CN110572308A - 一种分布式高实时性环网通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式高实时性环网通讯系统，包括N个环网模块和实时性传输协议，N≥1，N个环网模块通过传输介质连接成环形网状，所述环网模块以热插拔方式接入上位机，实时性传输协议在所述环网模块之间以及环网模块与上位机进行数据传输，本发明环网模块接收到指令的起始位后利用FPGA的高速运算同时处理和转发指令，在接收到上位机ID位时就直接做出处理，以此来降低通讯延迟；采用本系统的通讯延迟仅为微秒级，随着环网模块数量的增加，高实时性明显，环网模块都具有发送/接收数据帧的功能，相较于其他系统主从结构的特点，每一个模块都可以作为上位机的分布式接入点，具有结构简单，数据传输量大和稳定的特点。

Description

一种分布式高实时性环网通讯系统

技术领域

本发明属于通讯技术领域，尤其涉及环网通信的一种分布式高实时性环网通讯系统。

背景技术

随着现代社会的发展，高实时性数据通讯系统在工业领域得到了更为广泛的应用，由于技术水平的不断进步，数据传输量的不断增大、数据实时性的要求不打断提高，如何提高采集数据的实时性成为当前的热门研究对象。

目前工业应用中，大多数采用基于工业以太网、CAN总线、串口采集等技术，缺点在于：采集延迟最小的都在毫秒级，而且对于后期的运维、升级也有诸多的不便，为了解决这些问题，提高采集数据的实时性、又能使得后期运维、升级更加的方便的分布式、高实时性环网通讯系统属于现有的研发方向。

发明内容

针对上述背景技术的阐述，本发明提供一种分布式高实时性环网通讯系统，解决当前工业通讯技术毫秒级通讯延迟和固定的主从结构的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分布式高实时性环网通讯系统，包括N个环网模块和实时性传输协议，N≥1，N个环网模块通过传输介质连接成环形网状，所述环网模块以热插拔方式接入上位机，实时性传输协议在所述环网模块之间以及环网模块与上位机进行数据传输；

所述环网模块包含数据接口、电源模块、光电转换模块、FPGA模块，数据接口包括标准光纤接口和标准以太网接口；

所述实时性传输协议是定义了数据帧的格式。

上述技术方案中，所述传输介质为金属通讯线传输介质或光纤之一。

上述技术方案中，所述实时性传输协议规定两种数据帧，分别为：同步数据帧和异步数据帧，数据帧的帧格式相同，所述同步数据帧定时向环网中发送的查询指令，发送间隔为t us；所述异步数据帧是根据需求不定时的向环网发送指令。

上述技术方案中，所述实时性传输协议规定两种指令，分别是：控制指令和查询指令，所述控制指令优先级大于查询指令，当一个环网模块发送控制指令时，可直接中断环网中的查询指令。

上述技术方案中，所述数据帧包括起始位、时钟同步位、上位机id位、数据区以及停止位。

上述技术方案中，所述数据帧的数据区分为实时数据区和非实时数据区，其中实时数据区按照环网模块的数量设定为n份，非实时数据区分为m份；针对每一条指令，按环网模块ID的顺序每个环网模块在实时数据区对应的位置写入实时数据，然后在非实时数据区对应的位置写入上次查询的指令以及响应数据，格式为指令在前，响应数据在后。

上述技术方案中，所述实时性传输协议规定，以环网模块ID的顺序把数据写入每个数据帧的数据区，每个环网模块都按照顺序先向该数据帧的实时数据区写入实时数据，在该数据帧的非实时数据区写入该模块上次接到的指令和响应数据。

本发明有益效果，所述环网模块接收到指令的起始位后利用FPGA的高速运算同时处理和转发指令，在接收到上位机ID位时就直接做出处理，以此来降低通讯延迟；采用本系统的通讯延迟仅为微秒级，相较于当前其他技术接收完指令帧再做处理的毫秒级通讯，延迟有显著的降低，随着环网模块数量的增加，高实时性明显，环网模块都具有发送/接收数据帧的功能，相较于其他系统主从结构的特点，每一个模块都可以作为上位机的分布式接入点，具有结构简单，数据传输量大和稳定的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明环网拓扑结构示意图。

图2是环网模块内部功能结构图。

图3是实时性传输协议的完整数据帧格式示意图。

图4是多个上位机数据传输流程。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

根据图1所示，本发明一种分布式高实时性环网通讯系统，包括N个环网模块和实时性传输协议，N≥1，N个环网模块通过金属通讯线传输介质或光纤连接成环形网状，环网模块以热插拔方式接入上位机，实时性传输协议在所述环网模块之间以及环网模块与上位机进行数据传输；由于整个环网中的环网模块可以接入多个上位机，理论上可接入的上位机数量和节点数量一致；且每个上位机都可以向环网中环网模块发送命令来控制终端设备。

根据图2所示，环网模块包含数据接口、电源模块、光电转换模块、FPGA模块，数据接口包括标准光纤接口和标准以太网接口，使用金属通讯线传输介质或光纤传输介质链接。

在环网模块开机前，为其定义并配置环网模块的ID，并且每个环网模块的ID标识在整个环网中都是唯一的；实时性传输协议规定，以环网模块ID的顺序把数据写入每个数据帧的数据区，每个环网模块都按照顺序先向该数据帧的实时数据区写入实时数据，在该数据帧的非实时数据区写入该模块上次接到的指令和响应数据。上位机经过源节点把命令发送到环网，每个环网模块都能接收到命令，根据命令来确定是否进行读写操作，同时每个环网模块都具有向环网发送指令和接收指令的功能，当两个模块同时向环网中发送指令则根据模块ID进行优先级判断，按照优先级高的指令发送原则发送，ID小的优先级高。

环网模块的电源模块分别与光电转换模块、FPGA模块的电源输入端连接，为其提供电源。

光电转换模块具有光信号、电信号互相转换的功能。

FPGA模块用以实现传输信号的解析、打包自定义协议帧、分配以及转换工作，实现环网模块发送/接收数据帧的功能。FPGA模块通过上位机接口连接上位机，通过下位机接口连接下位机，本发明中FPGA模块对上位机接受/发出数据帧进行捕捉和打包，并进行数据交换。

上位机的信号进入环网模块中，经过FPGA模块进行各种运算并判断是否是有效指令和是否是实时指令，如果是实时指令：按照指令进行处理，无效指令直接生成错误码写到响应帧；有效指令则直接从寄存器中获取数据写入数据帧或向下位设备输入指令进行下位机的控制；如果是非实时指令：无效指令生成错误码进行存储；有效指令直接进行存储，等接收到下次指令时，把指令以及响应数据填充到这次数据帧的数据区，返回给上位机；如非实时指令，本次不进行响应，在下一帧进行响应。

根据图3所示，本发明使用自定义实时性传输协议，实时性传输协议是用于定义数据帧的格式；

数据帧包括起始位、时钟同步位、上位机ID位、数据区以及停止位。

数据帧起始位为实时性传输协议规定了两种数据帧，分别为：同步数据帧和异步数据帧，数据帧的帧格式相同，同步数据帧定时向环网中发送的查询指令，发送间隔为tus；异步数据帧是根据需求不定时的向环网发送指令，同步数据帧与异步数据帧区别在于：起始位不同，即下降沿后的低电平持续时间不同，针对于两种数据帧其起始位后面的数据区相同，起始域：b位，后面是时钟同步域：r位，接着依次为上位机ID标识域：s位、实时数据区：x*N位，非实时数据区：y*N位，x为每个模块的实时数据区，y为每个模块的非实时数据区，N为环网模块的数量；其中非实时数据区包含多个模块的非实时数据区，每个模块的非实时数据区分为指令区、响应区。当环网模块接收到指令时，在接收到上位机ID位时就直接做出处理，以此来提高环网的实时性；具体环网延时数值计算如下，若采用起始位：3；同步时钟位：5；ID位：8，传输频率为100MHz，环网模块数量为16，故(3+5+8)*10*16＝2560纳秒＝2.56微秒，相较于当前其它技术接收完数据帧再做处理的毫秒级通讯延迟，实时性有很大的提高。这种优势会随着环网模块数量的增加体现的更加明显。

实时性传输协议规定两种指令，分别是：控制指令和查询指令，控制指令优先级大于查询指令，当一个环网模块发送控制指令时，可直接中断环网中的查询指令；

根据图3所示，数据帧的数据区分为实时数据区和非实时数据区，其中实时数据区按照环网模块的数量设定为n份，非实时数据区分为m份；针对每一条指令，按环网模块ID的顺序每个环网模块在实时数据区对应的位置写入实时数据，然后在非实时数据区对应的位置写入上次查询的指令以及响应数据，格式为指令在前，响应数据在后。

本发明公开一个具体的分布式高实时性环网通讯系统，包括6个环网模块和实时性传输协议，6个环网模块ID标识为：1#模块、2#模块、3#模块、4#模块、5#模块、6#模块，6个环网模块通过光纤首尾连接成环形网状，环网模块以热插拔方式接入上位机电脑。

环网模块包含ID标识、数据接口、电源模块、光电转换模块、FPGA模块，数据接口包括标准光纤接口和标准以太网接口，使用光纤传输介质链接。

数据帧具体格式为：起始位、时钟同步位、上位机ID位、数据区以及停止位。

根据图4所示，当前环网中6个模块，并且每个模块都有上位机接入，这种多上位机的情况，则是把数据帧的长度增加，每个上位机在数据帧中占有相同的数据长度，其位置是按节点ID顺序排列的，该数据域包括指令区、每个模块的响应数据区，如果环网中已经有指令在传输时，1#模块发送指令，就直接填充到1#模块对应的数据域的指令区，并转发到下一个模块，后面的模块都会在上位机ID位判断是否存在多个上位机，并在相应的位置获取指令并进行处理转发。

1#上位机发送指令到1#环网模块，1#环网模块的FPGA模块接收来自上位机的指令，判断当前环网中是否存在正在传输的数据帧，如果没有，则直接处理并等到下一个发送时间再转发到下一个模块，定时发送机制，时间间隔为20毫秒；如果当前环网中已经存在数据帧，先把来自上位机的指令进行处理，再把指令填充到数据帧中给1#上位机指定的数据域的指令区并进行转发，后面的每个模块都按照上述的流程进行指令的处理、填充、转发或响应上位机。

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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：包括N个环网模块和实时性传输协议，N≥1，N个环网模块通过传输介质连接成环形网状，所述环网模块以热插拔方式接入上位机，实时性传输协议在所述环网模块之间以及环网模块与上位机进行数据传输；

所述环网模块包含数据接口、电源模块、光电转换模块、FPGA模块，数据接口包括标准光纤接口和标准以太网接口；

所述实时性传输协议是定义了数据帧的格式。

2.根据权利要求1所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述传输介质为金属通讯线传输介质或光纤之一。

3.根据权利要求1或2所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述实时性传输协议规定两种数据帧，分别为：同步数据帧和异步数据帧，数据帧的帧格式相同，所述同步数据帧定时向环网中发送的查询指令，发送间隔为t us；所述异步数据帧是根据需求不定时的向环网发送指令。

4.根据权利要求3所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述实时性传输协议规定两种指令，分别是：控制指令和查询指令，所述控制指令优先级大于查询指令，当一个环网模块发送控制指令时，可直接中断环网中的查询指令。

5.根据权利要求4所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述数据帧包括起始位、时钟同步位、上位机ID位、数据区以及停止位。

6.根据权利要求5所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述数据帧的数据区分为实时数据区和非实时数据区，其中实时数据区按照环网模块的数量设定为n份，非实时数据区分为m份；针对每一条指令，按环网模块ID的顺序每个环网模块在实时数据区对应的位置写入实时数据，然后在非实时数据区对应的位置写入上次查询的指令以及响应数据，格式为指令在前，响应数据在后。

7.根据权利要求6所述一种分布式高实时性环网通讯系统，其特征在于：所述实时性传输协议规定，以环网模块ID的顺序把数据写入每个数据帧的数据区，每个环网模块都按照顺序先向该数据帧的实时数据区写入实时数据，在该数据帧的非实时数据区写入该模块上次接到的指令和响应数据。