CN110336724A - 高速工业通信系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速工业通信系统，包括：多个节点设备；和总线，多个节点设备连接在所述总线上，其中多个节点设备配置成可通过OFDM调制方式进行相互通讯。本发明采用OFDM为物理层调制技术和时分的多址方法，实现工业现场总线高速，可靠，实时长距离的传输。本技术属于高速工业总线通信领域，用于工业互联网OFDM体制的高速总线之间的通信。本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN，可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。

Description

高速工业通信系统和控制方法
技术领域
本发明大致涉及工业控制领域，尤其涉及一种采用OFDM调制方式进行通讯的高速工业通信系统和控制方法。
背景技术
现有的工业控制总线，通常采用总线型或环形总线型拓扑结构，主要特点为，即一对双绞线可以连接多个传感器、执行器，这种网络结构安装方便简单。但这种拓扑结构由于节点之间采用总线方式连接，节点的阻抗不容易做到完全匹配，会在通信中引入回波多径，对高速数据通信会有严重影响。现有以CAN总线为代表的现场工业控制总线，采用总线型拓扑结构，直接使用基带信号进行数据传输，消除回波多径影响需要复杂的均衡技术，实现较为困难。因此现有这类型总线通常数据传输速率低，当传输介质为双绞线时，CAN总线通信距离40米时，最高通信速率大约为1Mbps。
多径反射会使得通信信道呈现为频率选择性衰落信道，对高速数据通信会有严重影响。本发明采用基于OFDM调制技术，在高速率传输场景，能够有效地对抗频率选择性衰落，并且实现方式简单成熟；同时使用时分多址技术按时间片分配用户，提高系统的实时性；实现工业总线长距离，高速，可靠，实时的数据传输。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的缺陷中的一个或多个，本发明提出一种高速工业通信系统，包括：
多个节点设备；和
总线，所述多个节点设备连接在所述总线上，
其中所述多个节点设备配置成可通过OFDM调制方式进行相互通讯。
根据本发明的一个方面，所述多个节点设备包括控制节点和终端节点；所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总线进行通讯。
根据本发明的一个方面，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
根据本发明的一个方面，所述控制节点配置成将资源调度信息发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
根据本发明的一个方面，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个方面，其中所述节点设备包括顺序连接的映射器、串并变换单元、IFFT单元以及并串变换单元；
其中，所述映射器配置成可对所述节点设备的待传输比特流进行映射，得到调制信号；
所述串并变换单元配置成可将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
所述IFFT单元配置成可分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
所述并串变换单元配置成可将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
根据本发明的一个方面，所述节点设备还包括：导频插入单元，配置成可在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
根据本发明的一个方面，所述节点设备还包括：保护间隔添加单元，配置成可在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
根据本发明的一个方面，所述节点设备还包括：加窗单元，配置成可对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
本发明还涉及一种工业总线的控制方法，其中多个节点设备连接在所述工业总线上，所述控制方法包括：当其中一个节点设备需要发送数据时，
S101：采用OFDM调制方式，调制待发送的数据；和
S102：将调制后的数据，发送到所述工业总线上。
根据本发明的一个方面，所述多个节点设备包括控制节点和终端节点；所述方法还包括：所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总线进行通讯，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
根据本发明的一个方面，所述的控制方法还包括：所述控制节点生成资源调度信息并发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
根据本发明的一个方面，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个方面，所述步骤S201包括：
可对所述待发送的数据进行映射，得到调制信号；
将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
根据本发明的一个方面，所述步骤S201还包括：在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
根据本发明的一个方面，所述步骤S201还包括：在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
根据本发明的一个方面，所述步骤S201还包括：对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
本发明的实施例提出了一种基于OFDM调制的时分复用工业总线通讯方法。本发明的实施例采用OFDM为物理层调制技术和时分的多址方法，实现工业现场总线高速，可靠，实时长距离的传输。本技术属于两线高速工业总线通信领域，用于两线工业互联网OFDM体制的高速总线之间的通信。
本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN，可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的一种高速工业通信系统100的实例；
图2示出了根据本发明一个实施例在高速工业通信系统的物理层使用OFDM调制的原理；
图3使用1个OFDM符号为资源调度的最小粒度对用户进行资源分配的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的帧格式；
图5示出了根据本发明一个优选实施例的实现OFDM调制的方式；
图6示出了OFDM符号的结构；
图7示出了根据本发明的第二实施例的一种工业总线的控制方法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的一种高速工业通信系统100的实例，下面详细描述。如图1所示，高速工业通信系统100包括：总线101和多个节点设备102和103，多个节点设备102和103连接在总线上。相对于现有技术的高速工业通信系统，本发明第一实施例的高速工业通信系统100中，多个节点设备通过OFDM调制方式进行相互通讯，即通过正交频分多路复用技术来进行数据的调制，然后发送到总线101上，进行数据通讯。
本发明的改进点之一在于，例如在工业控制总线的物理层使用OFDM调制方法，将总线的整个传输带宽B划分为N个带宽为Δf的子带，各个子载波相互正交，从而把高速串行数据符号转换为N路并行的低速子数据符号流(子信号)，调制到每个子载波进行传输。其方式如图2所示。其中，串行数据符号X[0]、X[1]、…、X[N-1]经过串并变换后，形成N路并行的数据符号流，每一路数据符号流对其中一个子带或者子载波进行调制，从而调制到相应的子载波进行并行传输，因而极大地提升了传输的效率。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备包括控制节点102和终端节点103，如图1所示。其中控制节点102和终端节点103的数目可以根据需要设定、增加、或者删减，不对本发明的保护范围构成限制。另外，多个节点设备的类型，也可以均为终端节点，而不包括控制节点。例如每个终端节点可以带有自管理的功能，在加入高速工业通信系统100后，能够自动与其他终端节点进行沟通，并对自身的数据发送和接收进行管理。本领域技术人员在本发明的教导下将知晓如何实现，此处不再赘述。本发明的实施例支持总线和环形总线的拓扑结构，一个总线系统可支持多个有效节点，例如其中一个为控制节点、其他为终端节点，在实际应用中，控制节点例如是网络控制器等控制装置，终端节点可能是传感器，控制器等终端装置。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备102和103通过时分复用的方式占用所述总线101进行通讯。例如，总线101上连接有N个节点设备，那么将总线时间分为N个时间片段Ts[0]、Ts[1]、…Ts[N-1]，每个节点设备都分配其中一个时间片段，在该时间片段内进行数据的发送和/或接受，在该时间片段外则保持静默，避免对正在占用总线的节点设备造成干扰。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
由于OFDM系统是同步系统，本发明的实施例可以使用时分多址或时分复用的方法调度用户和节点设备。在调度过程中，使用1个OFDM符号为资源调度的最小粒度，对用户进行资源分配。按时间片调度用户，例如，用户1分配第0个OFDM符号，用户2分配第1，2个OFDM符号，用户3分配第3个OFDM符号，用户K分配第N-2，N-1个OFDM符号，如图3所示。
根据本发明的一个优选实施例，所述控制节点102配置成生成资源调度信息并发送给所述至少一个终端节点103，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。控制节点102例如可根据目前总线上所连接的终端节点103的数目和/或每个终端节点对于资源或时隙的需求，来动态地调整资源调度信息，以实现系统的优化。另外，当一个新的终端节点103加入高速工业通信系统100时，例如连接到总线101，此时控制节点102需要根据这个新的终端节点，为其分配资源调度信息，必要的话，也可能需要调整已有的终端节点103的资源调度信息。这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个优选实施例，由K个OFDM符号组成帧，进行信号传输，K可根据系统要求可配，帧格式如图4所示。
图5示出了根据本发明一个优选实施例的如何实现OFDM调制的方式。下面详细描述。如图5所示，图1中的控制节点102和/或终端节点103中，可以包括顺序连接的映射器、串并变换单元、IFFT单元以及并串变换单元。其中，映射器配置成可对所述节点设备的待传输比特流进行映射，得到调制信号；所述串并变换单元配置成可将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；所述IFFT单元配置成可分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；所述并串变换单元配置成可将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：导频插入单元，配置成可在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：保护间隔添加单元，配置成可在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：加窗单元，配置成可对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
根据本发明的实施例，在总线结构的物理层中实现了OFDM调制的信号传输。在发射过程中，传输的bit流经过映射器形成调制信息，串并转换后加入子载波，在频域信号中插入导频，用IFFT进行OFDM调制，串并转换后，在信号插入保护间隔，然后加窗，生成发送信号。
在上面的实现中，IFFT模块主要完成正交多载波的调制，该模块可用IFFT、IDFT或其它方式实现。加保护间隔模块主要作用是消除码间干扰，加窗模块主要作用是降低信号频谱的带外辐射，插入导频模块主要用于接收机同步及信道估计，这三个模块是可选模块，可以根据实际系统选择配置。加保护间隔模块中，保护间隔可选为循环前缀，无信号保护间隔，或其它。插入导频模块和串/并转换模块操作顺序可调换，并/串转换模块和加保护间隔模块操作顺序也可以调换。
在本发明中，当保护间隔为CP时，每个OFDM符号由CP和数据体组成，如图6所示。
根据本发明的一个优选实施例，本发明的技术方案应用于工业互联网高速总线通信，相关参数如下：
采样率fs＝100MHz
子载波间隔
一个OFDM符号的子载波数N＝1280
IFFT点数4096
循环前缀的长度为2048点
下边带距离基带的最小距离u＝64个子载波
具体的实施步骤如下：
对用户1，在第1个OFDM符号时隙：
第1步：映射、串并转换得到信息X[k](k＝0，1，...，1279)。
第2步：将X[0]～X[639]为上边带数据，X[640]～X[1279]为下边带数据。
第3步：对数组x[0]～x[4095]清0，把X[0]～X[1279]的数据放入数组x[64]～x[1343]
第4步：对x[0]～x[4095]的数据进行IFFT，并取实部，得到y[0]～y[4095]
第5步：取y[2048]～y[4095]作为循环前缀，和数据体y[0]～y[4095]形成OFDM符号Y[0]～Y[6143]
对用户2，在第2、3个OFDM符号时隙，重复第1步到第5步骤
以上描述了各个节点设备如何对数据进行OFDM调制并通过总线101进行通讯的实现方式。本领域技术人员容易理解，作为通讯另一方的节点设备，在接收到数据之后，可以通过图5所示的逆向过程来进行数据的解码和读取。此处不再赘述。
第二实施例
本发明的第二实施例涉及一种工业总线的控制方法200。控制方法可用于控制例如图1所示的工业总线101，其中多个节点设备102和/或103连接在所述工业总线101上。下面参考图7详细描述该控制方法200。
如图7所示，当其中一个节点设备需要发送数据时，
在步骤S201：采用OFDM调制方式，调制待发送的数据。
关于数据的OFDM调制的实现方式，类似于上文参考图5所描述的内容，此处不再赘述。
在步骤S202：将调制后的数据，发送到所述工业总线上。
通过OFDM方式对数据进行调制之后，将调制后的数据发送到工业总线上，进行数据通讯。作为数据通讯另一方的另一个节点设备，在接收到数据之后，例如通过图5所示的逆向过程来进行解码，获得数据内容。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备包括控制节点和终端节点；所述方法还包括：所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总线进行通讯，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
根据本发明的一个优选实施例，所述的控制方法200还包括：所述控制节点生成资源调度信息并发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
根据本发明的一个优选实施例，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S201包括：
可对所述待发送的数据进行映射，得到调制信号；
将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
本发明的实施例提出了一种基于OFDM调制的时分复用工业总线通讯方法。它采用OFDM为物理层调制技术和时分的多址方法，实现工业现场总线高速，可靠，实时长距离的传输。本技术属于两线高速工业总线通信领域，用于两线工业互联网OFDM体制的高速总线之间的通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种高速工业通信系统，包括：
多个节点设备；和
总线，所述多个节点设备连接在所述总线上，
其中所述多个节点设备配置成可通过OFDM调制方式进行相互通讯。
2.如权利要求1所述的高速工业通信系统，其中所述多个节点设备包括控制节点和终端节点；所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总线进行通讯。
3.如权利要求2所述的高速工业通信系统，其中，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
4.如权利要求2或3所述的高速工业通信系统，其中，所述控制节点配置成将资源调度信息发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
5.根据权利要求4所述的高速工业通信系统，其中，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；
一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高速工业通信系统，其中所述节点设备包括顺序连接的映射器、串并变换单元、IFFT单元以及并串变换单元；
其中，所述映射器配置成可对所述节点设备的待传输比特流进行映射，得到调制信号；
所述串并变换单元配置成可将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
所述IFFT单元配置成可分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
所述并串变换单元配置成可将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
7.根据权利要求6所述的高速工业通信系统，其中，所述节点设备还包括：导频插入单元，配置成可在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
8.根据权利要求6或7所述的高速工业通信系统，其中，所述节点设备还包括：保护间隔添加单元，配置成可在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
9.根据权利要求8所述的高速工业通信系统，其特征在于，所述节点设备还包括：加窗单元，配置成可对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
10.一种工业总线的控制方法，其中多个节点设备连接在所述工业总线上，所述控制方法包括：当其中一个节点设备需要发送数据时，
S201：采用OFDM调制方式，调制待发送的数据；和
S202：将调制后的数据，发送到所述工业总线上。
11.如权利要求10所述的控制方法，其中所述多个节点设备包括控制节点和终端节点；所述方法还包括：所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总线进行通讯，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
12.如权利要求11所述的控制方法，还包括：所述控制节点生成资源调度信息并发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其中，在所述资源调度信息中，一个固定时隙对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的控制方法，其中所述步骤S101包括：
可对所述待发送的数据进行映射，得到调制信号；
将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其中，所述步骤S101还包括：在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
16.根据权利要求14或15所述的控制方法，其中，所述步骤S101还包括：在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S101还包括：对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
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