CN110830276B - 一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统及方法，该系统包括：至少两个主站以及一个或多个从站，主站和从站顺次连接构成EtherCAT直线网络或环形网路；主站在不同的连接方式下具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站；责任主站用于进行数据收集和系统监控、与从站和监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；监听主站用于监听并收集网络的数据信息；在系统正常运行时，只有一个主站为责任主站，其余主站为监听主站。本发明实施例不仅大大节省了系统资源，降低了成本，同时实现了高的可靠性、稳定性及安全性；尤其适用于高带宽、大数据传输、高设备利用率的轨道交通领域。

Description

一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，具体涉及一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统及方法。

背景技术

EtherCAT是一种实时工业以太网技术，它充分利用了以太网的“全双工”特性。EtherCAT由beckhoff公司于2003年提出，具有系统结构简单、传输速度快、传输效率高等特点。EtherCAT已经在很多不同的系统中得到了开发应用。同时beckhoff公司于2003年11月成立了ETG组织，支持、完善并推广EtherCAT技术，该组织现在已经成为了全球最大的现场总线组织。EtherCAT协议使用特殊帧类型0x88A4标记EtherCAT数据部分，将该部分作为标准以太网数据帧的数据部分，与标准的以太网具有良好的兼容性。EtherCAT使用主从模式介质访问控制(MAC)，主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。主站使用标准的以太网接口卡，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)。EtherCAT环形冗余结构中，将最后一个ESC节点连接到主站，此种方法可以有效解决单点故障。

为了保证工业以太网系统的可靠性与可维护性，通常情况下会在EtherCAT环网通信系统中增加冗余方案。现有技术中所采用的冗余方案是基于热冗余机制的，通过两条链路传输相同的信息，通过周期性发出“心跳”检测信息来判断链路故障。此种热冗余机制不仅耗费大量的设备资源，工作过程中还很难进行可靠控制。比如，难于确定合适的工作周期，较大的工作周期可能无法完成系统在通信故障下的快速切换，使系统的控制性能下降，甚至可能出现不稳定的现象，而较短的工作周期会占用太多的带宽资源，也能影响网络控制系统的性能。因此，现有技术中基于热冗余机制的冗余方案不能适应EtherCAT环网通信系统的需求，尤其不能适应具备高带宽、大数据传输、高设备利用率需求的轨道交通领域。

发明内容

为解决现有技术中EtherCAT冗余通信中的问题，本发明实施例提供一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统，该系统包括：至少两个主站以及一个或多个从站，所述主站和所述从站顺次连接构成EtherCAT直线网络或环形网路；所述主站在不同的连接方式下具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与所述从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站用于监听并收集网络的数据信息；在系统正常运行时，只有一个所述主站为所述责任主站，其余所述主站为所述监听主站。

第二方面，本发明实施例提供一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法，该方法包括：系统上电初始化；竞争责任主站流程：处于EtherCAT直线网络或环形网络中的主站通过预设的竞争算法确定责任主站；所述责任主站确定后，其余主站成为监听主站；在所述责任主站的控制下，系统正常运行；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站负责监听并收集网络的数据信息；若所述监听主站在预设时间阈值内未接收到任何信号，则判定所述责任主站故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

本发明实施例通过在EtherCAT网络中设置至少两个主站，所述主站具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站，可实现在责任主站故障时，其他主站成为新的责任主站继续行使EtherCAT网络主站的功能，不影响系统带宽，不需铺设大量线路。由此，不仅大大节省了系统资源，降低了成本，同时实现了高的可靠性、稳定性及安全性；尤其适用于高带宽、大数据传输、高设备利用率的轨道交通领域。

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是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统的EtherCAT环网结构拓扑示意图；

图2是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的主站的接口示意图；

图3是本发明另一实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的主站的接口示意图；

图4是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的从站的接口示意图；

图5是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法流程图；

图6是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中基于EtherCAT故障管理机制的故障管理方法流程图；

图7是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中Protobuf嵌入UDP/IP中的数据域结构图；

图8是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中EtherCAT嵌入UDP/IP中的数据域结构图；

图9是本发明实施例提供的另一基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法流程图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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冷冗余机制的EtherCAT通信系统，所述系统包括：至少两个主站以及一个或多个从站，所述主站和所述从站顺次连接构成EtherCAT直线网络或环形网路；所述主站在不同的连接方式下具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站负责监听并收集网络的数据信息；在系统正常运行时，只有一个所述主站为所述责任主站，其余所述主站为所述监听主站。

所述主站具备特殊的电路结构，能够实现两种不同的连接方式，在一种连接方式下为责任主站，满足EtherCAT主站的结构要求，作为责任主站行使EtherCAT主站的功能，用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信；在另一种连接方式下为监听主站，其结构构成可以与从站的结构相同，负责监听并收集网络的数据信息。可以理解的，根据EtherCAT网络的规则，所述监听主站还可以接收并转发报文。

所述主站和所述从站顺次连接时，并不要求主站之间必须相邻或从站之间必须相邻，连接顺序可以是随机的，只要所有的主站和从站顺次连接构成EtherCAT网络即可，如果构成首尾相接的网络，则形成EtherCAT环形网络，否则形成EtherCAT直线网络。

在系统正常运行时，只有一个所述主站为所述责任主站，其余所述主站为所述监听主站。在所述责任主站出现故障时，其余主站可以通过竞争成为新的所述责任主站，以使得系统继续正常运行。可见，本发明实施例提供的EtherCAT通信系统，其冗余机制是基于冷冗余机制的。现有技术中的冗余机制是基于热冗余机制的，通过两条链路传输相同的信息，两个主站同时参与数据的收发及控制，不仅在线路铺设等方面实施困难，也造成了巨大的资源浪费。而本发明实施例中所述冷冗余机制不同于现有技术中的热冗余，直接在EtherCAT通信网络中设置两个或多个主站，但是不令所有的主站都参与数据的收发及控制，只有一个作为责任主站负责数据收发及控制，其余主站作为监听主站用于监听，在责任主站出现故障时再在主站中产生新的责任主站，保证系统继续正常运行，不仅大大节省了系统资源，降低了成本，同时实现了高的可靠性、稳定性及安全性。并且，可以有效的利用设备的通信特性，具有高效的设备利用率。

图1是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统的EtherCAT环网结构拓扑示意图。如图1所示，其包括两个主站和两个I/O板，构成EtherCAT环形网络。系统上电后，可以通过责任主站选择算法，从两个主站中竞争选择出一个责任主站作为整个系统的主站，另一个则作为监听主站。当系统正常运行时，责任主站负责与其它各个从站的正常通信，监听主站则监听环网上的信息，保证数据的完整性。当责任主站发生故障时，监听主站自动竞争为责任主站继续工作，实现了可靠通信。

所述I/O板作为从站(可包括一个或多个从站)，完成相应的从站功能。

所述高速摄像头用于示意从站的控制功能。

本发明实施例通过在EtherCAT网络中设置至少两个主站，所述主站具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站，可实现在责任主站故障时，其他主站成为新的责任主站继续行使EtherCAT网络主站的功能，不影响系统带宽，不需铺设大量线路。由此，不仅大大节省了系统资源，降低了成本，同时实现了高的可靠性、稳定性及安全性；尤其适用于高带宽、大数据传输、高设备利用率的轨道交通领域。

进一步地，基于上述实施例，所述主站包括FPGA芯片、ET1100芯片、phy芯片、MCU芯片及RJ45接口；其中，所述MCU芯片设置在所述FPGA芯片内部或独立设置；所述FPGA芯片包括选择器，在所述选择器选择第一通路时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述MCU芯片，此时所述主站为责任主站；在所述选择器选择第二通路时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述ET1100芯片，此时所述主站为监听主站；其中，所述ET1100芯片和所述MCU芯片通过SPI实现通信。PFGA具有MCU核，可以集成MCU，因此MCU可以集成在FPGA的板卡上，可以理解的，MCU也可不置于FPGA内部，而是独立设置。

图2是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的主站的接口示意图。如图2所示，两个RJ45接口处的网络信号分别通过phy芯片连向FPGA中的选择器，所述选择器的第一通路的两个连线连接FPGA板卡中的MCU的两个MII接口；所述选择器的第二通路的两个连线连接FPGA的两个MII接口，FPGA的两个MII接口分别经过两个phy芯片连向ET1100芯片的两个MII接口；ET1100芯片和所述MCU芯片通过SPI通信连接。

系统上电后，通过责任主站选择算法，竞争选择出责任主站作为网络上的责任主站，FPGA选择器选择第一通路，FPGA选择器与MCU的MII接口之间的通路连通，FPGA选择器与FPGA的两个MII接口之间的通路断开，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至连接FPGA板卡中的MCU芯片的两个MII接口，作为责任主站控制整个网络运行。

当此责任主站出现故障而转变为监听主站时，FPGA选择器选择第二通路，FPGA选择器与MCU的MII接口之间的通路断开，FPGA选择器与FPGA的两个MII接口之间的通路连通，FPGA选择器选择将网络信号与ET1100芯片连接，作为监听主站监听网络上的数据信息。

同时，此时ET1100与MCU通过SPI实现通信。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过FPGA+MCU实现了EtherCAT冗余通信中可进行主从变换的主站架构，结构简单，易于实现。

进一步地，基于上述实施例，所述主站包括MCU芯片、ET1100芯片、phy芯片、继电器驱动器、两个信号继电器及RJ45接口；所述MCU芯片用于通过所述继电器驱动器驱动所述两个信号继电器动作；所述两个信号继电器处于第一连接方式时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述MCU芯片，此时所述主站为责任主站；所述两个信号继电器处于第二连接方式时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述ET1100芯片，此时所述主站为监听主站；其中，所述ET1100芯片和所述MCU芯片通过SPI实现通信。

图3是本发明另一实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的主站的接口示意图。如图3所示，一个RJ45接口连接第一信号继电器的开关，另一个RJ45接口连接第二信号继电器的开关；第一信号继电器和第二信号继电器的端子1分别通过phy芯片连接MCU芯片的MII接口；第一信号继电器和第二信号继电器的端子2分别通过phy芯片连接ET1100芯片的MII接口；MCU芯片与继电器驱动器相连接；继电器驱动器的两个驱动输出端分别连接第一信号继电器和第二信号继电器；MCU芯片和ET1100芯片通过SPI通信连接。

系统上电后，通过责任主站选择算法，竞争选择出责任主站作为网络上的责任主站，第一信号继电器和第二信号继电器的开关分别连接端子1，则RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至MCU芯片的两个MII接口，作为责任主站控制整个网络运行。

当此责任主站出现故障而转变为监听主站时，第一信号继电器和第二信号继电器的开关分别连接端子2，则RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至ET1100芯片的两个MII接口，作为监听主站监听网络上的数据信息。

同时，此时ET1100与MCU通过SPI实现通信。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过信号继电器实现了EtherCAT冗余通信中可进行主从变换的主站架构，结构简单，易于实现。

图4是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统中的从站的接口示意图。如图4所示，从站芯片采用ET1100芯片，EBUS支持背板走线，ET1100芯片与MCU芯片采用SPI通讯机制。

也可看出，在主站电路结构对应于监听主站时，其电路结构与从站的结构相同。

图5是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法流程图。如图5所示，所述方法包括：

步骤101、系统上电初始化；

系统上电初始化，整体系统处于上电初始化状态，属于未确定责任主站和监听主站的状态，通信模式属于混杂模式，还未确定运行状态阶段。

步骤102、竞争责任主站流程：处于EtherCAT直线网络或环形网络中的主站通过预设的竞争算法确定责任主站；所述责任主站确定后，其余主站成为监听主站；

系统上电初始化后，开始启动竞争责任主站流程，以确定责任主站。处于EtherCAT直线网络或环形网络中的主站通过预设的竞争算法确定责任主站。所述责任主站确定后，其余主站成为监听主站。

处于EtherCAT直线网络或环形网络中的主站在不同的连接方式下具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站；当某个主站确定为责任主站时，可通过相应的控制实现其对应于责任主站的电路结构，行使责任主站的功能；当某个主站确定为监听主站时，可通过相应的控制实现其对应于监听主站的电路结构，行使监听主站的功能。

所述主站的电路结构可以采用上述实施例中所述的电路结构，此处不再赘述。

步骤103、在所述责任主站的控制下，系统正常运行；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站负责监听并收集网络的数据信息；

在所述责任主站的控制下，系统正常运行。在所述主站为责任主站时，其电路结构可以与现有技术中的主站的结构相同；所述主站为监听主站时，其电路结构可以与现有技术中从站的结构相同。所述责任主站的功能可以与现有EtherCAT网络中主站的功能相同，用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信。当冗余系统通过竞争产生了责任主站之后，其他的主站设备自动成为该EtherCAT通信系统内部的监听主站，即具有从站属性的主站设备，这些监听主站不需要发送指令，负责对EtherCAT通信网络上传输的信息进行数据的收集和存储。

步骤104、若所述监听主站在预设时间阈值内未接收到任何信号，则判定所述责任主站故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

若所述监听主站在预设时间阈值内(如1s内)未接收到任何信号，则判定所述责任主站故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

在一个处于正在运行的系统中，如果监听主站连续1s没有接收到任何消息(如果1s没有接收到任何信息表明主站可能出现故障)，可以判定所述责任主站故障，再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

如果从站连续1s没有接收到任何消息，则可置于等待状态，待新的责任主站确定后，重新开始接收信息。

本发明实施例通过在EtherCAT网络中设置至少两个主站，通过竞争责任主站流程确定责任主站，其余为监听主站；在责任主站出现故障时，重新确定责任主站，继续行使EtherCAT网络主站的功能；不仅大大节省了系统资源，降低了成本，同时实现了高的可靠性、稳定性及安全性。

进一步地，基于上述实施例，所述竞争责任主站流程具体包括：根据预设的时间槽的长度，令所述主站按照预设的顺序分别在相应的时间槽中申明自身是责任主站，最后进行申明的所述主站自动成为所述责任主站，其余主站则自动成为所述监听主站。

竞争责任主站的过程，也就是申明某一个主站是责任主站的过程，具体方法是：一旦出现符合竞争责任主站的条件后，所有的主站进入一个离散的时间槽状态，时间槽的长度可以设为0.5s，则在0～0.5s之间，如允许ip源地址为192.168.1.1的主站向网络上发送一个信息帧申明自己是责任主站，在0.5s～1之间，允许ip源地址为192.168.2.1的主站向网络上发送一个信息帧申明自己是责任主站……，以此类推，最后进行申明的主站自动成为整个系统的责任主站，其余主站为监听主站。之后，责任主站开始控制整个EtherCAT网络，通过网络进行数据收集和系统监控。采用0.5s作为时间槽的长度是为了减少由于各个主站定时的差异而引起不同主站发送的信息之间可能出现的冲突，时间槽的长度也可以适当缩短以减少网络用于竞争的时间。

所述预设的竞争算法即可以为上述基于时间槽机制的竞争算法。在利用上述基于时间槽机制进行责任主站的竞争过程中，如果因为网络原因或主站自身的原因，有的主站不能发送申明信息，则也能可靠地实现确定责任主站。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过提供基于时间槽的竞争责任主站机制，可以可靠地实现在主站中确定责任主站，进一步提高了可靠性，并可实现实时高速切换。

进一步地，基于上述实施例，所述方法还包括：基于EtherCAT故障管理机制，所述责任主站根据连接网络信号的两个PHY芯片的数据连接信号和数据有效信息的状态判断自身是否发生故障；若判断获知自身发生故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

EtherCAT故障管理机制主要通过判别接收网络信号的两个接口的PHY(physicallayer)芯片的数据连接信号(MII_signal)和数据有效信息(Data_valid)判断链路状态，因为PHY芯片在数据传输过程中，Data_valid信号只在信号有效时拉高，因此，需要检测两次Data_valid时间差，如果两次Data_valid时间差超过时间阈值(Time_cnt)则认为相应接口无数据连接，则责任主站发生故障，从而再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

图6是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中基于EtherCAT故障管理机制的故障管理方法流程图。如图6所示，所述方法包括：

责任主站接收通信链路物理层的数据连接信号，然后判断所述通信链路是否处于连接状态，所述判断所述通信链路是否处于连接状态通过数据连接信号进行判断。若判断获知所述通信链路断开，则通信链路为通信故障状态，则责任主站判定自身出现故障，再次启动竞争责任主站流程，重新进行竞争责任主站。

若判断获知所述通信链路连通，则提取所述数据有效信息，并根据所述数据有效信息判断所述通信链路的物理层数据是否有效。若所述通信链路的物理层数据无效，则所述责任主站故障，重启竞争责任主站流程；若所述通信链路的物理层数据有效，则接收两个连续的数据有效信号并计算出所述物理层数据有效信号之间的时间间隔。

判断所述时间间隔是否在设定的时间阈值内，若所述时间间隔在设定的时间阈值内，则通信链路为通信正常状态，保持通信链路进行通信；若所述时间间隔不在设定的时间阈值内，则通信链路为通信故障状态，则责任主站判定自身出现故障，再次启动竞争责任主站流程，重新进行竞争责任主站。

在上述实施例的基础上，本发明实施例责任主站通过基于EtherCAT故障管理机制进行自身故障管理，在获知自身故障后重启竞争责任主站流程，进一步保障了系统的可靠性。

进一步地，基于上述实施例，所述方法还包括：所述责任主站按照预设的频率发送查询信息帧给所述监听主站，所述查询信息帧包括时间信息，以供所述监听主站进行时间同步；并根据所述监听主站是否回复确认信息以判别所述监听主站是否在线。

多主站冗余的网络结构中，如果没有统一的时钟，则同样会带来数据的不完整性与设备的故障，因此需要提供全网统一的时钟同步机制，为了保证责任主站可以知道监听主站的状态，因此提供检测功能，系统可以将这两种功能合二为一，提供一个特殊的查询信息帧来同时完成上述两个功能，责任主站每秒给监听主站发送的查询信息帧(包括年月日时分秒的信息)，监听主站正常响应则返回查询信息。通过这种方式，监听主站可以得到当前时间，并进行同步。如果监听主站有响应信息返回责任主站的话，进一步表明监听主站工作情况良好，从而得到数据的完整性。如果考虑节省网络的带宽，发送该信息帧的频率可以适当降低。

EtherCAT网络中，责任主站(EtherCAT网络的主站)本身具有监听及同步一般从站的功能。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过向监听主站发送包含时间信息的查询信息帧，有效实现了时间同步及监听主站的监听，提高了整个EtherCAT网络控制性能。

进一步地，基于上述实施例，所述责任主站发送给所述监听主站的报文中包括网络上各设备的状态信息及网络的控制信息，供所述监听主站进行存储以在竞争成为责任主站时继续上一责任主站的控制流程。

所述责任主站发送给所述监听主站的报文中包括网络上各设备的状态信息及网络的控制信息，比如，所述责任主站发送给所述监听主站的报文中包括网络上各从站的状态信息、各监听主站的状态信息、以及责任主站对各从站的控制信息等。所述责任主站对各从站的控制信息包括控制模式、控制节点等。所述责任主站发送给所述监听主站的报文中包括网络上各设备的状态信息及网络的控制信息，令监听主站备份链路上的相关信息，供所述监听主站进行存储以在竞争成为责任主站时，接替上一责任主站，继续行使上一责任主站的控制流程。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过同步链路相关信息给监听主站，可以使得监听主站在升级为责任主站时继续行使相应的控制功能，由此，进一步保障了系统的可靠性。

进一步地，基于上述实施例，所述方法还包括：任何主站加入网络时，均需首先监听网络信息，若在预设的时间间隔内未收到任何信息，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

任何主站加入网络包括新的主站加入网络或发生故障的所述责任主站故障恢复。

新的主站加入网络的场景比如可以是EtherCAT直线网络或环形网路的某个主站虽然与整个网络进行了物理连接，但是这个主站未上电，所以实际上这个主站初始是未加入实际运行的网络的；那么，在网络运行过程中，如果这个主站进行了上电初始化，则这个主站将要加入网络的运行中，此种情况属于新的主站加入网络的场景。

发生故障的所述责任主站故障恢复，则此主站又可以行使责任主站的功能。但是无论是新加入的主站还是发生故障的责任主站恢复，在主站加入运行中的网络时，均需首先监听网络信息，若在预设的时间间隔内未收到任何信息，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

比如，任何一个主站在加入系统以后，开始监听网络上的数据传输，若连续1s没有收到来自网络的任何消息，则开始进入竞争主站的过程，如果接收到来自网络的消息，则说明此时有责任主站正在行使主站功能，则新加入的主站自动成为监听主站。主站加入网络时先进行监听是考虑到当一个主站加入一个已经运行的网络的情形，如果不加监听而直接进入竞争责任主站的过程则可能影响到系统的正常运行。

在上述实施例的基础上，本发明实施例在主站加入网络时先进行监听，在没有接收到网络信息时，进而进入竞争责任主站的流程，进一步提高了网络的可靠性和稳定性。

进一步地，基于上述实施例，所述竞争责任主站流程和所述发送查询信息帧采用Protobuf嵌入UDP/IP中的数据域结构进行通信；系统正常运行中，采用EtherCAT嵌入UDP/IP中的数据域结构进行通信。

本发明实施例所使用的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中的通信数据帧，整体数据使用的是符合IETF RFC 791/IETF RFC 768的UDP/IP传输，基于以太网物理链路的通信机制分为两个数据域内容。

图7是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中Protobuf嵌入UDP/IP中的数据域结构图。在竞争责任主站中通信混杂模式阶段、传输统一的网络时间和检测监听主站是否在线阶段，利用UDP通信直接发送Protocol Buffer协议数据，通过识别protobuf数据帧进行设备间的通信。

图8是本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中EtherCAT嵌入UDP/IP中的数据域结构图。当竞争出确认的责任主站设备后，进行EtherCAT环网通信，通过目的UDP的端口号34980＝0x88A4和EtherCAT帧头识别EtherCAT帧，从而进行主站和从站间的通信与设备间故障显示。

在竞争责任主站的过程中，在相应的时间槽下主站分别申明自身是责任主站，最后申明的成为实际的责任主站。用于申明某个主站是责任主站的信息帧是标准的protobuf通信协议，具体帧格式见表1，表中，Se_type为FF，表示该信息是个广播信息，Func_type＝51，表示该信息是个竞争责任主站的信息，发送该MA_addr信息的主站将自己的地址填入该位置，帧的结尾是CRC校验。

表1

字段属性	字段头	字段体
			required	int32	MA_addr(主站地址)
required	int32	Se_type(表示广播)
			required	int32	Func_type(表示功能)
required	int32	CRC(表示CRC校验)

责任主站用于发送网络时间与检测监听主站的帧格式见表2。

表2

字段属性	字段头	字段体
			required	int32	MA_addr(发送地址)
required	int32	Year(表示年)
			required	int32	Month(表示月)
required	int32	Day(表示日)
			required	int32	Hour(表示时)
required	int32	Minute(表示分)
			required	int32	Second(表示秒)
required	int32	CRC(表示CRC校验)

在上述实施例的基础上，本发明实施例在不同的通信阶段分别采用Protobuf协议和EtherCAT协议与UDP/IP相结合进行数据发送，有效地保障了各阶段功能的可靠性及便利性。

图9是本发明实施例提供的另一基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法流程图。此流程对应于EtherCAT环网中具有两个主站的情况。需要说明的是，本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法可以包括两个或多个主站，至少需具备两个主站，以实现冗余性能；主站的个数越多，则可靠性越好，但相应地会付出一定的设备成本及管理成本。

如图9所示，所述方法可以包括：

上电初始化，图9中的上电初始化包括整体系统上电初始化及主站加入网络时自身的上电初始化两种。如果整体系统上电初始化，则整体系统处于上电初始化状态，未确定主站和从站的状态，通信模式属于混杂模式，还未确定运行状态阶段；设备间将运行UDP+Protobuf协议进行通信竞争责任主站。如果是主站加入已运行的网络，则新加入的主站先进行监听，比如若1s内未监听到任何信息，则设备间将运行UDP+Protobuf协议进行通信竞争责任主站。也即，两个主站进行双主责任主站竞争。

根据上述实施例提出的时间槽机制确定责任主站，则另一个主站变为监听主站，负责监听与存储；由此，一主多从设备的EtherCAT环网确定，系统开始正常运行。如果从站事先未进行配置，则主站还需配置从站。整个网络运用EtherCAT现场总线进行数据的传输。责任主站通过发送UDP+Protobuf协议数据进行统一网络时间和检测监听主站通信。若系统运行过程中，监听主站接收不到任何数据，则可以判定责任主站设备出现故障，则再次进入两个主站进行双主责任主站竞争的流程。新的责任主站产生，继续控制整个网络的运行。

本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法，在EtherCAT环形冗余结构中增加一个冗余的主站，从而可以在环网上实现主站冗余结构；当主站发生故障无法与各个从站保持通信时，通过环网上切换主站后依然可以与各个从站保持通信。

EtherCAT环网主站切换结构，增加了系统的安全性；EtherCAT环网结构设计实现主从站通信，结构简单、传输速度快、传输效率高；EtherCAT协议与标准的以太网具有良好的兼容性；EtherCAT环网在处理故障过程中能够快速的识别并进行切换；双主冗余系统中对于竞争责任主站的方式，确定监听主站的机制，可以有效的利用设备的通信特性，具有高效的设备利用率；双主冗余系统具有强冗余性，保证通信的延续与保障。

本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法中，以下情况可以使得两个主站进入竞争责任主站的状态：

(a)整体系统处于上电初始化状态，未确定主站和从站的状态，通信模式属于混杂模式，还未确定运行状态阶段。

(b)任何一个主站在加入系统以后，开始监听网络上的数据传输，若连续1s没有收到来自网络的任何消息，则开始进入竞争主站的过程，对于1s的限制是考虑到当一个主站加入一个已经运行的网络的情形，如果不加监听而直接进入竞争责任主站的过程则可能影响到系统的正常运行。

(c)在一个处于正在运行的系统中，如果监听主站连续1s没有接受到任何消息(如果1s没有接收到任何信息表明主站可能出现故障)，也进入竞争责任主站的过程。

下面基于双主冗余EtherCAT环网在轨道交通信号控制系统IFAO中的应用为例来进一步说明本发明实施例提供的基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法的工作过程：

基于双主冗余EtherCAT环网的IFAO车载信号控制系统由四个设备构成，具有两个主站设备(硬件结构同时具有从站设备属性)、两个从站设备。四个设备都根据EtherCAT通信协议与protobuf通信协议进行了配置，根据EtherCAT环网结构将四个设备进行连接，接通电源。

首先上电初始化，四个设备的电源灯位正常运行，两个主站设备的竞争主站等位闪烁，经过1s的等待，竞争确认的主站的责任主站灯位常亮，另一个主站的监听主站灯位常亮，从站灯位运行正常，此时从站按照责任主站的EtherCAT通信协议，进行1s和2s交替间隔的频率进行灯位显示，系统正常运行。

然后将责任主站的网线拔出，将其脱离EtherCAT环网结构，此时，从站灯位处于通信等待灯位显示，并亮报警灯，监听主站的竞争主站灯位显示，1s后监听主站的责任主站灯位开始常亮，此时监听主站变为责任主站。

最后，两个从站开始正常运行，根据最新的责任主站的EtherCAT通信系统，进行1s一次的频率进行灯位显示，IFAO系统的双主冗余机制切换完成，系统恢复正常运行状态。

其中，从站进行1s和2s交替间隔的频率进行灯位显示以及进行1s一次的频率进行灯位显示是用于指示处于哪一个责任主站的控制下进行工作，在实际中，可根据具体情况进行设计，如显示不同的颜色的指示灯等。可以理解的，实际中的从站还要在相应的责任主站的控制下实现相应的功能。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信系统，其特征在于，包括：

至少两个主站以及一个或多个从站，所述主站和所述从站顺次连接构成EtherCAT直线网络或环形网路；所述主站在不同的连接方式下具备两种不同的电路结构，分别对应于责任主站和监听主站；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与所述从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站用于监听并收集网络的数据信息；

在系统正常运行时，只有一个所述主站为所述责任主站，其余所述主站为所述监听主站；

所述责任主站是通过基于时间槽机制的竞争过程竞争选择出的，在确定了所述责任主站后其余的主站为所述监听主站；

若所述监听主站在预设时间阈值内未接收到任何信号，则判定所述责任主站故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主站包括FPGA芯片、ET1100芯片、phy芯片、MCU芯片及RJ45接口；

其中，所述MCU芯片设置在所述FPGA芯片内部或独立设置；

所述FPGA芯片包括选择器，在所述选择器选择第一通路时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述MCU芯片，此时所述主站为责任主站；在所述选择器选择第二通路时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述ET1100芯片，此时所述主站为监听主站；

其中，所述ET1100芯片和所述MCU芯片通过SPI实现通信。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主站包括MCU芯片、ET1100芯片、phy芯片、继电器驱动器、两个信号继电器及RJ45接口；

所述MCU芯片用于通过所述继电器驱动器驱动所述两个信号继电器动作；

所述两个信号继电器处于第一连接方式时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述MCU芯片，此时所述主站为责任主站；所述两个信号继电器处于第二连接方式时，RJ45接口处的网络信号通过所述phy芯片连接至所述ET1100芯片，此时所述主站为监听主站；

其中，所述ET1100芯片和所述MCU芯片通过SPI实现通信。

4.基于权利要求1～3任一所述系统的一种基于冷冗余机制的EtherCAT通信方法，其特征在于，包括：

系统上电初始化；

竞争责任主站流程：处于EtherCAT直线网络或环形网络中的主站通过预设的竞争算法确定责任主站；所述责任主站确定后，其余主站成为监听主站；

所述竞争责任主站流程具体包括：

根据预设的时间槽的长度，令所述主站按照预设的顺序分别在相应的时间槽中申明自身是责任主站，最后进行申明的所述主站自动成为所述责任主站，其余主站则自动成为所述监听主站；

在所述责任主站的控制下，系统正常运行；所述责任主站用于进行数据收集和系统监控、与从站和所述监听主站通信，行使EtherCAT网络主站的功能；所述监听主站负责监听并收集网络的数据信息；

若所述监听主站在预设时间阈值内未接收到任何信号，则判定所述责任主站故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于EtherCAT故障管理机制，所述责任主站根据连接网络信号的两个PHY芯片的数据连接信号和数据有效信息的状态判断自身是否发生故障；若判断获知自身发生故障，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述责任主站按照预设的频率发送查询信息帧给所述监听主站，所述查询信息帧包括时间信息，以供所述监听主站进行时间同步；并根据所述监听主站是否回复确认信息以判别所述监听主站是否在线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述责任主站发送给所述监听主站的报文中包括网络上各设备的状态信息及网络的控制信息，供所述监听主站进行存储以在竞争成为责任主站时继续上一责任主站的控制流程。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

任何主站加入网络时，均需首先监听网络信息，若在预设的时间间隔内未收到任何信息，则再次启动所述竞争责任主站流程，重新确定所述责任主站。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述竞争责任主站流程和所述发送查询信息帧采用Protobuf嵌入UDP/IP中的数据域结构进行通信；系统正常运行中，采用EtherCAT嵌入UDP/IP中的数据域结构进行通信。

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