CN105262658A - 一种交换设备、现场总线拓扑结构及传输数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交换设备、现场总线拓扑结构及传输数据的方法，所述交换设备包括现场可编程门阵列FPGA芯片；所述FPGA芯片包括第一低电压差分LVDS接口、第二低电压差分LVDS接口、串并转换模块、并行数据转发逻辑模块、并串转换模块。本发明的应用于现场总线拓扑结构中的交换设备、现场总线拓扑结构及现场总线拓扑结构实现传输数据的方法具有结构简单，数据传输速率高、实时性强等优点。

Description

一种交换设备、现场总线拓扑结构及传输数据的方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，具体涉及一种交换设备、现场总线拓扑结构及传输数据的方法。

背景技术

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络，即将传感器、各种操作终端和控制设备间的通讯及控制设备之间的通讯进行特化的网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统模拟信号及普通开关量信号的传输，是智能现场设备和控制系统的自动化装置之间的数字式、串行、多点通信的工业数据总线，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制设备、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数据传递问题，对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。

目前国内应用比较广泛的现场总线有RS485、CAN、arcnet、工业以太网等。若按照组网方式进行划分，RS485、CAN、arcnet属于总线型总线，工业以太网属于星型总线；若按照总线仲裁方式划分，RS485无仲裁机制，需要靠软件协议主从控制，CAN、工业以太网通过冲突检测进行总线仲裁，arcnet通过令牌实现总线仲裁；若按照传输速率划分，RS485、CAN属于低速总线，其速率最高为1M，arcnet属于中速总线，其速率可以达到10M，工业以太网属于高速总线，其速率可以到达100M、1000M。

随着现场控制设备数量、功能的增加，对现场总线的传输速率要求也逐渐提高，现存的RS485、CAN、arcnet等总线已经不能满足大批量数据传输的要求，因此很多控制设备都已经采用了工业以太网总线，但工业以太网的报文发送实时性不高，在网络繁忙的情况下，不能根据报文的处理级别处理报文，导致重要报文转发不及时。并且现有的现场总线拓扑结构中的交换设备数据传输效率低，无法实现并行转发数据。

发明内容

针对现有的现场总线拓扑结构中的交换设备数据传输效率低，无法实现并行转发数据的问题，本发明提出了一种交换设备、现场总线拓扑结构及传输数据的方法。

第一方面，本发明提出了一种应用于现场总线拓扑结构中的交换设备，所述交换设备包括现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述FPGA芯片包括第一低电压差分LVDS接口、第二低电压差分LVDS接口、串并转换模块、并行数据转发逻辑模块、并串转换模块；

所述第一LVDS接口作为交换设备的物理层接口将接收到的LVDS数据发送到串并转换模块，所述串并转换模块对所述LVDS数据进行串并转换后，传输到所述并行数据转发逻辑模块，所述并行数据转发逻辑模块识别串并转换后的LVDS数据的源地址和目的地址，并根据所述目的地址将所述串并转换后的LVDS数据发送到对应的并串转换模块，所述并串转换模块对接收到的数据进行并串转换后，通过所述第二LVDS接口将并串转换后的LVDS数据传输到与所述目的地址对应的端口，以将该数据发送到第二控制设备。

另一方面，本发明提供了一种现场总线拓扑结构，包括：第一控制设备、第二控制设备、现场总线及至少两个上述应用于现场总线拓扑结构中的交换设备；

所述交换设备设有多个控制端口和至少一个交换端口，所述至少两个交换设备之间利用现场总线通过交换端口依次连接；

所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过同一交换设备的不同控制端口连接到某一交换设备，或

所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备，以实现所述第一控制设备与所述第二控制设备的通信连接。

再一方面，本发明提供了一种基于上述的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法，所述方法包括：

接收各控制设备发送的查询报文，所述查询报文中携带有各控制设备的标识号；

获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系；

接收所述第一控制设备发送的数据报文，所述数据报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口；

根据查找到的控制端口，将所述数据报文发送到所述第二控制设备。

优选地，所述方法还包括：

接收第二控制设备发送的应答报文，所述应答报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

根据所述对应关系，查找与所述第一控制设备的标识号相对应的控制端口，并通过该控制端口将所述应答报文发送到所述第一控制设备。

优选地，当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过同一交换设备的不同控制端口连接到某一交换设备时，所述获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的控制端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的对应关系；

当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，所述获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的第一交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，并通过该第一交换设备的第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备的第二交换端口；

所述第一交换设备分别建立接收该查询报文的控制端口以及转发该查询报文的所述第一交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第一对应关系；

所述第二交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的第二交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第二对应关系。

优选地，当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，所述根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口，具体包括：

接收到所述数据报文的第一交换设备，根据第一对应关系，通过第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备；

所述第二交换设备根据第二对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口。

优选地，所述应答报文中携带有应答优先级信息，所述应答优先级信息用于指示对应的应答报文的处理优先级。

优选地，所述查询报文中携带有查询优先级信息，所述查询优先级信息用于指示对应的查询报文的处理优先级；

所述数据报文中携带有数据优先级信息，所述数据优先级信息用于指示对应的数据报文的处理优先级。

优选地，所述方法还包括：

当现场总线空闲时，所述控制设备和/或所述交换设备之间，以及不同交换设备之间，通过发送不同的心跳报文来实时监测所述现场总线是否出现故障；

若所述现场总线出现故障，则所述控制设备和所述交换设备清除各自已建立的对应关系。

优选地，所述方法还包括：

当所述控制设备与所述交换设备重新建立端口连接或通信中断时，所述控制设备重新向所述交换设备发送查询报文。

与现有的现场总线相比，本发明提供的交换设备、现场总线拓扑结构及现场总线拓扑结构实现传输数据的方法具有结构简单，数据传输速率高、实时性强等优点。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的交换设备物理实现示意图；

图2示出了本发明实施例提供的现场总线拓扑结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的基于本发明的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法流程示意图；

图4示出了本发明另一实施例提供的基于本发明的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明实施例提供的应用于现场总线拓扑结构中的交换设备的物理实现示意图。如图1所示，本实施例中，交换设备10包括现场可编程门阵列FPGA芯片110。

FPGA芯片110包括低电压差分LVDS接口114、低电压差分LVDS接口115、串并转换模块111、并行数据转发逻辑模块112、并串转换模块113；

LVDS接口114作为交换设备的物理层接口将接收到的LVDS数据发送到串并转换模块111，串并转换模块111对该LVDS数据进行串并转换后，传输到并行数据转发逻辑模块112，并行数据转发逻辑模块112识别串并转换后的LVDS数据的源地址和目的地址，并根据该目的地址将串并转换后的LVDS数据发送到对应的并串转换模块113，并串转换模块113对接收到的数据进行并串转换后，通过LVDS接口115将并串转换后的LVDS数据传输到与目的地址对应的端口，以将该数据发送到交换设备10外部，即要接收数据的控制设备。因为是点对点传输，根据LVDS信号的信号特性，LVDS最高速率可以达到600M。

本实施例的应用于现场总线拓扑结构中的交换设备具有数据传输效率高，且可实现并行转发数据的优点。

图2示出了本发明实施例提供的现场总线拓扑结构示意图；如图2所示，本实施例提供的现场总线拓扑结构，包括：控制设备12、控制设备22、控制设备32、现场总线100及至少两个上述实施例所述的应用于现场总线拓扑结构中的交换设备，即交换设备10、交换设备20。

交换设备10、交换设备20上设有多个控制端口和至少一个交换端口，如控制端口11、控制端口21、控制端口31和交换端口13、交换端口23，交换设备10、交换设备20之间利用现场总线100通过交换端口13和交换端口23依次连接。

本实施例中，控制端口11端口和交换端口13在设备上不进行区别，而是由连接的设备自动识别，控制端口11为控制设备32与交换设备10相连的端口，交换端口13为交换设备10与交换设备20之间相连的端口，用于当单个交换设备(例如交换设备10)提供的控制端口11无法满足控制设备32的数量要求时，或因各控制设备32所处位置不同而不便与同一交换设备10相连及为节省接线成本时，实现多个交换设备(例如交换设备10和交换设备20)之间级联。

如图2所示，本实施例的现场总线拓扑结构具体包括如下实现方式：

控制设备12和控制设备32利用现场总线100通过同一交换设备，即交换设备10的不同控制端口(控制端口11、控制端口31)连接到该交换设备10，或

控制设备12和控制设备22利用现场总线100通过不同交换设备，即交换设备10和交换设备20，的控制端口(控制端口11、控制端口21)连接到对应的交换设备，以实现不同控制设备之间的通信连接。

现场总线100的结构为类似以太网的星型结构，其网络协议只定义链路层，节省了协议开销。

优选地，现场总线100的数据传输采用发送通道和接收通道独立运行，如图2所示，双向箭头表示的现场总线100其实是由发送和接收两个独立的通道构成的，这样一方面提高了数据传输的速率，另一方面减少由于总线仲裁带来的硬件复杂性设计。

本实施例的现场总线拓扑结构，通过采用不同交换设备实现多个控制设备之间的通信连接，可将根据实际情况设置不同交换设备的位置，节省控制设备与交换设备的接线成本。并且，通过在现场总线协议中只定义链路层，简化了总线协议，减少了额外的协议开销。

图3示出了本发明实施例基于本发明的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法流程示意图。如图3所示，本发明提供的基于上述的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法，包括：

S1：接收各控制设备发送的查询报文，所述查询报文中携带有各控制设备的标识号；

S2：获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系；

S3：接收所述第一控制设备发送的数据报文，所述数据报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

S4：根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口；

S5：根据查找到的控制端口，将所述数据报文发送到所述第二控制设备。

图4示出了本发明另一实施例提供的基于本发明的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法流程示意图。如图4所示，上述方法还包括：

S6：接收第二控制设备发送的应答报文，所述应答报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

根据所述对应关系，查找与所述第一控制设备的标识号相对应的控制端口，并通过该控制端口将所述应答报文发送到所述第一控制设备。

当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过同一交换设备的不同控制端口连接到某一交换设备时，上述步骤S2：获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的控制端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的对应关系；

当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，上述步骤S2：获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的第一交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，并通过该第一交换设备的第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备的第二交换端口；

所述第一交换设备分别建立接收该查询报文的控制端口以及转发该查询报文的所述第一交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第一对应关系；

所述第二交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的第二交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第二对应关系。

进一步地，当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，上述步骤S4：根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口，具体包括：

接收到所述数据报文的第一交换设备，根据第一对应关系，通过第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备；

所述第二交换设备根据第二对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口。

本实施中，查询报文、数据报文和/或应答报文中均可携带有对应的优先级信息，用于指示对应的报文的处理优先级。

现有的控制设备将报文发送给交换设备后，交换设备识别出发送的控制端口，会立即将此报文发送给该控制端口。但是若发送给该控制端口的报文较多，则会出现报文排队的情况。因此可在查询报文、数据报文和应答报文中添加预设数据优先级信息，其对应的优先级用于指示对应的报文的处理优先级。当某个端口同时有多帧报文需发送时，可以根据该优先级信息，将该报文插入队列，如果接收到一个当前的优先级别最高的报文，则可以直接将该报文通过端口进行发送，提高了报文发送的实时性。

作为本实施例的优选，所述方法还包括：当现场总线空闲时，所述控制设备和/或所述交换设备之间，以及不同交换设备之间，通过发送不同的心跳报文来实时监测所述现场总线是否出现故障；

若所述现场总线出现故障，则所述控制设备和所述交换设备清除各自已建立的对应关系。

在此基础上，该方法还包括：当所述控制设备与所述交换设备重新建立端口连接或通信中断时，所述控制设备重新向所述交换设备发送查询报文。

作为本实施例的优选，现场总线通信的报文还包括查询报文，该查询报文的字段包括第一源地址、第一目标地址及第一优先级；第一源地址为第一控制设备12或第二控制设备22启动初始化完毕后获得的自身的地址，第一目标地址为一无效地址，例如0XFFFF。控制设备32将查询报文发送给交换设备10，该交换设备10识别出第一目标地址为一无效地址时，则令接收到该查询报文的控制端口11记录该第一源地址。在多个交换设备级联的情况下，当多个交换设备中的一个交换设备10识别出查询报文的第一目标地址为一无效地址时，令该交换设备10上接收到该查询报文的控制端口11和该交换设备上的交换端口13同时记录该第一源地址，并通过该交换端口13将该查询报文发送给与其级联的一个或多个交换设备对应的交换端口(例如交换设备20的交换端口23)，该交换设备20同样会记录该第一源地址，同时如果还有另外的交换端口级联的话，会将该查询报文继续转发。

作为本实施例的优选，现场总线100通信的报文包括数据报文，用于现场总线正常数据通信，该数据报文的字段包括第二源地址、第二目标地址、第二优先级及传输数据。图4示出了本发明实施例提供的现场总线拓扑结构的报文发送流程示意图；如图4所示，该第二源地址即为交换设备10的控制端口11记录的第一控制设备12的地址；第二目标地址为交换设备10的控制端口11记录的第二控制设备22的地址；第一控制设备12和第二控制设备22的地址均为固定且唯一的地址。通过第一控制设备12和第二控制设备22的查询报文，通过交换端口13和交换端口23级联的交换设备10和交换设备20已经记录过第一控制设备12和第二控制设备22分别连接到控制端口11和控制端口21，因此可以直接将此数据报文通过对应的控制端口11和和控制端口21由第一控制设备12转发给第二控制设备22。

优选地，所述现场总线通信的报文还包括应答报文，用于在第二控制设备22接受到数据报文后，将该第二控制设备22的地址发送给所述第一控制设备12；该应答报文的字段包括第三源地址、第三目标地址及第三优先级。

作为本实施例的优选，在设备空闲时，每个控制设备32和与其相连的交换设备10之间会互相发出不同的心跳报文给对应的控制端口11，以实时监测现场总线100是否出现故障；若现场总线100出现故障，则控制端口11根据不同的心跳报文判断该出现故障的现场总线的位置，即可以通过心跳报文识别出出现故障的是哪个设备。

进一步地，控制设备32在控制端口11重新连接或通信中断时，重新发送查询报文。

本实施例的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法具有数据传输速率高，实时性强的优点。

本实施例未公开的技术内容均属于本领域普通技术常识，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于现场总线拓扑结构中的交换设备，其特征在于，所述交换设备包括现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述FPGA芯片包括第一低电压差分LVDS接口、第二低电压差分LVDS接口、串并转换模块、并行数据转发逻辑模块、并串转换模块；

所述第一LVDS接口作为交换设备的物理层接口将接收到的LVDS数据发送到串并转换模块，所述串并转换模块对所述LVDS数据进行串并转换后，传输到所述并行数据转发逻辑模块，所述并行数据转发逻辑模块识别串并转换后的LVDS数据的源地址和目的地址，并根据所述目的地址将所述串并转换后的LVDS数据发送到对应的并串转换模块，所述并串转换模块对接收到的数据进行并串转换后，通过所述第二LVDS接口将并串转换后的LVDS数据传输到与所述目的地址对应的端口，以将该数据发送到第二控制设备。

2.一种现场总线拓扑结构，其特征在于，包括：第一控制设备、第二控制设备、现场总线及至少两个如权利要求1所述的交换设备；

每一交换设备设有多个控制端口和至少一个交换端口，所述至少两个交换设备之间利用现场总线通过交换端口依次连接；

所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过同一交换设备的不同控制端口连接到某一交换设备，或

所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备，以实现所述第一控制设备与所述第二控制设备的通信连接。

3.一种基于如权利要求2所述的现场总线拓扑结构实现传输数据的方法，其特征在于，所述方法包括：

接收各控制设备发送的查询报文，所述查询报文中携带有各控制设备的标识号；

获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系；

接收所述第一控制设备发送的数据报文，所述数据报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口；

根据查找到的控制端口，将所述数据报文发送到所述第二控制设备。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收第二控制设备发送的应答报文，所述应答报文中携带有第一控制设备的标识号和第二控制设备的标识号；

根据所述对应关系，查找与所述第一控制设备的标识号相对应的控制端口，并通过该控制端口将所述应答报文发送到所述第一控制设备。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过同一交换设备的不同控制端口连接到某一交换设备时，所述获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的控制端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的对应关系；

当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，所述获取发送查询报文的控制设备的标识号，并建立接收每一查询报文的控制端口与对应控制设备的标识号的对应关系，具体包括：

接收到查询报文的第一交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，并通过该第一交换设备的第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备的第二交换端口；

所述第一交换设备分别建立接收该查询报文的控制端口以及转发该查询报文的所述第一交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第一对应关系；

所述第二交换设备对该查询报文进行解析，识别出发送该查询报文的控制设备的标识号，建立接收该查询报文的第二交换端口与发送该查询报文的控制设备的标识号的第二对应关系。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述第一控制设备和所述第二控制设备利用现场总线通过不同交换设备的控制端口连接到对应的交换设备时，所述根据所述对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口，具体包括：

接收到所述数据报文的第一交换设备，根据第一对应关系，通过第一交换端口将该查询报文转发给与之相连的第二交换设备；

所述第二交换设备根据第二对应关系，查找与所述第二控制设备的标识号相对应的控制端口。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述应答报文中携带有应答优先级信息，所述应答优先级信息用于指示对应的应答报文的处理优先级。

8.如权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，所述查询报文中携带有查询优先级信息，所述查询优先级信息用于指示对应的查询报文的处理优先级；

所述数据报文中携带有数据优先级信息，所述数据优先级信息用于指示对应的数据报文的处理优先级。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当现场总线空闲时，所述控制设备和/或所述交换设备之间，以及不同交换设备之间，通过发送不同的心跳报文来实时监测所述现场总线是否出现故障；

若所述现场总线出现故障，则所述控制设备和所述交换设备清除各自已建立的对应关系。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述控制设备与所述交换设备重新建立端口连接或通信中断时，所述控制设备重新向所述交换设备发送查询报文。