标准具体包括以下四个标准协议规范：

E120：Common Equipment Model，设备通用对象模型。

E125：Equipment Self Description，定义了E120标准定义的设备自我描述的特定执行，包括单位、类型、状态模型、设备结构、事件、异常的定义和描述。

E132：Equipment Client Authentication Authorization，用于客户端的鉴别与授权。

E134：Data Collection Management，用来指明客户端获取数据的方法，包括数据采集计划和数据采集报告。

Interface A采用SOAP/XML协议，基于标准以太网进行数据传输。从数据传输的吞吐率角度来看，以太网的高带宽很好地满足了APC应用对于IC装备内部数据传输的要求；但从数据传输的实时性角度来看，以太网使用带有冲突检测的载波侦听和多路访问(CSMA/CD)调度方法，该方法是一种非确定性的通信调度方式，网络每个节点要通过竞争来取得数据的发送权，即节点监听信道，只有发现信道空闲时才能发送信息。信息开始传送后，还需要检查是否发生碰撞，即多个节点同时检测到信道空闲而同时发送数据而产生的冲突。如果发生碰撞，则需等待，等待的时间取决于来自于“二进制指数退避算法”而得出的随机延迟。随机延迟的产生只是暂时回避了当前数据传送的冲突，下次发送数据的时候仍有可能信道忙或者再次产生冲突，因此可以说以太网的调度通信机制是非确定性的。因而从上述分析可知，对于有传输时限要求的设备层的测量与控制数据来说，基于以太网并不能满足APC应用对于数据收集的实时性要求。

本申请基于专利号为ZL2006100465998的专利进行了创造性改进，提出本专利申请。

发明内容

为了满足APC应用对于IC装备内部数据传输的实时性要求，针对IC装备内部各种不同类型的数据的具体特点，本发明提出一种面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，满足APC应用对于IC装备内部数据的收集需求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，在以太网数据链路层和网络层之间增设通信调度层，用于统一调度数据传输；相对于使用TCP\IP协议的标准通道，增设实时通道，用于自定义封装格式的设备层参数数据以及时钟同步数据的传送；根据数据收集计划内各数据追踪请求的数据采集周期数值的最大公约数确定宏周期数值；用四段式划分原则对所述宏周期在时间轴上划分为四个时间段，基于不同类型报文的自身特点确定其发送方式；总线的仲裁采用基于时间触发和事件触发相结合的方式，即采用基于时隙的时间触发调度方式发送时间段中时钟同步数据报文和有时限要求的设备层参数数据报文，采用具有优先级控制功能的事件触发方式发送时间段中控制层上下文数据报文以及新数据收集计划数据报文，采用具有优先级控制功能的标准以太网的网络仲裁方式发送报警数据报文；系统中所有从设备都通过时钟同步算法与主设备保持时间上的一致；

所述宏周期为基本调度单位，在时间上是连续的；

所述基于时隙的时间触发调度方式是指在主设备端，以所述宏周期数值为周期，周期性地发送所述自定义封装格式的时钟同步数据报文；在从设备端，在相对于所述宏周期起始时间设一偏移量作为发送时隙，当到达规定的时隙后，从设备自主发送相应的设备层数据报文；

所述具有优先级控制功能的事件触发方式是指在主设备端，如果存在新数据收集计划传输请求则发送新数据收集计划信息内容至各从设备；在从设备端，网络上所有设备，在宏周期的设备层数据发送时段内将会接收到其它设备的自定义封装格式的上下文状态变化声明数据报文，并根据该事件声明和地址信息动态生成上下文信息通信调度表；

所述主设备为企业层内安装有Interface A接口软件客户端的计算机。

所述通信调度层将设备层参数数据报文以及时钟同步数据报文通过所述实时通道直接上传至应用层，与实时应用不相关的上下文数据报文和报警数据报文以及新数据收集计划数据报文通过TCP\IP协议的标准通道上传；要通过网络发送的报文到达通信调度层后先进行统一的缓存。

所述宏周期划分为时钟同步数据发送时间段、设备层参数数据发送时间段、控制层上下文数据发送时间段和报警数据发送时间段四个时间段，所述时钟同步数据发送时间段由主设备以广播的形式在网段内发送自定义封装格式的时钟同步报文，使得网络上所有从设备的时钟与主设备的时钟保持一致；所述设备层参数数据发送时间段由从设备发送自定义封装格式的设备层参数数据报文给企业层先进制程控制应用；所述控制层上下文数据发送时间段由从设备发送与设备层参数数据相关的控制层上下文数据报文以及由主设备发送新数据收集计划数据至各从设备；所述报警数据发送时间段由从设备发送设备报警数据报文。

所述基于时隙的时间触发调度方式是指在主设备端在最后的设备层数据报文发送完毕后，如果设备上下文状态发生改变，则发送上下文状态变化事件声明数据报文；设备层数据采用参数数据以太网封装格式。

所述偏移量由用户在组态软件中根据实际的控制需要进行配置，然后下载到对应的设备中；在每个宏周期中每个从设备分配至少一个偏移量，偏移量在时间上不重叠，其时间间隔大于最大网路延迟时间。

所述具有优先级控制功能的事件触发方式在通信宏周期的设备层数据发送时段结束后，每个设备都拥有了上下文信息通信调度表；上下文数据发送时段开始后，所有需要发送上下文数据的设备根据动态生成的上下文信息通信调度表，按照设备地址从小到大的顺序首先发送当前具有最高优先级的上下文数据；具有最高优先级上下文数据并且设备地址最小的节点，首先发其所有最高优先级上下文数据，发送完毕后，如果本设备还存在其它更低优先级的上下文数据，则接着发送其中较高优先级说明的上下文状态变化事件声明数据报文，否则发送一个上下文数据结束声明；此时发送的带有优先级说明的上下文状态变化事件声明或上下文数据结束声明，可以用来通知其它设备本设备当前最高优先级的上下文数据已发送完毕；等待其它设备优先级较高的上下文数据发送完毕后，本设备再发送优先级较低的上下文数据。

所述设备层参数数据指来自IC装备设备层各种传感器、执行器等的现场数据。

所述设备层参数数据报文的自定义格式封装格式依次为：MAC头、参数数据报文头、实际数据、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为参数数据以太网封装格式。

所述参数数据报文头由四部分构成：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型和具体应用层数据长度；所述数据报文类型包括时钟同步报文、参数数据报文、上下文数据报文、结束报文、测试报文、上下文事件信息报文、报警数据报文。

所述时钟同步数据的自定义封装格式依次为：MAC头、时钟同步数据报文头、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为时钟同步数据以太网封装格式。

所述时钟同步数据报文头有四部分构成，分别为：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型，新数据收集计划标志信息；所述数据报文类型规定为时钟同步报文；所述新数据收集计划标志信息表明当前是主设备是否存在新的数据收集计划数据。

所述上下文状态变化声明报文的自定义封装格式依次为：MAC头、上下文状态变化声明报文头、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为上下文状态变化声明以太网封装格式。

所述上下文状态变化声明报文头有三部分构成，分别为：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型；所述数据报文类型规定为上下文状态变化声明报文。

所述上下文数据划分为三个优先级，按照优先级级别从高到低依次为：优先级1重要，优先级2普通和优先级3可用，如果设备内有多个优先级的上下文数据需要发送，上下文状态变化声明报文中只需包含当前最高优先级数据的说明，其它较低优先级数据的发送声明在上下文数据发送时段内处理。

所述具有优先级控制功能的标准以太网的网络仲裁方式指在同一设备内，按照所述异常请求内的severity属性数值为每个报警数据设定优先级，优先级高的消息将首先发送；对于具有相同优先级的数据，按照产生时间顺序发送：较早产生的数据首先发送。不同设备间的数据则基于标准以太网的CSMA/CD方式发送。

本发明具有以下优点：

1.针对IC装备内部不同类型数据的具体特点，为具有不同发送时限要求的数据提供了相应的通信调度方法，很好地满足了APC应用对于装备数据访问的要求。

2.基于时隙的时间触发通信方法的实现基于以太网现有成熟技术之上，不需要特殊的硬件设计，能够充分发挥以太网所原有优势。

3.本发明所提出的技术方案基于SEMI Interface A理念设计，符合芯片制造未来发展趋势。

附图说明

图1为本发明拓扑结构；

图2为本发明面向数据角色的以太网通信结构模型；

图3为本发明宏周期划分示意图；

图4为本发明设备层参数数据报文的自定义格式封装格式；

图5为本发明时钟同步数据报文的自定义格式封装格式；

图6为本发明从设备端基于时隙的时间触发调度方式流程图；

图7为本发明主设备时钟同步数据报文发送流程图；

图8为本发明上下文状态变化事件声明数据报文的自定义格式封装格式；

图9为本发明从设备控制层上下文数据报文发送流程图；

图10为本发明主设备新DCP数据报文发送流程图；

图11为本发明从设备报警数据报文发送流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，从芯片生产商的眼光看，半导体集成电路的生产制造可以划分为两个层次：企业层和装备层。其中，装备层主要由各种IC装备构成，从每个装备的角度来看，又可进一步划分为控制层和设备层。

(1)企业层

半导体工厂的企业级应用系统，一般为制造执行系统(MES)，主要用于制订生产计划、生产管理和生产控制。先进制程控制(APC)也位于该层。

(2)控制层

控制层作用的本体为IC装备，在一个工厂中可能包含几十到上百台IC装备。从功能上分，控制层包括：

CTC：Cluster Tool Controller，整个设备的控制中心，负责任务调度，配方管理、过程监控以及同MES系统的通信等。

PMC：Process Module Controller，主要对独立的加工单元进行实时控制，单独的加工可能为涂胶、显影、光刻、离子注入等，一般为独立可操作的加工单元。

TMC：Transport Module Controller，对机械手等传输单元进行控制，用于同一甚至不同设备加工单元间的晶圆传输。

(3)设备层

设备层包括泵、阀组、电机、传感器、机械手、质量流量计等输入/输出单元，作为半导体设备的一部分参与系统的数字量和模拟量的采集和控制，一般为温度、压力、开关状态、电机转数等控制量。

从控制网络的角度来看，该系统包括唯一的主设备和若干从设备，网络的拓扑结构为总线型。

所述主设备位于企业层，指安装有interface A客户端的计算机；所述从设备既可能位于企业层，也可能位于装备层，将位于企业层的从设备记为从设备(C)，位于装备层的从设备记为从设备(S)。

从数据收集的角度看，本发明将企业层内运行APC应用的计算机视为数据消费者，将装备层内各IC装备视为数据提供者。

如图2所示，在以太网原有七层结构的数据链路层上增设通信调度层，用于统一调度数据传输；相对于使用TCP\IP协议的标准通道，增设实时通道，用于自定义封装格式的主设备时钟同步数据报文、自定义封装格式的从设备(S)设备层参数数据报文；根据数据收集计划(Data Collection Plan，DCP)内各数据追踪请求(TraceRequest)的数据采集周期“intervalInSeconds”数值的最大公约数确定宏周期数值，用四段式划分原则对所述宏周期在时间轴上划分为四个时间段；总线的仲裁采用基于时间触发(TT)和事件触发(ET)相结合的方式，即采用基于时隙的时间触发调度方式发送时间段中自定义封装格式的主设备时钟同步数据报文、自定义封装格式的从设备(S)设备层参数数据报文，采用具有优先级控制功能的事件触发方式发送时间段中主设备DCP数据报文、从设备(S)控制层上下文数据报文，采用带有优先级控制功能的标准以太网网络仲裁方式发送报警数据报文；系统中所有从设备基于主设备发送的时钟同步数据借助时钟同步算法与主设备保持时间上的一致。

所述主设备和从设备及其确定方法：将主设备规定为企业层内安装有Interface A接口软件客户端的计算机，其余的设备都规定为从设备；

所述Interface A接口软件指符合SEMI Interface A标准，实现了其所规定功能的软件；

所述Interface A接口软件客户端指一种图形用户界面程序，为用户提供了“定义、修改、管理以及下载数据收集计划”功能；

所述时钟同步算法由主设备以广播的形式周期性地在网段内发送时钟同步报文，使得网络上所有从设备时钟与主设备的主时钟保持一致，其周期值等于所述宏周期数值；

所述从设备(S)设备层参数数据指来自IC装备设备层内的传感器、执行器等数字量与模拟量数据，企业层APC应用通常对这些数据的传输有时限要求；所述从设备(S)控制层上下文数据来自IC装备控制层，主要包括原料上下文数据、制造上下文数据以及工艺上下文数据等；所述从设备(S)控制层上下文状态变化事件声明数据指当装备的上下文状态发生变化时所产生的数据，用以告之其他设备本设备上下文状态发生了变化；

所述DCP描述了数据消费者对于IC装备内部数据的请求情况。DCP主要包括一个或多个数据追踪请求(TraceRequest)、一个或多个事件请求(EventRequest)以及一个或多个异常(ExceptionRequest)请求。所述数据追踪请求包括intervalInSeconds属性，该属性值给出了数据收集间隔(以秒为单位)。所述异常请求包括了severity属性，该属性值给出了异常的紧急程度，值越小说明紧急程度越高。

所述通信调度层位于数据链路层和网络层之间，其作用相当于对原有数据链路层功能的扩展；通信调度层将从设备(S)中有时限要求的设备层参数数据报文以及主设备中的时钟同步数据报文通过所述实时通道直接上传至应用层，所述实时通道为有时限要求的设备层参数数据报文以及时钟同步数据报文在通信调度层和应用层之间开辟了旁路，减少了有时限要求的设备层参数数据报文以及时钟同步报文穿越协议栈时的延迟和抖动；从设备(S)中与实时应用不相关的上下文数据报文和报警数据报文以及主设备中的DCP数据报文通过TCP\IP协议的标准通道上传；要通过网络发送的报文到达通信调度层后先进行统一的缓存，由不同的时间段确定具体的发送时刻和发送方式。

在一个控制系统中，控制功能的实现必须借助于输入输出设备和具有运算功能的设备协调完成，在这些设备上具有中央处理器(CPU)和若干的其它辅助装置，在本发明中，规定所有设备上的CPU都具有足够的处理能力并可以执行要求的运算功能；

参见图3，所述宏周期为基本调度单位(Essential Schedule Unit，简写为ESU)，在时间上是连续的，在数值上等于DCP中所有数据追踪请求(TraceRequest)中数据收集间隔“intervalInSeconds”数值的最大公约数，具体确定方法为：如果所述数据收集计划中存在的追踪请求为n个(n＞1)且其数据收集间隔“intervalInSeconds”参数值分别为Ti(i＝I，2，……，n)，则宏周期T为T1，T2，T3，……，Tn在数值上的最大公约数为T′；如果所述数据采集计划中仅有1个追踪请求，且数据收集间隔参数值为T1，则宏周期T为T1；

所述宏周期的划分：将每个宏周期分为四个时间段(亦称：四段式)，即时钟同步数据发送时间段、设备层参数数据发送时间段、控制层上下文数据发送时间段和报警数据发送时间段；所述时钟同步数据发送时间段由主设备以广播的形式在网段内发送自定义封装格式的时钟同步报文，使得网络上所有从设备时钟与主设备时钟保持一致；所述设备层参数数据发送时间段由从设备(S)发送自定义封装格式的设备层参数数据给企业层APC应用；所述控制层上下文数据发送时间段由从设备(S)发送与设备层参数数据相关的控制层上下文数据以及由主设备发送新DCP信息至各从设备；所述报警数据发送时间段由从设备发送设备报警信息；

所述时钟同步数据发送时间段、设备层参数数据发送时间段以及控制层上下文数据发送时间段的长短根据实际要发送的报文数量及设备的处理能力进行确定，报警数据发送时间段长度为宏周期与前三段时间的差值；

如图4所示，所述设备层参数数据报文的自定义格式封装格式，通过所述实时通道在应用层和通信调度层间传输的参数数据采用如下自定义封装格式：MAC头+参数数据报文头(Parameter Type Data Packet Header，简称PTDPH)+实际数据+循环冗余校验码(Cyclical Redundancy Check，简称CRC)，并将这种自定义的封装方式称为参数数据以太网封装格式(Parameter Type DataEthernet Package，简称PTDEP)；

-参数数据报文头PTDPH有四部分构成，分别为：目的设备识别码DID，源设备识别码SID，数据报文类型SubType以及具体应用层数据长度Length；数据报文类型SubType包括时钟同步报文、参数数据报文、上下文数据报文、结束报文、测试报文、报警数据报文；

如图5所示，所述时钟同步数据报文的自定义格式封装格式，通过所述实时通道在应用层和通信调度层间传输的时钟同步数据采用如下自定义封装格式：MAC头+时钟同步数据报文头(Clock Synchronization Data Packet Header，简称CSDPH)+循环冗余校验码(Cyclical Redundancy Check，简称CRC)，并将这种自定义的封装方式称为时钟同步数据以太网封装格式(ClockSynchronization Data Ethernet Package，简称CSDEP)。

时钟同步数据报文头CSDPH有四部分构成，分别为：目的设备识别码DID，源设备识别码SID，数据报文类型SubType，新DCP标志信息CSNewDCPFlag；数据报文类型SubType规定为时钟同步报文；新DCP标志信息CSNewDCPFlag表明当前是主设备是否存在新的DCP信息；

所述基于时隙的时间触发调度方式参见图6和图7，时隙是在所述宏周期起始时间设一偏移量，作为发送时隙，当到达规定的时隙后，从设备在无需主设备授权情况下自主发送相应的参数数据报文。具体流程为：在从设备端：参见图6，从设备根据组态信息初始化相关变量，之后启动参数数据发送任务，任务中的数据采集算法用于获取来自设备层的参数数据，并调用发送服务进行发送，参数数据到达通信调度层被缓存，而后判断发送时隙是否到达，如果否则继续等待；如果是则将参数数据依照参数数据以太网封装格式PTDEP进行封装，调用硬件发送函数进行实际发送，而后判断设备层参数数据是否发送完毕，如果否则返回至“判断发送时隙是否到来”处按上述流程继续发送；如果是则判断设备上下文信息是否发生变化，如果否则直接等待下一宏周期的开始；如果是，则发送自定义格式的上下文状态变化声明报文，而后等待下一宏周期的开始；在主设备端，参见图7，首先接收interfaceA客户端的命令请求，检查NewDCPFlag标志位是否为“真”，如果为否，则直接判断宏周期起始时间是否到达；如果为是，则将CSDEP内的CSNewDCPFlag标志设定为“真”，根据新DCP内容生成新的通信调度表，而后再判断宏周期起始时间是否达到。如果宏周期起始时间没有到达，则继续等待；如果到达，则主设备发送按照CSDEP封装格式发送时钟同步数据报文至网络。而后等待下一宏周期开始。

所述偏移量是由用户在组态软件中根据实际的控制需要进行配置，然后下载到对应的设备中；在每个宏周期中每个从设备分配至少一个偏移量，偏移量在时间上不重叠，其时间间隔大于最大网路延迟时间；

所述最大网路延迟时间是指报文在网路中传播所需要的时间，由网络实际的物理设备决定，包括在网络电缆上的延迟，交换设备的延迟及其它非确定性因素带来的延迟；

如图8所示，所述自定义格式的上下文状态变化声明报文采用如下自定义封装格式：MAC头+上下文状态变化声明报文头(Context Status ChangeDeclaration Head，简称CSCDH)+循环冗余校验码(Cyclical Redundancy Check，简称CRC)，并将这种自定义的封装方式称为上下文状态变化声明报文以太网封装格式(Context Status Change Declaration Message Ethernet Package，简称CSCDMEP)；

-上下文状态变化声明报文头CSCDH有三部分构成，分别为：目的设备识别码DID，源设备识别码SID，数据报文类型SubType，；数据报文类型SubType规定为上下文状态变化声明报文；

所述具有优先级控制功能的事件触发方式参见图9，在从设备端，首先清空上下文数据通信调度表，控制层上下文数据发送时段开始后，判断是否需要发送上下文数据，如果否，则直接等待报警数据发送时段开始；如果是，调整并查询上下文数据通信调度表，等待发送上下文数据。而后判断上下文时段时间是否允许，如果否，则等待报警数据发送时段开始；如果是则发送当前最高优先级上下文数据，再判断是否存在低优先级上下文数据，如果是则发送标准以太网格式的上下文状态变化声明报文，返回到“调整并查询上下文数据通信调度表，等待发送上下文数据”处；如果否则发送上下文数据结束声明报文，并等待报警数据发送时段开始。在主设备端，如图10所示，宏周期上下文时间段开始后，判断NewDCPFlag标志，如果为真，则发送新DCP内容至网络，而后发送新的调度表信息至网络。最后等待下一个宏周期开始；如果为假，则直接等待下一个宏周期开始。

所述标准以太网格式的上下文状态变化声明报文采用标准以太网的数据封装格式，其应用层数据格式规定为“11110000”；

所述上下文数据结束声明报文采用标准以太网的数据封装格式，其应用层数据格式规定为“11111111”；

所述上下文数据划分为三个优先级，按照优先级级别从高到低依次为：优先级1重要(Important)，优先级2普通(Common)和优先级3可用(Available)。

如果设备内有多个优先级的上下文数据需要发送，上下文状态变化事件声明中只需包含当前最高优先级数据的说明。其它更低优先级数据的发送声明在上下文数据发送时段内处理。

所述上下文数据通信调度表的构建方式为：上下文数据通信调度表在通信宏周期的参数数据发送时段内动态生成，并且在上下文数据发送时段内动态地调整。

上下文数据通信调度表包含5个计数，如表1所示。

表1

条目	名称
		1	Important Counter1
2	Important Counter 2
		3	Common Counter1
4	Common Counter 2
		5	Available Counter

Important Counter 1用来统计所有小于本设备地址的设备所发送的优先级为1的上下文事件信息声明的数量。从0开始计数，每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为1的上下文事件信息声明，则增加1；每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为1的上下文信息结束声明，则减1。

Important Counter 2用来统计除本设备外其它所有设备所发送的优先级为1的上下文事件信息声明的数量。从0开始计数，每收到一个来自其它设备所发送的优先级为1的上下文事件信息声明，则增加1；每收到一个来自其它设备所发送的优先级为1的上下文信息结束声明，则减1。

Common Counter 1用来统计所有小于本设备地址的设备所发送的优先级为2的上下文事件信息声明的数量。从0开始计数，每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为2的上下文事件信息声明，则增加1；每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为2的上下文信息结束声明，则减1。

Common Counter 2用来统计除本设备外其它所有设备所发送的优先级为2的上下文事件信息声明的数量。从0开始计数，每收到一个来自其它设备所发送的优先级为2的上下文事件信息声明，则增加1；每收到一个来自其它设备所发送的优先级为2的上下文信息结束声明，则减1。

Available Counter用来统计所有小于本设备地址的设备所发送的优先级为3的上下文事件信息声明的数量。从0开始计数，每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为3的上下文事件信息声明，则增加1；每收到一个来自小于本设备地址的设备所发送的优先级为3的上下文信息结束声明，则减1。

每个设备在宏周期的上下文数据发送时段内，通过查询上下文通信调度表中的计数，来决定是否轮到本设备发送相应优先级别的上下文信息。为此，定义如下规则：

1)只有在参数数据发送时间段中发送上下文事件信息声明的设备才能在上下文数据发送时间段发送上下文信息；

2)在上下文数据发送时间段发送的上下文数据的优先级不能高于在参数数据发送时间段中发送的上下文事件信息声明中声明的优先级；

3)按照优先级的大小依次发送本设备内的上下文信息；

4)只有在Important Counter 1计数为0时，才能发送本设备优先级为1的上下文信息；

5)只有在Important Counter 2且Common Counter 1为0时，才能发送本设备优先级为2的上下文信息；

6)只有在Important Counter 2、Common Counter 2以及Available Counter为0时，才能发送本设备优先级为3的上下文信息；

7)上下文信息发送完毕后，必须发送相应优先级的上下文信息结束声明；或者较高优先级的上下文信息发送完毕后，如果本设备存在低优先级的上下文信息需要发送，则发送具有当前最高优先级说明的上下文信息声明。

如图11所示，报警数据发送时段开始后，判断是否存在报警数据，如果否，则等待下一宏周期开始；如果是，判断报警数据发送时段是否允许，如果否，则等待下一宏周期开始；如果是，则根据带有优先级控制功能的标准以太网方式发送数据，而后返回“判断是否存在报警数据”处。

所述带有优先级控制功能的标准以太网方式指在同一设备内，按照所述异常请求内的severity属性数值为每个报警数据设定优先级，优先级高的消息将首先发送；对于具有相同优先级的数据，按照产生时间顺序发送：较早产生的数据首先发送。不同设备间的数据则基于标准以太网的CSMA/CD方式发送。

Claims (14)

1.一种面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，在以太网数据链路层和网络层之间增设通信调度层，用于统一调度数据传输；相对于使用TCP\IP协议的标准通道，增设实时通道，用于自定义封装格式的设备层参数数据以及时钟同步数据的传送；根据数据收集计划内各数据追踪请求的数据采集周期数值的最大公约数确定宏周期数值；用四段式划分原则对所述宏周期在时间轴上划分为四个时间段，基于不同类型报文的自身特点确定其发送方式；总线的仲裁采用基于时间触发和事件触发相结合的方式，即采用基于时隙的时间触发调度方式发送时间段中时钟同步数据报文和有时限要求的设备层参数数据报文，采用具有优先级控制功能的事件触发方式发送时间段中控制层上下文数据报文以及新数据收集计划数据报文，采用具有优先级控制功能的标准以太网的网络仲裁方式发送报警数据报文；系统中所有从设备都通过时钟同步算法与主设备保持时间上的一致；

所述宏周期为基本调度单位，在时间上是连续的，划分为时钟同步数据发送时间段、设备层参数数据发送时间段、控制层上下文数据发送时间段和报警数据发送时间段四个时间段，所述时钟同步数据发送时间段由主设备以广播的形式在网段内发送自定义封装格式的时钟同步数据报文，使得网络上所有从设备的时钟与主设备的时钟保持一致；所述设备层参数数据发送时间段由从设备发送自定义封装格式的设备层参数数据报文给企业层先进制程控制应用；所述控制层上下文数据发送时间段由从设备发送与设备层参数数据相关的控制层上下文数据报文以及由主设备发送新数据收集计划数据报文至各从设备；所述报警数据发送时间段由从设备发送设备报警数据报文；

所述基于时隙的时间触发调度方式是指在主设备端，以所述宏周期数值为周期，周期性地发送所述自定义封装格式的时钟同步数据报文；在从设备端，在相对于所述宏周期起始时间设一偏移量作为发送时隙，当到达规定的时隙后，从设备自主发送相应的设备层参数数据报文；

所述具有优先级控制功能的事件触发方式是指在主设备端，如果存在新数据收集计划传输请求则发送新数据收集计划信息内容至各从设备；在从设备端，网络上所有设备，在宏周期的设备层参数数据发送时段内将会接收到其它设备的自定义封装格式的上下文状态变化事件声明数据报文，并根据该事件声明和地址信息动态生成上下文信息通信调度表；

所述主设备为企业层内安装有Interface A接口软件客户端的计算机。

2.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述通信调度层将设备层参数数据报文以及时钟同步数据报文通过所述实时通道直接上传至应用层，与实时应用不相关的控制层上下文数据报文和报警数据报文以及新数据收集计划数据报文通过TCP\IP协议的标准通道上传；要通过网络发送的报文到达通信调度层后先进行统一的缓存。

3.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述基于时隙的时间触发调度方式是指在主设备端在最后的设备层参数数据报文发送完毕后，如果设备上下文状态发生改变，则发送上下文状态变化事件声明数据报文；设备层参数数据采用参数数据以太网封装格式。

4.根据权利要求3所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述偏移量由用户在组态软件中根据实际的控制需要进行配置，然后下载到对应的设备中；在每个宏周期中每个从设备分配至少一个偏移量，偏移量在时间上不重叠，其时间间隔大于最大网路延迟时间。

5.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述具有优先级控制功能的事件触发方式在通信宏周期的设备层数据发送时段结束后，每个设备都拥有了上下文信息通信调度表；上下文数据发送时段开始后，所有需要发送上下文数据的设备根据动态生成的上下文信息通信调度表，按照设备地址从小到大的顺序首先发送当前具有最高优先级的上下文数据；具有最高优先级上下文数据并且设备地址最小的节点，首先发其所有最高优先级上下文数据，发送完毕后，如果本设备还存在其它更低优先级的上下文数据，则接着发送其中较高优先级说明的上下文状态变化事件声明数据报文，否则发送一个上下文数据结束声明；此时发送的带有优先级说明的上下文状态变化事件声明或上下文数据结束声明，可以用来通知其它设备本设备当前最高优先级的上下文数据已发送完毕；等待其它设备优先级较高的上下文数据发送完毕后，本设备再发送优先级较低的上下文数据。

6.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述设备层参数数据指来自IC装备设备层各种传感器、执行器的现场数据。

7.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述设备层参数数据报文的自定义封装格式依次为：MAC头、参数数据报文头、实际数据、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为参数数据以太网封装格式。

8.根据权利要求7所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述参数数据报文头由四部分构成：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型和具体应用层数据长度；所述数据报文类型包括时钟同步报文、参数数据报文、上下文数据报文、结束报文、测试报文、上下文事件信息报文、报警数据报文。

9.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述时钟同步数据报文的自定义封装格式依次为：MAC头、时钟同步数据报文头、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为时钟同步数据以太网封装格式。

10.根据权利要求9所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述时钟同步数据报文头由四部分构成，分别为：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型，新数据收集计划标志信息；所述数据报文类型规定为时钟同步报文；所述新数据收集计划标志信息表明当前主设备是否存在新的数据收集计划数据。

11.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述上下文状态变化事件声明数据报文的自定义封装格式依次为：MAC头、上下文状态变化事件声明报文头、循环冗余校验码，并将这种自定义的封装方式称为上下文状态变化事件声明以太网封装格式。

12.根据权利要求11所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述上下文状态变化事件声明报文头由三部分构成，分别为：目的设备识别码，源设备识别码，数据报文类型；所述数据报文类型规定为上下文状态变化事件声明报文。

13.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述上下文数据划分为三个优先级，按照优先级级别从高到低依次为：优先级1重要，优先级2普通和优先级3可用，如果设备内有多个优先级的上下文数据需要发送，上下文状态变化事件声明数据报文中只需包含当前最高优先级数据的说明，其它较低优先级数据的发送声明在控制层上下文数据发送时段内处理。

14.根据权利要求1所述的面向数据角色的以太网确定性数据传输方法，其特征在于，所述具有优先级控制功能的标准以太网的网络仲裁方式指在同一设备内，按照所述异常请求内的severity属性数值为每个报警数据设定优先级，优先级高的消息将首先发送；对于具有相同优先级的数据，按照产生时间顺序发送：较早产生的数据首先发送；不同设备间的数据则基于标准以太网的CSMA/CD方式发送。