CN107347027A - 一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统，包括：主站处理器，用于对以太网信号进行输入输出控制；主站备用处理器，通过同步总线与通信系统的主站处理器连接，并用于对主站处理器进行冗余备份以及对以太网信号进行输入输出控制；耦合通信板，通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接，并用于将以太网信号由主站处理器或主站备用处理器输入至耦合通信板；端子板，一端与耦合通信板连接并用于由耦合通信板向端子板输入信号，另一端通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器，进而形成多链路环网冗余通路。本发明能够提高所述通信系统的可靠性、稳定性和安全性。

Description

一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统。

背景技术

目前，以太网控制自动化技术(Ethernet Control Automation Technology，以下简称EtherCAT)最初是在2003年由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)基于以太网技术提出的一种实时工业以太网技术，该技术不仅具有高速和高数据有效率的特点，还具有灵活网络拓扑结构，并在协议中封装了IP/UDP，所以不需要IP协议就能实现通信。因此，EtherCAT具有以下优点：适应性广泛；符合以太网标准；无需使用从属子网，都可用作EtherCAT从站；数据传输效率高；刷新周期短；同步性能好。

同时，EtherCAT支持多种拓扑结构，例如，总线型、树形或星形结构。但是由于上述拓扑结构都是采用与耦合板或端子板单线连接，并且，利用EtherCAT技术设计主站和从站时，多采用模块化的物理设计。因此，当某一从站中的任意模块出现故障时，该模块后的所有模块的通信将断开，并且系统将停止运行，甚至会导致严重的安全事故，进而影响到整个系统的安全性、稳定性、可靠性。

发明内容

本发明提供的基于EtherCAT的链路冗余通信系统，能够通过主站处理器、主站备用处理器、从站的耦合通信板和端子板形成多链路环网冗余通路，进而提高所述通信系统的可靠性、稳定性和安全性。

本发明提供一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统，包括：

主站处理器，用于对以太网信号进行输入输出控制；

主站备用处理器，通过同步总线与通信系统的主站处理器连接，并用于对主站处理器进行冗余备份以及对以太网信号进行输入输出控制；

耦合通信板，通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接，并用于将以太网信号由主站处理器或主站备用处理器输入至耦合通信板；

端子板，一端与耦合通信板连接并用于由耦合通信板向端子板输入信号，另一端通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器，进而形成多链路环网冗余通路。

可选地，所述端子板包括：

链路模块，用于通过链路分别与通信系统的主站处理器和主站备用处理器连接，并将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器；

FPGA芯片模块，分别与从站控制器和链路模块连接，并用于实现端子板的多链路冗余通路；

从站控制器，用于将所述总线控制器传输的低电压差分信号转换为端子板内各模块之间传输的以太网信号；

总线控制器，分别与从站控制器和耦合通信板连接，并用于实现从站控制器与耦合通信板之间的信号传输。

可选地，所述FPGA芯片模块分别与从站控制器和链路模块连接，所述第FPGA芯片模块设置有通信接口，所述通信接口采用媒体独立接口模式与从站控制器连接并传输以太网信号。

可选地，所述链路模块包括：

第一通信链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站处理器连接，并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器；

第一冗余链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站备用处理器连接，并用于第一通信链路的冗余备份，当第一通信链路故障时，则由第一冗余链路将以太网信号由端子板输出至主站备用处理器。

可选地，所述第一通信链路、第一冗余链路中分别包括PHY芯片、变压器和以太网口，其中，

所述PHY芯片、变压器和以太网口依次连接。

可选地，所述端子板还包括：

FLASH存储模块，用于存储实现多链路冗余通路切换的控制逻辑，并与所述FPGA芯片模块连接。

可选地，所述耦合通信板包括：

第二通信链路，两端分别连接耦合通信板和主站处理器，并用于将以太网信号由主站处理器输入至耦合通信板；

第二冗余链路，两端分别耦合通信板和主站备用处理器，并用于实现第二通信链路的冗余备份，当第二通信链路故障时，则由第二冗余链路将以太网信号由主站备用处理器输入至耦合通信板。

本发明实施例提供的基于EtherCAT的链路冗余通信系统，解决了在EtherCAT所支持的拓扑结构中耦合板或端子板仅采用单线连接技术方案中，当某一从站中的任意模块出现故障时，该模块后的所有模块的通信断开，以至于通信系统将停止运行，导致严重的安全事故，进而导致整个通信系统的安全性低、稳定性低、可靠性低的问题。本发明实施例采用由耦合通信板、端子板分别与主站处理器和主站备用处理器多链路的连接，一方面，通过主站处理器和主站备用处理器联合处理，提高了所述通信系统的安全性、可靠性和稳定性；进而在提高了通信系统的安全性、可靠性和稳定性基础上，保证了通信系统的同步性能。

另一方面，本实施例中采用耦合通信板与端子板分别进行输入控制、输出控制进而联合实现本地高速控制功能，然后通过主站处理器、耦合通信板、总线控制器、端子板和主站备用处理器形成的多链路环网冗余通路，同时由端子板与主站处理器之间的第一通信链路、端子板与主站备用处理器之间的第一冗余链路与耦合通信板与主站处理器之间的第二通信链路，耦合通信板与主站备用处理器之间的第二冗余链路两两组合形成了四种环网通路，进而通过多链路环网冗余通路提高了所述通信系统的安全性、稳定性以及可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例基于EtherCAT的链路冗余通信系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例基于EtherCAT的链路冗余通信系统的结构示意图；

图3为本发明一实施例基于EtherCAT的链路冗余通信系统的流程图；

图4为本发明另一实施例基于EtherCAT的链路冗余通信系统的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统，如图1所示，所述系统包括：

主站处理器，用于对以太网信号进行输入输出控制；

主站备用处理器，通过同步总线与通信系统的主站处理器连接，并用于对主站处理器进行冗余备份以及对以太网信号进行输入输出控制；

耦合通信板，通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接，并用于将以太网信号由主站处理器或主站备用处理器输入至耦合通信板；

端子板，一端与耦合通信板连接并用于由耦合通信板向端子板输入信号，另一端通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器，进而形成多链路环网冗余通路。

本发明实施例所提供的基于EtherCAT的链路冗余通信系统采用了主站处理器、主站备用处理器分别与耦合通信板；端子板分别与主站处理器和主站备用处理器连接进而形成多链路环网冗余通路，解决了在EtherCAT所支持的拓扑结构中耦合板或端子板仅采用单线连接技术方案中，当某一从站中的任意模块出现故障时，该模块后的所有模块的通信断开，以至于通信系统将停止运行，导致严重的安全事故，进而导致整个通信系统的安全性低、稳定性低、可靠性低的问题。本实施例由耦合通信板、端子板分别与主站处理器和主站备用处理器多链路的连接，其中，所述主站处理器与主站备用处理器之间通过同步总线连接，进而使得主站备用处理器对主站处理器进行冗余备份，当主站处理器出现故障、或者数据处理量大时，则由主站备用处理器进行处理。一方面，本实施例所述通信系统通过主站处理器和主站备用处理器联合处理，提高了所述通信系统的安全性、可靠性和稳定性；进而在提高了通信系统的安全性、可靠性和稳定性基础上，保证了通信系统的同步性能。

另一方面，本实施例中采用耦合通信板与端子板分别进行输入控制、输出控制进而联合实现本地高速控制功能，然后通过主站处理器、耦合通信板、总线控制器、分别与耦合通信板和端子板连接的I/O模块、端子板和主站备用处理器形成的多链路环网冗余通路，同时由端子板与主站处理器之间的第一通信链路、端子板与主站备用处理器之间的第一冗余链路与耦合通信板与主站处理器之间的第二通信链路，耦合通信板与主站备用处理器之间的第二冗余链路两两组合形成了四种环网通路，进而通过多环网通路提高了所述通信系统的安全性、稳定性以及可靠性。

可选地，如图2所示，所述端子板包括：

链路模块，用于通过链路分别与通信系统的主站处理器和主站备用处理器连接，并将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器；

FPGA芯片模块，分别与从站控制器和链路模块连接，并用于实现端子板的多链路冗余通路；

从站控制器，用于将所述总线控制器传输的低电压差分信号转换为端子板内各模块之间传输的以太网信号；

总线控制器，分别与从站控制器和耦合通信板连接，并用于实现从站控制器与耦合通信板之间的信号传输。

具体的，本实施例中所述端子板包括链路模块、FPGA芯片模块、从站控制器和总线控制器，其中，所述链路模块通过媒体独立接口(Media Independent Interface，以下简称为MII)模式与FPGA芯片模块上的通信接口连接并用于将将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器；所述从站控制器通过EBUS将低电压差分信号(Low-VoltageDifferential Signaling，以下简称为LVDS)传输给总线控制器；所述从站控制器还通过内置集成电路(Inter-Integrated Circuit，以下简称为IIC)总线与用于存储所述从站控制器的配置数据的电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,以下简称为EEPROM)连接；所述总线控制器、从站控制器、FPGA芯片模块和链路模块与电源转换芯片连接进而实现端子板中各模块的供电。

同时，所述端子板与耦合通信板通过总线控制器实现两者之间的信号传输，进而实现了从站内部信号传输，并与从站中端子板和耦合通信板外部连接的多条链路联合形成多链路环网冗余通路。

可选地，所述FPGA芯片模块分别与从站控制器和链路模块连接，所述第FPGA芯片模块设置有通信接口，所述通信接口采用MII口模式与从站控制器连接并传输以太网信号。

具体的，本实施例中所述FPGA芯片模块分别与从站控制器、链路模块之间采用MII口模式连接，并用于所述端子板与从站控制器、主站处理器、以及主站备用处理器之间以太网信号的传输，以及主站处理器、主站备用处理器与从站控制器之间的通信。

可选地，所述链路模块包括：

第一通信链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站处理器连接，并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器；

第一冗余链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站备用处理器连接，并用于第一通信链路的冗余备份，当第一通信链路故障时，则由第一冗余链路将以太网信号由端子板输出至主站备用处理器。

可选地，所述第一通信链路、第一冗余链路中分别包括PHY芯片、变压器和以太网口，其中，

所述PHY芯片、变压器和以太网口依次连接。

具体的，所述PHY芯片与FPGA芯片模块采用MII口模式连接。

可选地，所述端子板还包括：

FLASH存储模块，用于存储实现多链路冗余通路切换的控制逻辑，并与所述FPGA芯片模块连接。

具体的，所述FPGA芯片模块与FLASH存储器串行连接，并用于存储实现多链路冗余通路切换的控制逻辑，所述FPGA芯片模块通过调取FLASH存储器中存储的实现多链路冗余通路切换的控制逻辑，进而根据控制逻辑，所述FPGA芯片模块控制第一通信链路与第一冗余链路之间的切换。

可选地，所述耦合通信板包括：

第二通信链路，两端分别连接耦合通信板和主站处理器，并用于将以太网信号由主站处理器输入至耦合通信板；

第二冗余链路，两端分别耦合通信板和主站备用处理器，并用于实现第二通信链路的冗余备份，当第二通信链路故障时，则由第二冗余链路将以太网信号由主站备用处理器输入至耦合通信板。

如图3所示，本发明实施例基于EtherCAT的链路冗余通信系统的工作流程如下：

S1、耦合通信板获取由通信系统的主站处理器或主站备用处理器输入的以太网信号，并将以太网信号转换为低电压差分信号；

S2、端子板获取耦合通信板的低电压差分信号，并将低电压差分信号转换为以太网信号，然后将其输出至主站处理器或主站备用处理器。

本发明实施例所述通信系统的流程主要是通过耦合通信板与主站处理器连接的第二通信链路、或者与主站备用处理器连接的第二冗余链路输入的以太网信号，并将以太网信号转换为低电压差分信号，分别与耦合通信板和端子板连接的I/O模块接收耦合通信板转换的低电压差分信号并发送给端子板；然后端子板获取耦合通信板的低电压差分信号，并将低电压差分信号转换为以太网信号，然后通过与主站处理器连接的第一通信链路、或者与主站处理器连接的第二冗余链路将其输出至主站处理器或主站备用处理器，进而实现多环网通路的控制。一方面，本实施例所述通信系统的流程通过主站处理器和主站备用处理器联合处理，提高了所述方法的安全性、可靠性和稳定性；进而在提高了方法的安全性、可靠性和稳定性基础上。

另一方面，本实施例中采用耦合通信板与端子板分别进行输入控制、输出控制进而联合实现本地高速控制功能，然后通过由端子板与主站处理器之间的第一通信链路、端子板与主站备用处理器之间的第一冗余链路与耦合通信板与主站处理器之间的第二通信链路，耦合通信板与主站备用处理器之间的第二冗余链路两两组合形成了四种环网通路控制，进而通过多环网通路控制提高了所述方法的安全性、稳定性以及可靠性。

可选地，如图4所示，所述耦合通信板获取由通信系统的主站处理器或主站备用处理器输入的以太网信号时，包括：

判断耦合通信板的第二通信链路是否正常，如果是，则由第二通信链路获取由通信系统的主站处理器输入的以太网信号；

如果否，则由第二冗余链路获取由通信系统的主站备用处理器输入的以太网信号。

可选地，所述端子板将低电压差分信号转换为以太网信号，然后将其输出至主站处理器或主站备用处理器，包括：

当所述端子板将低电压差分信号转换为以太网信号后，所述端子板中第一FPGA芯片模块判断第一通信链路是否正常，如果是，则由第一通信链路将以太网信号输出至主站处理器；如果否，则由第一冗余链路将以太网信号传输至主站备用处理器，进而实现端子板的多链路冗余通路。

具体的，本实施例中所述端子板中第一FPGA芯片模块判断第一通信链路是否正常后，还包括：

调取FLASH存储器中的实现多链路冗余通路切换的控制逻辑；

根据控制逻辑控制由第一通信链路将以太网信号输出至主站处理器、或者由第一冗余链路将以太网信号传输至主站备用处理器。

本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于EtherCAT的链路冗余通信系统，其特征在于，包括：

主站处理器，用于对以太网信号进行输入输出控制；

主站备用处理器，通过同步总线与通信系统的主站处理器连接，并用于对主站处理器进行冗余备份以及对以太网信号进行输入输出控制；

耦合通信板，通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接，并用于将以太网信号由主站处理器或主站备用处理器输入至耦合通信板；

端子板，一端与耦合通信板连接并用于由耦合通信板向端子板输入信号，另一端通过两条链路分别与主站处理器和主站备用处理器连接并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器，进而形成多链路环网冗余通路。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述端子板包括：

链路模块，用于通过两条链路分别与通信系统的主站处理器和主站备用处理器连接，并将以太网信号由端子板输出至主站处理器或主站备用处理器；

FPGA芯片模块，分别与从站控制器和链路模块连接，并用于实现端子板的多链路冗余通路；

从站控制器，用于将所述总线控制器传输的低电压差分信号转换为端子板内各模块之间传输的以太网信号；

总线控制器，分别与从站控制器和耦合通信板连接，并用于实现从站控制器与耦合通信板之间的信号传输。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述FPGA芯片模块分别与从站控制器和链路模块连接，所述第FPGA芯片模块设置有通信接口，所述通信接口采用媒体独立接口模式与从站控制器连接并传输以太网信号。

4.根据权利要求2或3所述的通信系统，其特征在于，所述链路模块包括：

第一通信链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站处理器连接，并用于将以太网信号由端子板输出至主站处理器；

第一冗余链路，两端分别与FPGA芯片模块和主站备用处理器连接，并用于第一通信链路的冗余备份，当第一通信链路故障时，则由第一冗余链路将以太网信号由端子板输出至主站备用处理器。

5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述第一通信链路、第一冗余链路中分别包括PHY芯片、变压器和以太网口，其中，

所述PHY芯片、变压器和以太网口依次连接。

6.根据权利要求2-5任一所述的通信系统，其特征在于，所述端子板还包括：

FLASH存储模块，用于存储实现多链路冗余通路切换的控制逻辑，并与所述FPGA芯片模块连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的通信系统，其特征在于，所述耦合通信板包括：

第二通信链路，两端分别连接耦合通信板和主站处理器，并用于将以太网信号由主站处理器输入至耦合通信板；

第二冗余链路，两端分别耦合通信板和主站备用处理器，并用于实现第二通信链路的冗余备份，当第二通信链路故障时，则由第二冗余链路将以太网信号由主站备用处理器输入至耦合通信板。