CN102905384A

CN102905384A - 工业物联网的无线网络确定性调度实现方法及确定性调度芯片

Info

Publication number: CN102905384A
Application number: CN2012104179740A
Authority: CN
Inventors: 王恒; 王平; 季善洋
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102905384B

Abstract

本发明请求保护工业物联网芯片的无线网络确定性通信调度的一种硬件实现方法，属于工业无线通信技术领域；本发明是基于工业无线ISA100.11a、WIA-PA和WirelessHART网络具有共性的确定性通信调度技术，在芯片内部建立硬件调度表机制完整支持三个标准的数据链路层调度功能。硬件调度表将三个标准数据链路层调度技术融合成为相同的硬件底层解决方案，从确定性调度技术中抽象出硬件调度表模块和硬件调度配置模块，该方法提高了工业无线网络数据通信的实时性与可靠性，满足工业无线领域的需要，同时为工业无线标准的融合奠定了基础。

Description

工业物联网的无线网络确定性调度实现方法及确定性调度芯片

技术领域

本发明属于工业无线传感器网络技术领域，具体涉及工业无线网络中确定性通信调度技术的一种芯片级硬件实现方法。

背景技术

工业物联网已经成为工业控制领域发展的一个热门方向，也是工业自动化产品未来的新增长点。目前，工业无线标准制定成为工业无线技术竞争的焦点。在工业界，如果使用有线传感器网络，成本较高且实现起来困难，工业无线传感器网络的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。工业无线传感器网络以其低功耗，低成本的特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势。工业环境下建立具有高实时性，高可靠性的无线传感器网络已成为一个迫切的需求。

ISA100.11a标准是开放的工业无线国际标准，主要应用于实时性监测、报警、预测控制、开环控制和闭环控制等工业领域，并确保能够提供安全可靠的操作。WIA-PA标准是基于IEEE802.15.4-2006标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统，它是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发；WirelessHART标准是一个面向工业生产和应用的、开放的、可互操作的工业无线网络规范，能够很好地兼容有线HART。ISA100.11a、WIA-PA和WirelessHART网络数据链路层的关键技术有确定性调度技术、时间同步技术和跳信道技术等。正如申请号为200810070000.3，名称为工业无线网络的一种确定性调度通信的中国专利文中所指出的确定性调度技术是在相互竞争的用户之间分配通信资源，从而避免冲突，提高吞吐量和带宽利用率，解决现场设备间数据通信的确定性、可靠性和实时性等问题。由于确定性调度技术在工业无线网络中均是由软件代码实现，时间开销比较大、可移植性差、可靠性低。本发明针对以上缺点设计硬件调度表和硬件调度配置寄存器，提出确定性调度的硬件实现方法。目的在于提高工业无线网络的实时性和可靠性，增强工业无线网络的支持性。

发明内容

本发明根据工业无线网络的特点，提出了一种满足工业物联网芯片的无线网络确定性调度实现方法。

本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种工业物联网芯片的无线网络确定性调度实现方法。该方法包括：调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块判断新的时隙是否到来，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。

所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为：当连续时隙数目为1，在该连续时隙段内完成指定的任务；如果不为1，则在该连续时隙段内完成指定的任务。根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括：如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。由时隙工作模式来决定调度表工作在ISA100.11a、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100.11a协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时隙号为0的时隙所对应的绝对时隙号。

本发明还设计一种工业物联网确定性调度芯片，包括：确定性调度表模块、调度配置模块、缓存模块、调度算法模块、射频模块，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块配置调度表模块中调度表指针、时隙工作模式、硬件调度表的循环方式、硬件调度表的循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否休眠，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。

本发明的硬件实现方法考虑到工业无线网络具有高实时性、低功耗的特点，硬件监测新时隙到来，根据用户配置的超帧结构控制整个网络的通信调度，处理速度快，降低了时间开销；用户可配置设备长期处于休眠状态，发送数据的周期比较短。因此本发明的硬件实现确定性通信调度，既满足了工业无线网络的高实时性又降低了网络的功耗。

附图说明

图1 硬件调度模块结构图；

图2本发明确定性调度表项流程图；

图3硬件实现调度配置表流程；

图4硬件实现WIA-PA确定性调度实例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细说明：如图1所示本发明硬件调度模块结构图。本发明物联网确定性调度芯片包括调度表模块、调度配置模块和缓存模块等，调度算法模块、射频模块，通过调度配置模块对调度表模块进行配置和管理，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块控制射频模块对数据进行发送或者接收。以下具体描述硬件调度表模块、调度配置模块和缓存模块。

1.调度表模块

调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度表中的域包括起始时隙号、时隙长度、信道号、动作类型、动作模板发送/接收FIFO号。

根据ISA100.11a、WIA-PA和WirelessHART三个标准的数据链路层抽象确定性调度表，实现确定性调度的参数设置调度表模块，如表1所示，该表主要包括七项：序号、起始时隙号、时隙长度、信道号、动作类型、动作模板和发送/接收FIFO号。

表1

根据确定性通信调度建立调度表的相关表项，主要包括：调度表项号（ScheduleSN）、起始时隙号（SlotStart）、时隙数目（SlotNum）、信道号（Channel）、动作类型（Action）、动作模板（ActionTemplate）和发送/接收缓存号（TX/RXFIFO）。

调度表中的起始时隙号（SlotStart）表示本次动作开始的绝对时隙号以TAI时间来计算确定或相对时隙号；时隙数目（SlotNum）是指本次从起始时隙号开始连续的时隙个数，如果本次动作采用时分多址访问（TDMA）方式，则时隙数目为1，如果本次动作采用载波监听访问（CSMA）方式,则时隙数目根据网络容量来确定的。信道号表示本次动作所采用的信道，包括2.4GHZ中的16个信道。动作类型表示该时隙或者时隙段的动作是发送、接收、发送/接收或者休眠。

表2详细描述了调度表模块中的每个域的功能和占用位数。其中，序号表示该表中的每一行的标号；起始时隙号表示本次的起始时隙号。时隙号有绝对时隙号和相对时隙号两种表示方式，其中绝对时隙号是以国际原子时（TAI）时间来计算的；时隙长度表示从起始时隙号开始的连续时隙的个数，如果该数目为1，表示在该时隙内完成指定的任务，如果不为1，表示在上述连续时隙确定个数的多个连续的时隙内完成指定的任务；信道号表示该动作的频段，在2.4GHZ的16个信道中进行选择；动作类型是指该表项的动作是发送、接收、发送/接收或者休眠；动作模板表示本次动作所采用的时隙模板，如果本次动作采用载波监听的方式则不使用时隙模板，如果本次动作采用时分多址的方式则采用相应的时隙模板。如果时隙长度不为1，采用冲突避免载波监听多路访问（CSMA-CA）的方式工作，如果时隙长度为1，采用时分多址（TDMA）的方式工作，在单个时隙内采用对应的时隙模板（timeslot template）；发送/接收FIFO号表示该动作发送或接收所涉及的FIFO号。

表2

2.调度配置模块

调度配置模块控制硬件调度表模块的执行。调度配置模块配置调度表模块中调度表指针、时隙工作模式、硬件调度表的循环方式、硬件调度表的循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否休眠等。

表3详细描述了调度配置模块，包括：调度表指针、时隙工作模式、调度表是否需自动循环、调度表循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否自动休眠。调度表指针指向即将要处理的调度表表项号，查询调度表的执行情况；根据时隙工作模式确定调度表工作在ISA100.11a、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；调度表是否需自动循环决定该调度表执行完一次之后是否循环执行；当工作在WIA-PA协议；循环时隙的个数设置为调度表循环周期。

调度配置模块中定义确定性调度表中的起始时隙号方式，指定调度表中“起始时隙号”域所采用的表示方式，采用绝对时隙号方式或相对时隙号方式表示；当时隙起始号采用“相对时隙号“方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号。指定最开始的相对时隙号为0的时隙（即调度表需要第一次开始运转的诞生时刻）所对应的绝对时隙号。调度配置模块中定义的“空时隙是否自动休眠”指定在两个调度表项之间的空闲时隙内是否启动休眠模式，如果不启动休眠模式，则在该时隙段内处于空闲状态。

表3

3.缓存模块

缓存模块根据调度表模块所使用的发送/接收缓存FIFO配置，指示发送时取数据的TX FIFO号，或接收后放入的RX FIFO号，并设置存储安全密钥的安全缓存。表4为调度表模块中的表项序号所使用的发送/接收缓存FIFO，发送缓存TXFIFO主要有4个，分别为TXFIFO0、TXFIFO1、TXFIFO2和TXFIFO3，其中设置TXFIFO0为一般发送缓存；接收缓存RXFIFO主要有2个，分别为RXFIFO0和RXFIFO1，其中RXFIFO0为Normal RX FIFO（一般接收缓存）。还设置一个安全缓存FIFO，主要用来存储安全密钥。

表4

4.硬件实现确定性通信调度

根据用户的实际需求配置调度表模块，然后配置调度配置模块。图2、图3所示为本发明确定性调度表项流程图及调度配置流程。具体包括：

初始化，调度配置模块对确定性调度表进行配置。具体为，对寄存器设置时钟频率、超帧周期，调度表模块配置确定性调度表表项序号、起始时隙号、时隙长度、信道号、动作类型、动作模板和TXFIFO/RXFIFO号；调度配置模块配置确定性调度表指针、协议模式、调度表循环周期和空闲时隙是否休眠；调度配置模块判断新的时隙是否到来；当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号；对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道；查看该表项号中的时隙长度，判断连续时隙数目是否为1，如果为1，则在该时隙内完成指定的任务；如果不为1，则在该时隙段内完成指定的任务；调度配置模块判断该任务的类型为发送、接收、发送/接收中的哪一种。如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将该数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将该数据发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。

如果采用的是ISA100.11a协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。查看调度配置表确定调度表是否按照周期执行，如果是周期性执行，则按照调度表循环周期进行调度。

下面以用户根据WIA-PA超帧结构对WIA-PA协议网络的调度表和调度配置表进行配置为例，如表5和6所示：若协调器参与该超帧时，需在第17号时隙在15号信道发送信标帧，在第18-23号时隙内以CSMA方式在16号信道尝试发送TXFIFO1中的数据，在第24号时隙在18号信道进行簇内通信来接收数据，在第26号时隙20号信道进行簇间通信来发送数据，在第27-33号时隙22信道号进行休眠。

表5

表6

域	配置描述
		协议模式	01（WIA-PA模式）
调度表是否需要自动循环	01（循环）
		循环周期	16（每16个时隙循环一次）
空闲时隙是否需要休眠	01（休眠）

图4从超帧结构图中表明协调器在该网络中根据调度表和调度配置寄存器正常运行。

本发明相对于用软件实现确定性调度技术，硬件只需要填充调度表和调度配置表即可实现确定性调度技术，节省了时间开销，提高了实时性和可靠性。以上所述的具体实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明。本发明的保护范围基于本领域技术人员的理解结合权利要求进行限定。

Claims

1.工业物联网芯片的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层技术参数，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块判断新的时隙是否到来，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。

2.根据权利要求1所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为：当连续时隙数目为1，在该时隙内完成指定的任务；如果不为1，则在连续时隙段内完成指定的任务。

3.根据权利要求1所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括：如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。

4.根据权利要求1所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，由时隙工作模式来决定调度表工作在ISA100.11a、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100.11a协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。

5.根据权利要求1所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时隙号为0的时隙所对应的绝对时隙号。

6.一种工业物联网确定性调度芯片，其特征在于，包括：确定性调度表模块、调度配置模块、缓存模块、调度算法模块、射频模块，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层技术参数，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块配置调度表模块中调度表指针、时隙工作模式、硬件调度表的循环方式、硬件调度表的循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否休眠，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。

7.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为：当连续时隙数目为1，在该时隙内完成指定的任务；如果不为1，则在连续时隙段内完成指定的任务。

8.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括：如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。

9.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，根据时隙工作模式确定调度表工作在ISA100.11a、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100.11a协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。

10.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时隙号为0的时隙所对应的绝对时隙号。