CN108718294A - 适用于控制系统的通信方法及通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于控制系统的通信方法以及通信系统，包括如下任一个或任多个步骤：发送步骤：发送第一帧；接收步骤：接收第一帧；所述第一帧的帧结构包括操作码，其中，所述操作码用于表示所述第一帧的功能。与现有用于控制系统的基于rs485的通讯系统相比，本发明具有更优的抗干扰性能，更低的成本；本发明具有更好的通讯实时性，而且也便于实现远程控制通讯；本发明所涉及的控制通讯为点对点通讯，不存在通讯冲突问题；本发明通过减少帧的字节大大提高了通信速度。

Description

适用于控制系统的通信方法及通信装置

技术领域

本发明涉及控制系统的通讯领域，具体地，涉及基于以太网PHY的控制实时通讯系统。

背景技术

当前，控制系统常常通过RS-485总线进行通讯，RS485总线因其接口简单，组网方便，传输距离远等特点而得到广泛应用。

然而，RS-485总线最大只可以支持10Mbps传输速率，传输距离不能超过12米，通讯距离的增加或共模干扰的增大都会限制通讯速率的提高，在控制通讯中，一般都在100kbps以下。通讯双方没有隔离，而在控制通讯的应用环境中，通讯双方的共模干扰往往比较大，容易导致通讯失败。尽管可以加光耦进行隔离，但这样的隔离并不能有效的抑制共模干扰，同时光耦的插入也造成通讯速率受光耦的速度限制以及电路成本增加。通讯是异步的，这使得接收方必须采用更高频率的时钟去采样，这一方面限制了通讯速率的提高，另一方面也增大了接收数据错误的概率。

为了解决上述这些不足，本发明采用网络通讯广泛使用的以太网PHI为通讯媒介。经过多年的使用，以太网通讯已经日趋成熟，通讯可靠性高，比较适合用于控制系统的通讯。以太网通讯速率高，以价格低廉的双绞线作为通讯媒介，常规通讯速率可以达到100Mbps满足控制通讯高实时性的要求。通讯双方均采用变压器隔离，可以很好的抑制共模干扰，尤其是控制通讯中普遍存在的低频干扰。通讯是同步的，大大降低了接收数据错误的概率。

尽管基于以太网技术的通讯方案具有很多优点，但是直接在控制系统中使用以太网的标准通讯协议还是不合适的。标准以太网帧结构如图1所示，标准以太网帧包含8字节前导码，12字节地址MAC地址，2字节长度，最小46字节负载，4字节冗余校验，12字节帧间距。一个标准以太网帧最小84字节，即便以100Mbps的速率发送也需要6.72us，这对于实时性要求比较高的控制系统来说是难以接受的。

对于控制系统的通讯，缩小数据包长度是提高通讯实时性的必要条件。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于以太网PHY的控制实时通讯系统。

根据本发明提供的一种适用于控制系统的通信方法，包括如下任一个或任多个步骤：

发送步骤：发送第一帧；

接收步骤：接收第一帧；

所述第一帧的帧结构包括操作码，其中，所述操作码用于表示所述第一帧的功能。

根据本发明提供的一种适用于控制系统的通信装置，包括如下任一个或任多个模块：

发送模块：发送第一帧；

接收模块：接收第一帧；

所述第一帧的帧结构包括操作码，其中，所述操作码用于表示所述第一帧的功能。

优选地，所述第一帧仅由前导码、帧开始符、操作码、长度、负载、冗余校验以及帧间距组成。

优选地，所述第一帧包括：

前导码：用于同步接收方的时钟和发送方的时钟；

帧开始符：用于表示随后将接收的数据为操作码；

操作码：用于表示所述第一帧的功能；

长度：用于表示负载数据的长度；

负载：用于承载数据包；

冗余校验：用于判断所述第一帧是否有效；

帧间距：用于给接收方提供处理数据的缓冲时间。

优选地，所述前导码、帧开始符、操作码、长度、负载、冗余校验以及帧间距先后排列。

优选地，发送第一帧的发送模块，包括发送端通讯控制电路和发送端以太网PHY电路，其中：

所述发送端通讯控制电路连接所述发送端以太网PHY电路的MI接口；

所述接收第一帧的接收模块，包括接收端通讯控制电路和接收端以太网PHY电路，其中：

所述接收端通讯控制电路连接所述接收端以太网PHY电路的MI接口；

所述发送端以太网PHY电路的LI接口连接所述接收端以太网PHY电路的LI接口。

优选地，还包括数据链路，所述数据链路连接所述发送模块和接收模块；所述数据链路的一端连接所述发送端以太网PHY电路的LI接口，所述数据链路的另一端连接所述接收端以太网PHY电路的LI接口。

优选地，所述数据链路包括如下任一种或多种通讯介质：

-非屏蔽双绞线；

-屏蔽双绞线；

-光纤。

优选地，还包括隔离变压器，所述隔离变压器设置于发送第一帧的发送模块和/或接收第一帧的接收模块的以太网PHY电路内。

优选地，接收第一帧具体包括：

接收第一帧的接收模块的太网PHY芯片接收载波信号并还原时钟信号和数据；

以太网PHY芯片按照还原出的时钟信号同步本地时钟，同时将还原出的数据转发到 MI接口；

通讯控制电路接收到数据后，首先查找前导码，查找到前导码后继续查找帧开始符，接收到帧开始符后，后续接收的数据被存储到数据缓冲区，同时计算冗余校验码；

数据接收完毕后，通讯控制电路根据计算出的冗余校验码判断数据是否合法，

若判断结果为否，则返回错误帧通知发送方；若判断结果为是，通讯控制电路根据接收到的操作码、长度和负载数据执行相应的处理，并将结果返回给发送方。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、与现有用于控制系统的基于rs485的通讯系统相比，本发明具有更优的抗干扰性能，更低的成本；

2、本发明具有更好的通讯实时性，而且也便于实现远程控制通讯；

3、本发明所涉及的控制通讯为点对点通讯，不存在通讯冲突问题；

4、本发明通过减少帧的字节大大提高了通信速度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为标准以太网帧结构示意图。

图2为本发明硬件框图。

图3为本发明硬件实施例1框图。

图4为本发明硬件实施例2框图。

图5为本发明硬件实施例3框图。

图6为本发明硬件实施例4框图。

图7为本发明协议帧结构框图。

图8为带有隔离变压器的以太网PHY电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所要解决的问题是：实现控制系统中控制器和从机之间的通讯，并使得通讯系统具有高抗干扰能力、低成本、高实时性且通讯延时可预测的特点，并具备一定的远程通讯能力。

因此，根据本发明提供的一种适用于控制系统的通信方法和通信装置，所述通信方法和通信装置为基于以太网PHY(Physical Layer Interface Devices：物理层器件) 的控制实时通讯系统，包含通讯系统硬件及自定义通讯协议。

所述的通讯系统硬件以以太网PHY为通讯核心，包括发送模块、接收模块以及数据链路，其中：发送模块和接收模块通过数据链路连接。

参见图2，所述发送模块和接收模块均为控制器，可实现双向通信，发送模块和接收模块均既可以发送数据，又可以接收数据。控制器接收数据时可作为从机。控制器内部的通讯控制电路与控制器内部的以太网PHY的MI(Media Interface：媒体接口)接口交换数据，发送模块的以太网PHY的LI(Link Interface：链路接口)接口和接收模块的LI接口通过数据链路连接，发送模块内部的通讯控制电路与接收模块内部的以太网PHY的MI接口交换数据，从而实现控制器和从机之间的通讯。

所述的以太网PHY的MI接口包含MII(Medium Independent Interface)、RMII(Reduced Media Independent Interface)、SMII(Serial Medium IndependentInterface)、GMII(Gigabit Media Independent Interface)或者RGMII(Reduced GigabitMedia Independent Interface)标准以太网媒体接口。

所述的以太网PHY的数据链路包含非屏蔽双绞线(UTP)、屏蔽双绞线(STP)或者光纤以太网通讯介质，也可以是双绞线(UTP或STP)和光纤的混合链路。所述的混合链路是指链路中插入光电转换器将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号，混合链路使得通讯系统兼顾传输距离及接口的兼容性。

采用UTP或STP作为数据链路的硬件实施例请见图3，控制器内部的通讯控制电路与控制器内部的以太网PHY的MI接口交换数据，控制器内部的以太网PHY的LI接口和从机的LI接口通过UPT或STP连接，从机内部的通讯控制电路与从机内部的以太网PHY 的MI接口交换数据。

采用光纤作为数据链路的硬件实施例请见图4，控制器内部的通讯控制电路与控制器内部的以太网PHY的MI接口交换数据，控制器内部的以太网PHY的LI接口和从机的 LI接口通过光纤连接，从机内部的通讯控制电路与从机内部的以太网PHY的MI接口交换数据。

采用混合链路的硬件实施例请见图5，控制器内部的通讯控制电路与控制器内部的以太网PHY的MI接口交换数据，控制器内部的以太网PHY的LI接口和从机的LI接口通过混合链路连接，从机内部的通讯控制电路与从机内部的以太网PHY的MI接口交换数据。图5中混合链路的实施例为控制器的UTP或STP经过光电转换器后通过光纤和从机侧的光电转换器连接，从机侧的光电转换器通过UTP或STP连接到从机。

控制器控制多个从机的实施例请见图6，控制器内部含有多个以太网PHY，控制器内部的通讯控制电路通过MI接口与这些以太网PHY通讯，控制器内部的这些以太网PHY 的LI接口通过各自的数据链路和各自的从机中的以太网PHY的LI接口连接，从机内部的通讯控制电路与从机内部的以太网PHY的MI接口交换数据。

进一步的，本发明还包括隔离变压器，用于抑制共模干扰，尤其是控制通讯中普遍存在的低频干扰。所述隔离变压器设置于发送第一帧的发送模块和/或接收第一帧的接收模块的以太网PHY电路内。如图8所示，以太网PHY电路包括以太网PHY芯片，隔离变压器设置于以太网PHY芯片的网络发送(TX)接口、网络接收(RX)接口和以太网PHY 电路的LI接口之间，起到隔离控制器和从机的作用。为了提高对共模干扰的抑制能力，也可以在隔离变压器与以太网PHY电路的LI接口之间插入共模滤波电感。

本发明的协议帧结构框图请见图7，本发明的协议帧结构以3字节的前导码(二进制数10101010)开始，随后是1字节的帧开始符(二进制数10101011)，帧开始符后面依次为2字节操作码、2字节负载数据长度、0—1500字节负载数据、2字节冗余校验、4字节及以上的帧间距。所述操作码用于表示协议帧的功能，例如：用于表示控制器对从机寄存器的读、写操作，或者用于表示从机返回的数据或对主机的应答。

本发明的协议帧的接收流程如下：以太网PHY芯片接收到网络接收接口的载波信号后，会从载波信号中还原出时钟信号和数据，PHY芯片按照还原出的时钟信号同步本地时钟，同时将还原出的数据转发到MI接口。通讯控制电路接收到数据后，首先查找前导码，查找到前导码后继续查找帧开始符，接收到帧开始符后，后续接收的数据被存储到数据缓冲区，同时计算冗余校验码。数据接收完毕后，通讯控制电路根据计算出的冗余校验码判断数据是否合法，若数据非法，则返回错误帧通知发送方。若数据合法，通讯控制电路根据接收到的操作码、长度和负载数据执行相应的处理，并将结果返回给发送方。

由于本专利所涉及的控制通讯为点对点通讯，不需要源地址和目的地址，也不需要 802.1Q标签，所以可以去掉。标准以太网通讯需要考虑通讯冲突的问题，所以规定最小帧长度为64字节，这要求负载最小为46字节，而本专利中负载的最小字节数可以为0，因为本专利所涉及的控制通讯为点对点通讯，不存在通讯冲突问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于控制系统的通信方法，其特征在于，包括如下任一个或任多个步骤：

发送步骤：发送第一帧；

接收步骤：接收第一帧；

所述第一帧的帧结构包括操作码，其中，所述操作码用于表示所述第一帧的功能。

2.一种适用于控制系统的通信装置，其特征在于，包括如下任一个或任多个模块：

发送模块：发送第一帧；

接收模块：接收第一帧；

所述第一帧的帧结构包括操作码，其中，所述操作码用于表示所述第一帧的功能。

3.根据权利要求1所述的适用于控制系统的通信方法或者权利要求2所述的适用于控制系统的通信装置，其特征在于，所述第一帧仅由前导码、帧开始符、操作码、长度、负载、冗余校验以及帧间距组成。

4.根据权利要求1所述的适用于控制系统的通信方法或者权利要求2所述的适用于控制系统的通信装置，其特征在于，所述第一帧包括：

前导码：用于同步接收方的时钟和发送方的时钟；

帧开始符：用于表示随后将接收的数据为操作码；

操作码：用于表示所述第一帧的功能；

长度：用于表示负载数据的长度；

负载：用于承载数据包；

冗余校验：用于判断所述第一帧是否有效；

帧间距：用于给接收方提供处理数据的缓冲时间。

5.根据权利要求4所述的适用于控制系统的通信方法或者适用于控制系统的通信装置，其特征在于，所述前导码、帧开始符、操作码、长度、负载、冗余校验以及帧间距先后排列。

6.根据权利要求1所述的适用于控制系统的通信方法或者权利要求2所述的适用于控制系统的通信装置，其特征在于：

发送第一帧的发送模块，包括发送端通讯控制电路和发送端以太网PHY电路，其中：

所述发送端通讯控制电路连接所述发送端以太网PHY电路的MI接口；

所述接收第一帧的接收模块，包括接收端通讯控制电路和接收端以太网PHY电路，其中：

所述接收端通讯控制电路连接所述接收端以太网PHY电路的MI接口；

所述发送端以太网PHY电路的LI接口连接所述接收端以太网PHY电路的LI接口。

7.根据权利要求6所述的适用于控制系统的通信方法或者适用于控制系统的通信装置，其特征在于：

还包括数据链路，所述数据链路连接所述发送模块和接收模块；所述数据链路的一端连接所述发送端以太网PHY电路的LI接口，所述数据链路的另一端连接所述接收端以太网PHY电路的LI接口。

8.根据权利要求7所述的适用于控制系统的通信方法或者适用于控制系统的通信装置，其特征在于：所述数据链路包括如下任一种或多种通讯介质：

-非屏蔽双绞线；

-屏蔽双绞线；

-光纤。

9.根据权利要求1所述的适用于控制系统的通信方法或者权利要求2所述的适用于控制系统的通信装置，其特征在于：还包括隔离变压器，所述隔离变压器设置于发送第一帧的发送模块和/或接收第一帧的接收模块的以太网PHY电路内。

10.根据权利要求1所述的适用于控制系统的通信方法或者权利要求2所述的适用于控制系统的通信装置，其特征在于：

接收第一帧具体包括：

接收第一帧的接收模块的太网PHY芯片接收载波信号并还原时钟信号和数据；

以太网PHY芯片按照还原出的时钟信号同步本地时钟，同时将还原出的数据转发到MI接口；

通讯控制电路接收到数据后，首先查找前导码，查找到前导码后继续查找帧开始符，接收到帧开始符后，后续接收的数据被存储到数据缓冲区，同时计算冗余校验码；

数据接收完毕后，通讯控制电路根据计算出的冗余校验码判断数据是否合法，

若判断结果为否，则返回错误帧通知发送方；若判断结果为是，通讯控制电路根据接收到的操作码、长度和负载数据执行相应的处理，并将结果返回给发送方。