CN105391666B - 基于fsk调制解调的多业务总线传输系统及传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，包括多个设备节点，每个所述设备节点均包括一总线传输器，以及通过一用户接口与所述总线传输器连接的用户信息接入单元，每个所述总线传输器均包括一用于控制与总线相连接的各介质实现信息访问的控制组件，以及与所述控制组件通信连接的FSK调制解调单元；其中，每个所述总线传输器均通过外部总线与各个设备节点通信连接，以构成多业务总线传输的各通信链路。本发明提供一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统及数据传输方法，其提出了一种基于FSK调制解调方式的现场总线传输技术，具有能在双绞线实现总线传输的功能，同时具有传输距离远、设备功耗低、实时性好、带宽高等优点。
Description
技术领域
本发明属于有线通信系统的现场总线传输装置技术领域，具体涉及在双绞线传输介质环境中，灵活构建基于IP数据、语音、控制等业务的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统及传输方法。
背景技术
总线传输是一种共用传输介质的现场信息传输，为用户提供一种共享式信息传输平台，实现多点接入的信息交付。
随着信息化技术的发展，特别是总线传输技术领域，要求实现长距离、低功耗、抗干扰、实时性强的现场总线传输技术。而当代在总线传输技术领域主要代表有MIL-STD-1553标准和Lonworks技术的总线传输技术，它们都是基于Manchester编码技术的现场总线传输技术，可为用户提供数据信息的应答式共享传输平台；但是MIL-STD-1553标准只能在同轴线上实现总线传输功能；而Lonworks技术虽然可以在双绞线上实现总线传输功能，但是其存在传输距离短、设备功耗高、实时性差、带宽低等缺点，故它们都不适应于在双绞线上应用，也不能满足在双绞线上总线传输的实际需求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统系统，其提出了一种基于FSK调制解调方式的现场总线传输技术，相对于传统的编码技术的现场总线传输技术，其具有能在双绞线实现总线传输的功能，同时具有传输距离远、设备功耗低、实时性好、带宽高等优点，故能适应在双绞线上总线传输的实际需求，具有良好的适应性。
本发明还有一个目的是通过应用基于FSK调制解调的多业务总线传输系统进行数据传输的方法，提供一种采用载波检测与令牌总线机理相配合的传输技术，利用双绞线作为传输介质，能够实现200mw低功耗、最长20km超长传输距离、最多64个节点的数据、话音、控制等信号的实时传输，本发明尤其适用于有线通信传输技术领域。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，包括：
多个设备节点，每个所述设备节点均包括一总线传输器，以及通过一用户接口与所述总线传输器连接的用户信息接入单元，每个所述总线传输器均包括一用于控制与总线相连接的各介质实现信息访问的控制组件，以及与所述控制组件通信连接的FSK调制解调单元，
其中，每个所述总线传输器均通过外部总线与各个设备节点通信连接，以构成多业务总线传输的各通信链路。
优选的是，其中，所述FSK调制解调单元包括：
一与所述控制组件通信连接的基带处理模块；
一以与所述外部总线进行匹配的接口模块；
一设置在所述基带处理模块及接口模块之间的调制模块、解调模块及第一载波检测模块。
优选的是，其中，所述接口模块包括一匹配接口以及与所述匹配接口相连接的单工器；
所述调制模块包括一与所述基带处理模块通信连接的调制器，所述调制器通过一发送信号的驱动器进而与单工器连接；
所述解调模块包括一与所述单工器连接以接收信号的AGC放大器，所述AGC放大器通过一均衡器进而与解调器连接，所述解调器通信连接至基带处理模块。
优选的是，其中，所述控制组件包括一集成有大规模逻辑器件的处理器模块，所述处理器模块包括集成在其上的成帧器及实时控制器。
优选的是，其中，所述用户信息接入单元包括一以对用户信息进行接入的数据接入组件和数据合并处理模块，且所述用户信息接入单元通过一公共信息组装模块进而与控制组件连接，所述数据接入组件包括语音接入模块、IP数据接入模块及控制信号接入模块。
优选的是，其中，所述总线传输器对连接在多业务总线传输线路下的各个设备节点采用1～N的方式进行地址编号，而地址编号0则设置为广播地址，其中，N的最大取值为64。
本发明的目的还可以进一步由应用基于FSK调制解调的多业务总线传输系统进行数据传输的方法来实现，包括以下步骤：
步骤一，当多业务总线传输线路处于正常工作状态时，所述总线传输器与其相连接的多个设备节点中选举其中一个节点做为主节点，则其它节点为从节点；
步骤二，所述主节点通过总线传输器周期性地向各从节点广播令牌帧，如果在一定的时间段内总线上没有广播令牌帧，则说明主节点出现故障，返回步骤一，重新选举主节点；
步骤三，各所述从节点基于接收到的令牌帧，计算各从节点向总线发送信息的发送时间窗；
步骤四，各所述从节点在其计算得到的发送时间窗内，对总线是否处于空闲状态进行判断，并根据判断结果确定是否向总线传输器发送信息帧，如果为是则发送，否则返回步骤三；
步骤五，所述总线传输器将接收到的信息帧进行FSK调制、放大后发向线路口；
步骤六，所述总线传输器将从线路口接收的信号经AGC、均衡器、FSK解调后，解析收到的信息帧中的目的地址编号，判断该信息帧是否发给自己的，如果是则接收，否则丢弃该信息帧。
优选的是，其中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，总线上没有同步令牌帧时，各节点按照CSMA的方式向总线传输器发送主节点选举帧，所述载波检测模块对当前总线上有无数据传输进行侦听，如总线忙，则等待一随机时间后再检测总线状态，如果空闲，则立即发送。
优选的是，其中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，总线上各节点如果收到地址编号比自己小的选举帧时，本节点退出选举，直至具有最小地址编号的节点成为主节点。
优选的是，其中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，如果总线上临时加入一个节点，此节点先侦听总线上有无主节点发出的令牌帧，如果有，则此节点工作于从节点模式，如果无则参加主节点的选举。
优选的是，其中，在所述步骤二、三中，一个周期内，主节点向从节点循环地分配令牌帧时，相邻节点的令牌帧所对应的发送时间窗之间具有一预设时延。
本发明至少包括以下有益效果：其一，由于其总线传输器中设置的FSK调制解调器，使得其总线传输时可基于FSK调制解调模式进行，因此能够避免MIL-STD-1553标准只能在同轴线上实现总线传输和Lonworks技术只能在双绞线上实现总线传输的缺点，同时具有传输距离远、设备功耗低、实时性好、带宽高等优点，故能适应在双绞线上总线传输的实际需求，具有良好的适应性。
其二，本发明的总线传输系统进行数据传输的方法，其采用载波检测与令牌总线机理的传输技术，利用双绞线传输介质，能够实现200mw低功耗，最长20km超长传输距离，最多64个节点的数据、话音、控制等信号的实时传输，本发明尤其适用于有线通信传输技术领域。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统的应用联网图；
图2是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中FSK调制/解调原理框图；
图3是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中总线传输器的组成框图；
图4是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中控制组件的时隙分配图；
图5是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中控制组件的数据流程框图；
图6是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中载波检测模块的数据访问流程图；
图7是本发明基于FSK调制解调的多业务总线传输系统中的访问协议处理器帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1-3示出了根据本发明的一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统的实现形式，其中包括：
多个设备节点1，每个所述设备节点均包括一总线传输器2，以及通过一用户接口3与所述总线传输器连接的用户信息接入单元233，每个所述总线传输器均包括一用于控制与总线相连接的各介质实现信息访问的控制组件210，以及与所述控制组件通信连接的FSK调制解调单元220，所述FSK调制解调单元用于完成信息的调制解调功能，以及实现总线信息的物理接入功能；所述控制组件用于完成总线信息的介质访问，以实现基于载波检测技术和产生同步时标的信息访问协议功能的总线介质访问控制器；
其中，每个所述总线传输器均通过外部总线4与各个设备节点通信连接，以构成多业务总线传输的各通信链路。采用这种方案的总线传输器的具体实现原理如下：用户信息通过用户接口接入用户信息接入单元，在总线介质访问控制器的控制下实现与总线介质访问控制器之间数据的交换，用户信息在总线介质访问控制器里完成访问协议处理器帧结构的组装和解析操作，并控制FSK调制解调器经过线缆接口进行数据的收发，从而完成用户信息的传输。本方案由于采用了FSK调制解调方式进行总线数据传输，能适应在双绞线上总线传输的实际需求，具有良好适应性的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，所述FSK调制解调单元包括：
一与所述控制组件通信连接的基带处理模块221；
一以与所述外部总线进行匹配的接口模块222；
一设置在所述基带处理模块及接口模块之间的调制模块223、解调模块224及第一载波检测模块225。所述FSK调制解调单元用于完成信息的调制解调功能，实现总线信息的物理接入功能，与总线介质访问控制器相连接。所述第一载波检测模块为一载波检测电路，其用于对当前线路的各设备节点的访问状态进行监测，采用这种方案具有为基于FSK调制解调下提供在双绞线上进行总线数据传输提供可能，并通过载波检测传输技术以保证其数据传输的稳定性和可靠性，具有实应强，可靠性，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，所述接口模块包括一匹配接口226以及与所述匹配接口相连接的单工器227；
所述调制模块包括一与所述基带处理模块通信连接的调制器228，所述调制器通过一发送信号的驱动器229进而与单工器连接；
所述解调模块包括一与所述单工器连接以接收信号的AGC放大器230，所述AGC放大器通过一均衡器231进而与解调器232连接，所述解调器通信连接至基带处理模块。采用这种方案以实现在FSK调制解调下的数据收发，具有可靠性好、稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，所述控制组件包括一集成有大规模逻辑器件的处理器211模块，所述处理器模块包括集成在其上的成帧器212及实时控制器213；总线介质访问控制器由集成大规模逻辑处理器件实现，并在其内部集成专用的访问协议成帧器和访问协议实时控制器如图5、图6所示；访问协议成帧器在访问协议实时控制器的控制下完成图7所示的帧结构的组装和解析；总线介质访问控制器完成总线信息的介质访问控制管理，实现基于载波检测和令牌总线方式的信息访问协议功能，与FSK调制解调器、用户信息接入单元相连接以完成用户之间信息的传输。采用这种方案具有数据传输稳定，可靠性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，所述用户信息接入单元包括一以对用户信息进行接入的数据接入组件234和数据合并处理模块235，且所述用户信息接入单元通过一公共信息组装模块236进而与控制组件连接，所述数据接入组件包括语音接入模块237、IP数据接入模块238及控制信号接入模块239。用户信息接入单元完成用户信息的接入、合并、处理的功能，通过一个公共信息组装模块实现用户信息的分类接入和处理，与总线介质访问控制器相连接，实现数据传输。采用这种方案具有有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，每个所述设备节点上均设置有第二载波检测模块(未示出)，所述总线传输器对连接在多业务总线传输线路下的各个设备节点采用1～N的方式进行地址编号，而地址编号0则设置为广播地址，其中，N的最大取值为64。采用这种方案在各设备节点上均设备第二载波检测模块，以对其它节点的发送信息情况进行监听，进而实现在总线传输技术下，对最多64个设备节点进行数据、话音、控制等信号的实时传输，且利用双绞线这一传输介质，能够实现200mw低功耗，最长20km超长传输距离，具有传输距离长，功耗低的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
上述方案还可以由应用基于FSK调制解调的多业务总线传输系统进行数据传输的方法来实现，包括以下步骤：
步骤一，当多业务总线传输线路处于正常工作状态时，所述总线传输器与其相连接的多个设备节点中选举其中一个节点做为主节点，则其它节点为从节点；
步骤二，所述主节点通过总线传输器周期性地向各从节点广播令牌帧，如果在一定的时间段内总线上没有广播令牌帧，则说明主节点出现故障，返回步骤一，重新选举主节点；
步骤三，各所述从节点基于接收到的令牌帧，计算各从节点向总线发送信息的发送时间窗；
步骤四，各所述从节点在其计算得到的发送时间窗内，对总线是否处于空闲状态进行判断，并根据判断结果确定是否向总线传输器发送信息帧，如果为是则发送，否则返回步骤三；
步骤五，所述总线传输器将接收到的信息帧进行FSK调制、放大后发向线路口；
步骤六，所述总线传输器将从线路口接收的信号经AGC、均衡器、FSK解调后，解析收到的信息帧中的目的地址编号，判断该信息帧是否发给自己的，如果是则接收，否则丢弃该信息帧。
图3所示为本发明的应用联网图，一条总线下挂1～N个设备，每个设备具有唯一的地址编号1～N，地址0为广播地址。总线正常运行时，首先选举一个设备为主节点，通常地址编号小的终端为主节点，其他节点为从节点，主节点周期性地向总线广播同步帧，每个节点在同步帧的节拍下获取自己的发送时间窗。如果一个站点有数据要发送，按如下规则：(1)根据同步帧计算出本节点的发送时间窗；(2)在本节点的发送时间窗内监听总线，如果总线是空闲的，则立即发送；(3)如果总线忙，则等待下一次发送时间窗，再重复步骤(2)。在主节点的选举过程中，总线上还没有统一同步参考时，各节点按CSMA方式，自由争用总线发送数据。而总线的时隙分配如图4所示，在一个周期内，循环地为每个终端分配发送时间窗，相邻节点的发送窗间隔一定的时间，由此避免多个节点同时发数据；优先级采用轮流方式，如图2所示，在T1周期，优先级顺序为终端1、2…N,在T2周期，优先级顺序为终端2、3…N、1,以此类推。采用这种方案实现了总线传输技术中采用载波检测与令牌总线机理相结合的模式，实现其数据传输的有序性、快捷性、可靠性、稳定性的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，总线上没有同步令牌帧时，各节点按照CSMA的方式通过总线向总线传输器发送主节点选举帧，所述载波检测模块对当前总线上有无数据传输进行侦听，如总线忙，则等待一随机时间后再检测总线状态，如果空闲，则立即发送，总线上各节点如果收到地址编号比自己小的选举帧时，本节点退出选举，直至具有最小地址编号的节点成为主节点。采用这种方案使得其总线的应用率得到显著增强，具有实用性强、可实施效果好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，总线上各节点如果收到地址编号比自己小的选举帧时，本节点退出选举，直至具有最小地址编号的节点成为主节点。采用这种方案中任意节点都可以在规定的周期内进行主节点的争强，主节点不在固定，使得其数据传输中不会因主节点出现了故障，进而影响整个线路的数据传输，具有实用性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
在另一种实例中，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，如果总线上临时加入一个节点，此节点先侦听总线上有无主节点发出的令牌帧，如果有，则此节点工作于从节点模式，如果无则参加主节点的选举。在所述步骤二、三中，一个周期内，主节点向从节点循环地分配令牌帧时，相邻节点的令牌帧所对应的发送时间窗之间具有一预设时延。采用这种方案中的相邻节点的发送窗间隔一定的时间，由此避免多个节点同时发数据，对数据总线进行争强的现象发生，影响其总线传输效果，具有传输实时，稳定性好，可靠性强的有利之处；同时其节点的加入更加方便，运用更加简单，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行替换。
基于载波检测技术的访问协议实时控制器如图6所示：由发送控制和接收控制两部分组成，其中发送链路管理器用来完成发送和接收动作选择控制。信息发送从帧发送开始，同时进行帧信息处理和帧校验计算，帧处理结束后发送给发送链路管理器。发送链路管理器接收载波监控电路的反馈信息，当获取到本节点的发送时间窗且线路空闲时开始发送，否则等待下一个发送时间窗。同时启动接收模块进行地址过滤，地址不符合则帧接收结束，否则启动帧接收并同时进行帧校验，帧接收结束后则进行判断，校验正确则帧接收结束否则丢弃该信息包。当没有帧发送时，发送链路管理器一直启动接收模块。访问协议处理器帧结构如图7所示：由一个字节的帧头、一个字节的目的地址、一个字节的源地址、一个字节的长度/类型、1～64个字节的信息净负荷和一个字节的帧校验值组成。其中帧头主要用来实现帧同步和时钟恢复；目的地址和源地址字节标明此帧的接收地址和发送地址；长度/类型字节主要标明信息净负荷的长度和类型，其中长度为1～64个字节，类型为数据或话音；信息净负荷为实际要传输的信息的内容，长度由长度/类型字节决定；帧校验字节对整个帧进行校验，完成纠错功能。
本发明提供的基于FSK调制技术的多业务现场总线传输器的具体实现原理如下：用户信息通过用户接口接入用户信息接入单元，在总线介质访问控制器的控制下实现与总线介质访问控制器之间数据的交换，用户信息在总线介质访问控制器里完成访问协议处理器帧结构的组装和解析操作，并控制FSK调制解调器经过线缆接口进行数据的收发，从而完成用户信息的传输。
参照图1，根据组成框图说明和各个模块间的关系划分、功能说明实施；在各个子模块的实施上参照图2、图5、图6、图7的示意和说明书中内容的叙述。实施该专利时，具体的电路可以根据需求灵活选择不同的芯片或者分立器件，在介质访问控制器上可以通过软件或者硬件的方式来实施。
综上所述，本实用发明采用FSK调制解调手段在双绞线传输介质上实现多节点的语音、数据和控制信号的长距离、低功耗和高实时性总线传输。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，包括：
多个设备节点，每个所述设备节点均包括一总线传输器，以及通过一用户接口与所述总线传输器连接的用户信息接入单元，每个所述总线传输器均包括一用于控制与总线相连接的各介质实现信息访问的控制组件，以及与所述控制组件通信连接的FSK调制解调单元；
其中，每个所述总线传输器均通过外部总线与各个设备节点通信连接，以构成多业务总线传输的各通信链路；
应用多业务总线传输系统进行数据传输的方法，包括以下步骤：
步骤一，当多业务总线传输线路处于正常工作状态时，所述总线传输器与其相连接的多个设备节点中选举其中一个节点做为主节点，则其它节点为从节点；
步骤二，所述主节点通过总线传输器周期性地向各从节点广播令牌帧，如果在一定的时间段内总线上没有广播令牌帧，则说明主节点出现故障，返回步骤一，重新选举主节点；
步骤三，各所述从节点基于接收到的令牌帧，计算各从节点向总线发送信息的发送时间窗；
步骤四，各所述从节点在其计算得到的发送时间窗内，对总线是否处于空闲状态进行判断，并根据判断结果确定是否向总线传输器发送信息帧，如果为是则发送，否则返回步骤三；
步骤五，所述总线传输器将接收到的信息帧进行FSK调制、放大后发向线路口；
步骤六，所述总线传输器将从线路口接收的信号经AGC、均衡器、FSK解调后，解析收到的信息帧中的目的地址编号，判断该信息帧是否发给自己的，如果是则接收，否则丢弃该信息帧。
2.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，所述FSK调制解调单元包括：
一与所述控制组件通信连接的基带处理模块；
一以与所述外部总线进行匹配的接口模块；
一设置在所述基带处理模块及接口模块之间的调制模块、解调模块及第一载波检测模块。
3.如权利要求2所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，所述接口模块包括一匹配接口以及与所述匹配接口相连接的单工器；
所述调制模块包括一与所述基带处理模块通信连接的调制器，所述调制器通过一发送信号的驱动器进而与单工器连接；
所述解调模块包括一与所述单工器连接以接收信号的AGC放大器，所述AGC放大器通过一均衡器进而与解调器连接，所述解调器通信连接至基带处理模块。
4.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，所述控制组件包括一集成有大规模逻辑器件的处理器模块，所述处理器模块包括集成在其上的成帧器及实时控制器。
5.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，所述总线传输器还包括一用户信息接入单元，所述用户信息接入单元包括一以对用户信息进行接入的数据接入组件和数据合并处理模块，且所述用户信息接入单元通过一公共信息组装模块进而与控制组件连接，所述数据接入组件包括语音接入模块、IP数据接入模块及控制信号接入模块。
6.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，所述总线传输器对连接在多业务总线传输线路下的各个设备节点采用1～N的方式进行地址编号，而地址编号0则设置为广播地址，其中，N的最大取值为64。
7.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，在步骤一中，所述总线传输器在选择主节点时，总线上还没有统一同步参考，各节点按CSMA方式，自由争用总线发送数据，各节点如果收到地址编号比自己小的选举帧时，本节点退出选举，直至具有最小地址编号的节点成为主节点。
8.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，在步骤一中，所述总线传输器确定主节点时，如果总线上临时加入一个节点，此节点先侦听总线上有无主节点发出的令牌帧，如果有，则此节点工作于从节点模式，如果无则参加主节点的选举。
9.如权利要求1所述的基于FSK调制解调的多业务总线传输系统，其特征在于，在所述步骤二、三中，一个周期内，主节点向从节点循环地分配令牌帧时，相邻节点对应的发送时间窗之间具有一预设时延。
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