CN111262796A - 一种基于时间敏感型的以太网通信系统及通信方法 - Google Patents

一种基于时间敏感型的以太网通信系统及通信方法 Download PDF

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CN111262796A CN201911403430.7A CN201911403430A CN111262796A CN 111262796 A CN111262796 A CN 111262796A CN 201911403430 A CN201911403430 A CN 201911403430A CN 111262796 A CN111262796 A CN 111262796A
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Abstract

本发明公开了一种基于时间敏感型的以太网通信系统及通信方法，涉及以太网通信领域，通过设置包括外部事件采集转换模块、ADC数据采集模块、可配置电路模块，物理层与数据链路层模块以及网络层及PC模块的通信系统，通过接收前端外部事件采集转换获得的数据，并通过ADC与FPGA的分析、运算、转换、封装成UDP数据通过数据链路层传输给网络层各部件进行处理显示成供相关人员所需的数据；本发明以TSE的时间分割方式作为通信机制的，可以解决如与OPC、UA结合实现单一网络解决复杂性的问题，支持时间敏感的控制流量和非时间敏感的标准以太网流量的共存传输，并能保证控制流量的低时延、低抖动的传输要求。

Description

一种基于时间敏感型的以太网通信系统及通信方法
技术领域
本发明涉及以太网通信领域，具体涉及一种基于时间敏感型的以太网通信系统及通信方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，通信主体不再仅限于人与人或人与物，以物与物为实体的通信业务日趋增加。面对通信主体的演进，各业务对时间的敏感程度也愈加严格，实时以太网的概念应运而生，在此概念范围内的应用场景都将确定性时延作为基本需求，如工厂自动化控制、自动驾驶和电力自动化等领域。
TSE(Time Sensitive Network-Ethernet，即时间敏感型以太网，以下简称TSE)是一组可以增强网络能力以加速完成以太网特定服务的标准。TSE处理数据高速通道即一个Talker可以在一定时间间隔内向一个或多个Listener发送特定数量的数据。这提供了一组网络中的特权通道。将单个TSE接口的多个通道连接多个EtherCAT(Ethernet ControlAutomation Technology,以太网控制自动化技术,以下简称EtherCAT)网段。这提高了配置EtherCAT主站上有限的以太网接口的可扩展性。TSE支持多台机器的同步运行–因此显著提高了交互的质量。它为复杂的机械设计提供了很多选项，仅需少量TSE即可满足这类应用需求。有助于协调通信，它会消除一些不必要的冲突，但不会改变基本规则。TSE的两个主要性能缺陷是无法改变的，即针对小数据量的以太网帧处理效率以及复杂且耗时的转发进程。
现有技术中，以太网通信主要是使用的工业以太网，虽然传统二层网络已经引入了优先级机制，三层网络也已内置了服务质量(Quality of service，以下简称QoS)机制，但实时流量和传统TCP流量的资源竞争导致时延和抖动过多，致使传统的以太网不能满足实时数据的传输需求。对于传统的工业网络，不同的总线有不同的物理接口、传输机制、对象字典等，如果想要将相关的工业设备连接到以太网，需要根据不同的底层设备来编写接口和应用层配置工具，这些工作的复杂性和任务量会消耗大量的人力物力，大大增加生产成本。工业界和信息技术的发展，产生了远程系统管理和维护、工业大数据分析的数据收集和各机器之间的协作等现实需求，这就使得工业网络和标准以太网的融合变得刻不容缓，但是传统以太网并不能满足工业领域对网络时延和抖动的要求。
在传统以太网交换中，如果一个交换机已经开始在其一个端口上传输以太网帧，即使是最高优先级的帧也必须在交换机的缓冲区内等待正在传输的帧传输完成。由于这种以太网交换机内的缓冲效应，端到端传递时延的非确定性是无法避免的。
现有技术中，TSN(Time Sensitive Network，即时间敏感型网络，以下简称TSN)规范尚未完成,仍停留在软件层面，只是一个基本的通信标准，且不提供应用层。因此，TSE能很好地应用于广义通信中，但它不是专用的现场总线技术。与TSE相结合的高效现场总线才是两种通信世界的最佳选择。TSE的真正优势在于增强了包括很多机器在内的本地网络的性能。它未来的发展必然会降低当前机器到机器网络器件的复杂性。这将需要一个通用的协议基础架构和网络控制系统，并且两者都需要可以在机器层进行有效处理器件。
发明内容
为解决现有技术问题，本发明通过设置包括外部事件采集转换模块、ADC数据采集模块、可配置电路模块，物理层与数据链路层模块以及网络层及PC模块的通信系统，通过接收前端外部事件采集转换获得的数据，并通过ADC与FPGA的分析、运算、转换、封装成UDP数据通过数据链路层传输给网络层各部件进行处理显示成供相关人员所需的数据。
本发明的通信系统的时间敏感型以太网是以标准以太网为网络基础、提供确定性信息传输的标准化技术，通过时间感知的调度机制最小化抖动，并为时间敏感应用提供可靠的数据传输保障。确保信息能够在一个确定的、可预测的时间范围内完成源目的节点之间的传输，保证时间敏感数据流和非时间敏感数据流可以混合传输。
本发明的目的之一是提供一种基于时间敏感型的以太网通信系统，包括外部事件采集转换模块、ADC数据采集模块、可配置电路模块、物理层与数据链路层模块、网络层与PC模块，所述外部事件采集转换模块、所述ADC数据采集模块、所述可配置电路模块所述物理层与数据链路层模块、所述网络层与PC模块依次电连接；
所述外部事件采集转换模块用于采集转换外部环境信息为模拟电平信号；
所述ADC数据采集模块将获取的闪烁脉冲数据进行运算放大处理，然后将其模拟信号进行进行采样、模数转换并输出给所述可配置电路模块；
所述可配置电路模块采集全局时钟信号并将数字化采样的数据与原始闪烁脉冲数据进行甄别、测量得出时间、位置、能量信息发送给所述物理层及数据链路层模块；
所述物理层与数据链路层模块将接收到的位置、能量、时间信息进行帧处理并打包成UDP数据传输给所述网络层及PC模块，并进行时间同步和调度与流量整形；
所述外部事件采集转换模块、所述ADC数据采集模块、所述可配置电路模块以及所述物理层与数据链路层模块共同组成一个BDM(基本探测器单元)；
所述网络层及PC模块将所有所述BDM的数据进行归总、提取分析再根据基于泊松分布的MLEM算法进行重建并进行可视化处理。
进一步的方案是，所述外部事件采集转换模块包括外部事件传感器和模拟事件转换器；所述外部事件传感器用于传感采集外部信息；所述外部信息包括γ射线、图像以及GPS坐标信息；所述模拟事件转换器用于将采集的外部信息转换为模拟电平信号。
进一步的方案是，所述ADC数据采集模块包括模拟信号采样模块、运算放大器以及模数转换器：
所述模拟信号采样模块将闪烁脉冲信号进行运算采样提取能量信息；所述运算放大器将所述闪烁脉冲信号进行运算放大；所述模数转换器将获取的模拟信号进行模数转换。
进一步的方案是，所述可配置电路模块包括SQL处理模块、FPGA电路模块以及外部时钟模块：
所述SQL处理模块对光电倍增管模块输出的打拿极信号进行基于MVT方法的数字化采样，并将采样数据发送至所述FPGA模块；所述外部时钟模块给n个BDM的FPGA模块提供统一的全局时钟，为分布式网络的各BDM达到的时间同步服务；
所述FPGA电路模块在主时钟源下，计算每个逻辑脉冲上升沿的时间值，并对MVT传来的采样信息进行处理测量时间间隔得到闪烁脉冲时间信息，接收来自ADC板的采样数据，并从中获取闪烁脉冲位置信息和能量信息，并通过以太网将闪烁脉冲时间信息、闪烁脉冲位置信息和能量信息发送给所述数据链路层与物理层。
进一步的方案是，所述物理层与数据链路层模块还包括帧生成模块、时间同步模块以及调度与流量整形模块：
所述帧生成模块处理数据的调度、以太网数据帧的封装与分组任务；
所述时间同步模块对各BDM数据传输至交换机接收方经过的每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，经过本地计算得到时间偏差E后，可通过修改所有本地从时钟进行时间同步；
所述调度与流量整形模块将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存。
进一步的方案是，所述的网络层与PC模块包括三层交换机模块、上位机模块以及工控机：
所述三层交换机模块对时间敏感数据流帧和普通数据流帧进行分类处理，并将时间敏感数据流帧的优先级设置为最高，将不同层级、控制策略和应用类型的BDM整合在一个以太网系统中；
所述上位机模块对各个BDM进行编号、烧写配置程序以及实时显示各个BDM所获取的UDP帧信息与位置谱、时间谱图；
所述工控机对下辖所有BDM进行调试、控制，并将个交换机、服务器处获得的众多BDM的数据进行软件分析运算并按照基于泊松模型的MLEM算法进行可视化成像，并对获取的数据进行存储。
本发明目的之二是提供一种所述的基于时间敏感型的以太网通信系统的通信方法，其步骤如下：
S1：打开外部全局时钟同时，在所需要采集外部信息充足的环境下打开外部事件采集转换器如γ射线、图像、GPS坐标等信息采集转换这些外部环境信息为模拟电平信号；
S2：BDM基本探测单元的ADC模块将模拟信号进行预处理、放大并进行采样及模数转换以供后方处理，可配置电路接收时钟信息和数字信号进行甄别、运算提取出相应的位置信息、能量信息和时间信息等传输给物理层；
S3：物理层芯片将这些信息封装成数据帧并通过数据链路层传输至接收方，各BDM数据传输至交换机接收方需要经过若干节点，每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，通过PTP协议的时延响应机制报文收发进行时间同步；
S4：同时用于将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存，并传输到网络层的拓扑结构中；
S5：上位机将接收的所有交换机数据进行提取分析并传输给工控机，工控机根据基于泊松分布的MLEM算法将这些数据进行重建并进行可视化处理。
进一步的方案是，S3中所述的时间同步的具体操作步骤如下：
a：主时钟周期性地发送sync报文，并根据主时钟记录下精确发送时间T1，从时钟在接收到sync报文时记录到达时间T2；
b：PTP通过两步同步机制来让从时钟获取到T1的值即：sync报文中不包含时间戳信息，而是通过后继发送的follow-up把T1的值传送给从时钟。两步同步机制具有较高的兼容性，在不支持给报文打时间戳的设备之间也可以正常使用；
c：从时钟发送delay-req报文，并记录发送时间T3，主时钟记录下delay-req报文的到达时间T4，然后把该时间信息通过delay-resp报文发送给从时钟；
d：从时钟就获得到了T1～T44个精确的收发时间。假设传播路径一致，即两次的传播时延相等，则在此同步过程中满足：
T2＝T1+TDelay+E1
T4＝T3+TDelay-E2
其中，E是从主时钟的偏差，TDelay是两节点之间的传播时延。根据式1和式2可得TDelay和E分别为：
Figure BDA0002348010210000051
从时钟经过本地计算得到时间偏差E后，即可以通过修改本地时钟进行时间同步。
本发明的有益效果：
通过设置包括外部事件采集转换模块、ADC数据采集模块、可配置电路模块，物理层与数据链路层模块以及网络层及PC模块的通信系统，通过接收前端外部事件采集转换获得的数据，并通过ADC与FPGA的分析、运算、转换、封装成UDP数据通过数据链路层传输给网络层各部件进行处理显示成供相关人员所需的数据；
基于以太网的CC-Link工业网络通讯技术，能够达到1Gbps的传输速率和带宽容量；采用时间敏感机制，能够在网络通讯中保证数据传输的实时性、确定性；数据链路层采用独立于产品供应商的第三方协议标准，有着未来与其它工业以太网兼容互操作的技术基础。
附图说明
图1为本发明实施例1一种基于时间敏感型的以太网通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1一种基于时间敏感型的以太网通信系统的拓扑网络图；
图3为本发明实施例1中UDP数据格式；
图4为本发明实施例1中的TSN数据帧的示意图；
图5为本发明实施例2一种基于时间敏感型的以太网通信系统的通信方法流程图；
图6为本发明实施例2中的时延响应机制报文收发流程图；
附图标注：100-外部事件采集转换模块；110-外部事件传感器；120-模拟事件转换器；200-ADC数据采集模块；210-模拟信号采样模块；220-运算放大器；230-模数转换器；300-可配置电路模块；310-QL处理模块；320-外部时钟模块；330-FPGA电路模块；400-物理层与数据链路层模块；410-帧生成模块；420-时间同步模块；430-调度与流量整形模块；500-网络层与PC模块；510-三层交换机模块；520-上位机模块；530-工控机。
具体实施方式
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。
实施例1：一种基于时间敏感型的以太网通信系统
如图1所示，本发明的一个实施例1公开了一种基于时间敏感型的以太网通信系统，包括外部事件采集转换模块100、ADC数据采集模块200、可配置电路模块300、物理层与数据链路层模块400、网络层与PC模块500，外部事件采集转换模块100、ADC数据采集模块200、可配置电路模块300、物理层与数据链路层模块400、网络层与PC模块500依次电连接；外部事件采集转换模块100用于采集转换外部环境信息为模拟电平信号；ADC数据采集模块200将获取的闪烁脉冲数据进行运算放大处理，然后将其模拟信号进行进行采样、模数转换并输出给可配置电路模块300；可配置电路模块300采集全局时钟信号并将数字化采样的数据与原始闪烁脉冲数据进行甄别、测量得出时间、位置、能量信息发送给物理层及数据链路层模块400；物理层与数据链路层模块400将接收到的位置、能量、时间信息进行帧处理并打包成UDP数据传输给网络层及PC模块500，并进行时间同步和调度与流量整形；外部事件采集转换模块100、ADC数据采集模块200、可配置电路模块300以及物理层与数据链路层模块400共同组成一个BDM(基本探测器单元)；网络层及PC模块500将所有BDM的数据进行归总、提取分析再根据基于泊松分布的MLEM算法进行重建并进行可视化处理。
在本实施例1中，外部事件采集转换模块100包括外部事件传感器110和模拟事件转换器120；外部事件传感器110用于传感采集外部信息；外部信息包括γ射线、图像以及GPS坐标信息；模拟事件转换器120用于将采集的外部信息转换为模拟电平信号。
在本实施例1中，ADC数据采集模块200包括模拟信号采样模块210、运算放大器220以及模数转换器230：模拟信号采样模块210将闪烁脉冲信号进行运算采样提取能量信息；运算放大器220将闪烁脉冲信号进行运算放大；模数转换器230将获取的模拟信号进行模数转换。
在本实施例1中，可配置电路模块包括SQL处理模块310、FPGA电路模块330以及外部时钟模块320：SQL处理模块310对光电倍增管模块输出的打拿极信号进行基于MVT方法的数字化采样，并将采样数据发送至FPGA模块330；外部时钟模块320给n个BDM的FPGA模块提供统一的全局时钟，为分布式网络的各BDM达到的时间同步服务；FPGA电路模块330在主时钟源下，计算每个逻辑脉冲上升沿的时间值，并对MVT传来的采样信息进行处理测量时间间隔得到闪烁脉冲时间信息，接收来自ADC板的采样数据，并从中获取闪烁脉冲位置信息和能量信息，并通过以太网将闪烁脉冲时间信息、闪烁脉冲位置信息和能量信息发送给数据链路层与物理层400。
在本实施例1中，物理层与数据链路层模块400还包括帧生成模块410、时间同步模块420以及调度与流量整形模块430：帧生成模块410处理数据的调度、以太网数据帧的封装与分组任务；时间同步模块420对各BDM数据传输至交换机接收方经过的每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，经过本地计算得到时间偏差E后，可通过修改所有本地从时钟进行时间同步；调度与流量整形模块430将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存。
在本实施例1中，网络层与PC模块500包括三层交换机模块510、上位机模块520以及工控机530：三层交换机模块510对时间敏感数据流帧和普通数据流帧进行分类处理，并将时间敏感数据流帧的优先级设置为最高，将不同层级、控制策略和应用类型的BDM整合在一个以太网系统中；上位机模块520对各个BDM进行编号、烧写配置程序以及实时显示各个BDM所获取的UDP帧信息与位置谱、时间谱图；工控机530对下辖所有BDM进行调试、控制，并将个交换机、服务器处获得的众多BDM的数据进行软件分析运算并按照基于泊松模型的MLEM算法进行可视化成像，并对获取的数据进行存储。
如图2所示，本发明的一种基于时间敏感型的以太网通通信中系统中，外部事件采集转换模块，ADC数据采集模块、可配置电路模块以及物理层与数据链路层模块共同构成了一个BDM，本通信系统含有对个BDM，分别为BDM1，BDM2，…，BDMn，BDM1，BDM2，…，BDMn与三级交互机构成线型网络或者环形网络，时间敏感网络包括基于上位机或IPC的标准以太网逻辑控制器，工控机拓扑网络。其中交换机拓扑网络包括TSE(时间敏感型以太网)工控机1，TSE工控机2…，TSE工控机n，并且n个工控机根据实际情况连接成线型拓扑或者星型拓扑。其中基于上位机或IPC的标准以太网逻辑控制器通过网线与工控机拓扑网络连接，工控机拓扑网络通过网线与三级交换机连接，具体通信步骤为：
步骤1：在基于上位机或IPC的标准以太网逻辑控制器(如FPGA电路)上完成实时以太网数据帧组包和解析模块的开发；
步骤2：根据非标准实时以太网实时收发机制，配置三级交换机的通信方式及通信周期；
步骤3：基于上位机或IPC的标准以太网逻辑控制器将实时以太网当前通信周期的完整控制数据帧作为有效数据嵌入到TSE数据帧中，并按时下发；
步骤4：TSE数据帧在TSE网络中按照TSN(时间敏感型网络)的通信机制进行传播，到达三级交换机处。
步骤5：三级交换机完成TSN数据帧的接收和解析，将非标准实时以太网本周期的的完整数据帧，按照事先配置的通信方式和通信周期发送给非标准实时以太网的BDM；
步骤6：BDM设备将返回数据帧发送给三级交换机；
步骤7：三级交换机将完整返回数据帧嵌入TSE数据帧中，及时上传至基于上位机或IPC的标准以太网逻辑控制器。
步骤8：重复步骤3-步骤7，直到TSE以太网周期通信结束。
在读取TSE数据之前，需要明确UDP帧数据文件的格式，同时需要准确得知从探测器发出的UDP包中的数据信息存放的字节数以及位置顺序。以UDP-Receiver(实验室采集处理以太网数据的软件)软件保存的数据格式为例。
如图3所示，一帧UDP数据一共16字节(Bytes)，前两个字节后两个字节都是填充的FF；从第2个字节到第8个字节共56位用来存放时间信息；第9个字节和第10个字节分别存放探测器二维坐标的X和Y方向的信息；第11个字节到第12个字节共16位用来存放能量信息；第13个字节共8位用于通道编号。若要获得时间信息和位置信息，就需要把UDP包数据帧拆分，分别提取其中的信息。具体格式如图4所示。对于使用Wireshark捕捉到的UDP数据，输出数据文件不是简单UDP帧数据，而是包含了UDP首部、IP首部、以太网帧首部和Wireshark自带的记录数据。
本实施例1的一种基于时间敏感型的以太网通信系统也可用于PET(PositronEmission Computed Tomography，即正电子发射型计算机断层显像，以下简称PET)探测器领域，外部事件采集转换模块100使用γ射线感应探测器，其结构上包含LSO闪烁晶体阵列、SiPM光电转换阵列。其运作方式为，LSO闪烁晶体阵列用于吸收γ光子被阻挡产生的沉积能量并被激发到高能级，并以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地形成闪烁光子，SiPM光电转换阵列以一定的概率(取决于光敏器件的光探测效率(Photon DetectionEfficiency,PDE)探测闪烁光子完成光电转换过程并最终形成输出闪烁脉冲信号。随后，ADC数据采集模块200、可配置电路模块300，物理层与数据链路层模块400、网络层模块500与发明内容中结构一致。在上位机处理完成后通过按照基于泊松模型的MLEM算法的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，同时记录下同步的时间信息，并进行可视化成像。
本发明实施例1一种基于时间敏感型的以太网通信系统的TSE兼顾了网络通讯在大容量、高带宽和实时确定性方面的需求。且该系统以TSE的时间分割方式作为通信机制的，可以解决如与OPC(object linking and embedding(OLE)for process control，用于过程控制的对象连接与嵌入)、UA(unified architecture，统一架构)结合实现单一网络解决复杂性的问题，支持时间敏感的控制流量和非时间敏感的标准以太网流量的共存传输，并能保证控制流量的低时延、低抖动的传输要求。
实施例2：一种基于时间敏感型的以太网通信系统的通信方法
如图5所示，本发明的实施例2基于实施例1一种基于时间敏感型的以太网通信系统公开了一种通信方法，其步骤如下：
S1：打开外部全局时钟同时，在所需要采集外部信息充足的环境下打开外部事件采集转换器(如γ射线、图像、GPS坐标等信息)采集转换这些外部环境信息为模拟电平信号；
S2：BDM基本探测单元的ADC模块将模拟信号进行预处理、放大并进行采样及模数转换以供后方处理，可配置电路接收时钟信息和数字信号进行甄别、运算提取出相应的位置信息、能量信息和时间信息等传输给物理层；
S3：物理层芯片将这些信息封装成数据帧并通过数据链路层传输至接收方，各BDM数据传输至交换机接收方需要经过若干节点，每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，通过PTP协议的时延响应机制报文收发进行时间同步；
S4：同时用于将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存，并传输到网络层的拓扑结构中；
S5：上位机将接收的所有交换机数据进行提取分析并传输给工控机，工控机根据基于泊松分布的MLEM算法将这些数据进行重建并进行可视化处理。
在本实施例2中，本通信系统中使用精确时间协议(precise time protocol，PTP)，该协议基于IEEE 1588V2产生。IEEE1588为网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，又称IEEE 802.1AS广义精准时间同步协议，主要用于以太网和分布式网络的各节点的时钟同步。
PTP协议主要将报文分成事件报文和通用报文，其中事件报文在收发时需要记录精确时间戳，如同步报文(sync)和时延请求报文(delay_req)，通用报文在收发时不需要记录精确时间戳，如跟随报文(follow_up)和时延请求响应报文(delay_resp)。此协议提出的时延响应机制报文收发流程如图6所示。
S3中所述的时间同步的操作步骤如下：
a：主时钟周期性地发送sync报文，并根据主时钟记录下精确发送时间T1，从时钟在接收到sync报文时记录到达时间T2；
b：PTP通过两步同步机制来让从时钟获取到T1的值即：sync报文中不包含时间戳信息，而是通过后继发送的follow-up把T1的值传送给从时钟。两步同步机制具有较高的兼容性，在不支持给报文打时间戳的设备之间也可以正常使用；
c：从时钟发送delay-req报文，并记录发送时间T3，主时钟记录下delay-req报文的到达时间T4，然后把该时间信息通过delay-resp报文发送给从时钟；
d：从时钟就获得到了T1～T44个精确的收发时间。假设传播路径一致，即两次的传播时延相等，则在此同步过程中满足：
T2＝T1+TDelay+E (1)
T4＝T3+TDelay-E (2)
其中，E是从主时钟的偏差，TDelay是两节点之间的传播时延。根据式(1)和式(2)可得TDelay和E分别为：
Figure BDA0002348010210000111
从时钟经过本地计算得到时间偏差E后，即可以通过修改本地时钟进行时间同步。
最后说明的是，以上仅对本发明具体实施例进行详细描述说明。但本发明并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
包括外部事件采集转换模块(100)、ADC数据采集模块(200)、可配置电路模块(300)、物理层与数据链路层模块(400)、网络层与PC模块(500)，所述外部事件采集转换模块(100)、所述ADC数据采集模块(200)、所述可配置电路模块(300)、所述物理层与数据链路层模块(400)、所述网络层与PC模块(500)依次电连接；
所述外部事件采集转换模块(100)用于采集转换外部环境信息为模拟电平信号；
所述ADC数据采集模块(200)将获取的闪烁脉冲数据进行运算放大处理，然后将其模拟信号进行进行采样、模数转换并输出给所述可配置电路模块(300)；
所述可配置电路模块(300)采集全局时钟信号并将数字化采样的数据与原始闪烁脉冲数据进行甄别、测量得出时间、位置、能量信息发送给所述物理层及数据链路层模块(400)；
所述物理层与数据链路层模块(400)将接收到的位置、能量、时间信息进行帧处理并打包成UDP数据传输给所述网络层及PC模块(500)，并进行时间同步和调度与流量整形；
所述外部事件采集转换模块(100)、所述ADC数据采集模块(200)、所述可配置电路模块(300)以及所述物理层与数据链路层模块(400)共同组成一个BDM(基本探测器单元)；
所述网络层及PC模块(500)将所有所述BDM的数据进行归总、提取分析再根据基于泊松分布的MLEM算法进行重建并进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
所述外部事件采集转换模块(100)包括外部事件传感器(110)和模拟事件转换器(120)；所述外部事件传感器(110)用于传感采集外部信息；所述外部信息包括γ射线、图像以及GPS坐标信息；所述模拟事件转换器(120)用于将采集的外部信息转换为模拟电平信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
所述ADC数据采集模块(200)包括模拟信号采样模块(210)、运算放大器(220)以及模数转换器(230)：
所述模拟信号采样模块(210)将闪烁脉冲信号进行运算采样提取能量信息；所述运算放大器(220)将所述闪烁脉冲信号进行运算放大；所述模数转换器(230)将获取的模拟信号进行模数转换。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
所述可配置电路模块包括SQL处理模块(310)、FPGA电路模块(330)以及外部时钟模块(320)：
所述SQL处理模块(310)对光电倍增管模块输出的打拿极信号进行基于MVT方法的数字化采样，并将采样数据发送至所述FPGA模块(330)；所述外部时钟模块(320)给n个BDM的FPGA模块提供统一的全局时钟，为分布式网络的各BDM达到的时间同步服务；
所述FPGA电路模块(330)在主时钟源下，计算每个逻辑脉冲上升沿的时间值，并对MVT传来的采样信息进行处理测量时间间隔得到闪烁脉冲时间信息，接收来自ADC板的采样数据，并从中获取闪烁脉冲位置信息和能量信息，并通过以太网将闪烁脉冲时间信息、闪烁脉冲位置信息和能量信息发送给所述数据链路层与物理层(400)。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
所述物理层与数据链路层模块(400)还包括帧生成模块(410)、时间同步模块(420)以及调度与流量整形模块(430)：
所述帧生成模块(410)处理数据的调度、以太网数据帧的封装与分组任务；
所述时间同步模块(420)对各BDM数据传输至交换机接收方经过的每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，经过本地计算得到时间偏差E后，可通过修改所有本地从时钟进行时间同步；
所述调度与流量整形模块(430)将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存。
6.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感型的以太网通信系统，其特征在于：
所述网络层与PC模块(500)包括三层交换机模块(510)、上位机模块(520)以及工控机(530)：
所述三层交换机模块(510)对时间敏感数据流帧和普通数据流帧进行分类处理，并将时间敏感数据流帧的优先级设置为最高，将不同层级、控制策略和应用类型的BDM整合在一个以太网系统中；
所述上位机模块(520)对各个BDM进行编号、烧写配置程序以及实时显示各个BDM所获取的UDP(用户数据报协议)帧信息与位置谱、时间谱图；
所述工控机(530)对下辖所有BDM进行调试、控制，并将个交换机、服务器处获得的众多BDM的数据进行软件分析运算并按照基于泊松模型的MLEM算法进行可视化成像，并对获取的数据进行存储。
7.一种适用于权利要求1-6任一所述的基于时间敏感型的以太网通信系统的通信方法，其特征在于：其步骤如下：
S1：打开外部全局时钟同时，在所需要采集外部信息充足的环境下打开外部事件采集转换器(如γ射线、图像、GPS坐标等信息)采集转换这些外部环境信息为模拟电平信号；
S2：BDM基本探测单元的ADC模块将模拟信号进行预处理、放大并进行采样及模数转换以供后方处理，可配置电路接收时钟信息和数字信号进行甄别、运算提取出相应的位置信息、能量信息和时间信息等传输给物理层；
S3：物理层芯片将这些信息封装成数据帧并通过数据链路层传输至接收方，各BDM数据传输至交换机接收方需要经过若干节点，每个节点都根据分布式时钟进行时间同步计算，通过队列处理数据的优先级，通过PTP协议的时延响应机制报文收发进行时间同步；
S4：同时用于将各个BDM不同类别的流量对网络调度和流量整形，使得不同类别的流量在同一网络上得以共存，并传输到网络层的拓扑结构中；
S5：上位机将接收的所有交换机数据进行提取分析并传输给工控机，工控机根据基于泊松分布的MLEM算法将这些数据进行重建并进行可视化处理。
8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于：
S3中所述的时间同步的具体操作步骤如下：
a：主时钟周期性地发送sync报文，并根据主时钟记录下精确发送时间T1，从时钟在接收到sync报文时记录到达时间T2；
b：PTP通过两步同步机制来让从时钟获取到T1的值即：sync报文中不包含时间戳信息，而是通过后继发送的follow-up把T1的值传送给从时钟。两步同步机制具有较高的兼容性，在不支持给报文打时间戳的设备之间也可以正常使用；
c：从时钟发送delay-req报文，并记录发送时间T3，主时钟记录下delay-req报文的到达时间T4，然后把该时间信息通过delay-resp报文发送给从时钟；
d：从时钟就获得到了T1～T44个精确的收发时间。假设传播路径一致，即两次的传播时延相等，则在此同步过程中满足：
T2＝T1+TDelay+E (1)
T4＝T3+TDelay-E (2)
其中，E是从主时钟的偏差，TDelay是两节点之间的传播时延。根据式(1)和式(2)可得TDelay和E分别为：
Figure FDA0002348010200000041
从时钟经过本地计算得到时间偏差E后，即可以通过修改本地时钟进行时间同步。
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