CN111988369B - 智能控制器及传感器网络总线、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制和操作自动化机器的机器自动化系统。该系统包括为广播传输方案实现动态的控制器及传感器总线，该控制器及传感器总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，其中，消息从节点突发到中央处理内核并从中央处理内核广播到所有节点。

Description

智能控制器及传感器网络总线、系统和方法

技术领域

本发明涉及总线领域。更具体地，本发明涉及控制器及传感器网络总线架构。

背景技术

随着自动驾驶汽车、智能机器人和工厂自动化的发展，机器自动化领域正迅速扩张。然而，由于其多样化和高速化需求，目前没有总线或网络架构能够有效满足这些新兴技术的所有要求。相反，当前的网络延时高，带宽低，布线复杂，电磁干扰(EMI)大，成本高，数据不安全且系统集成复杂。例如，网络没有足够的速度和处理量来将传感器数据——如摄像机和激光雷达(LIDAR)数据——通过网络携载至CPU内核。此外，现有的线缆系统是复杂、短程的，并且由于使用铜缆布线系统而无法在没有昂贵屏蔽件的情况下应对EMI。目前没有多功能一体的“控制器及传感器网络”系统总线解决方案，以能够遍及系统从边缘节点到边缘节点支持并携载因特网L2/L3以太网数据包、电机与运动控制信息、传感器数据和CPU命令(CPU-CMD)。

发明内容

本发明提供一种用于控制和操作自动化机器的机器自动化系统。该系统包括控制器及传感器总线，该控制器及传感器总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，用于为广播传输方案实现动态突发(burst)，其中，消息从节点突发到中央处理内核、并从中央处理内核广播到所有节点。

本发明的第一方面涉及一种用于控制和操作自动化机器的机器自动化系统。所述系统包括：控制器及传感器总线、以及多个外部机器自动化设备。所述控制器及传感器总线包括多个输入/输出端口，并且为广播传输方案实现动态突发。所述多个外部机器自动化设备通过总线的端口可操作地联接在一起。其中，总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括：一个或多个中央传输网络、以及多个子网。所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并由第一类型的传输媒体形成；中央传输网络包括多个节点、一个或多个门。所述多个子网分别与中央传输网络不同门相联接、并且由与第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成；子网包括多个子节点。其中，每个节点和子节点通过一个或多个端口与一个或多个设备联接，并且接收来自与所述一个或多个端口联接的一个或多个设备的输入数据，其中，总线将输入数据作为消息从节点和子节点中继到内核、并从内核中继到与所述消息所针对的设备相关联的一个或多个节点和子节点。

在部分实施例中，总线通过在可变大小的突发窗口中将来自节点和子节点的所有消息突发到内核、以及将每个消息从内核广播到下述各者来中继所述消息：由节点和子节点组成的组中的一个节点，所述一个节点通过中央传输网络和子网中的一者或多者与所述消息所针对的设备相关联；以及由所述消息需要经过才能到达该一个节点的一个或多个子网和中央传输网络内的所有节点和子节点。在部分实施例中，内核基于从节点和子节点中的一者报告的数据流量参数动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将突发窗口开始时间和大小分配给每个节点和子节点。在部分实施例中，每个门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。在部分实施例中，每个门从单个较大消息中省略所述消息的来自所述多个子节点的部分。在部分实施例中，每个门接收被授权与该门联接的子网的每个子节点的突发窗口开始时间和大小，将突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的突发窗口开始时间和大小发送到与门联接的子网的每个子节点。

在部分实施例中，第二类型的传输媒体的延时比第一类型的传输媒体的延时高。在部分实施例中，第一类型的传输媒体是无源光纤，中央传输网络是光网络。在部分实施例中，第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且所述多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

本发明的第二方面涉及一种控制器及传感器总线，用于为广播传输方案实现动态突发，并且该控制器及传感器总线包括用于与机器自动化系统的多个外部机器自动化设备联接的多个输入/输出端口。总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括：一个或多个中央传输网络、以及多个子网。所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并由第一类型的传输媒体形成；中央传输网络包括多个节点、一个或多个门。所述多个子网分别与中央传输网络不同门相联接、并且由与第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成；子网包括多个子节点。其中，每个节点和子节点通过一个或多个端口与一个或多个设备联接，并且接收来自与所述一个或多个端口联接的一个或多个设备的输入数据，其中，总线将输入数据作为消息从节点和子节点中继到内核、并从内核中继到与所述消息所针对的设备相关联的一个或多个节点和子节点。

在部分实施例中，总线通过在可变大小的突发窗口中将来自节点和子节点的所有消息突发到内核、以及将每个消息从内核广播到下述各者来中继所述消息：由节点和子节点组成的组中的一个节点，所述一个节点通过中央传输网络和子网中的一者或多者与所述消息所针对的设备相关联；以及由所述消息需要经过才能到达该一个节点的一个或多个子网和中央传输网络内的所有节点和子节点。在部分实施例中，内核基于从节点和子节点中的一者报告的数据流量参数动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将突发窗口开始时间和大小分配给每个节点和子节点。在部分实施例中，每个门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。在部分实施例中，每个门从单个较大消息中省略所述消息的来自所述多个子节点的部分。在部分实施例中，每个门接收被授权与该门联接的子网的每个子节点的突发窗口开始时间和大小，将突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的突发窗口开始时间和大小发送到与门联接的子网的每个子节点。

在部分实施例中，第二类型的传输媒体的延时比第一类型的传输媒体的延时高。在部分实施例中，第一类型的传输媒体是无源光纤，中央传输网络是光网络。在部分实施例中，第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且所述多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

本发明的第三方面涉及一种控制器及传感器总线的操作方法，用于为广播传输方案实现动态突发，以控制和操作自动化机器。总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括：一个或多个中央传输网络、以及多个子网。所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并由第一类型的传输媒体形成；中央传输网络包括多个节点、一个或多个门。所述多个子网分别与中央传输网络不同门相联接、并且由与第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成；子网包括多个子节点。该方法包括：利用通过所述总线的一个或多个端口与一个或多个设备联接的每个节点和子节点接收来自多个外部机器自动化设备的数据；以及利用总线将输入数据作为消息从节点和子节点中继到内核、并从内核中继到与消息所针对的设备相关联的一个或多个节点和子节点。

在部分实施例中，中继包括将所有消息在可变大小的突发窗口中从节点和子节点突发到内核，以及将每个消息从内核广播到：由节点和子节点组成的组中的一个节点，所述一个节点通过中央传输网络和子网中的一个或多个与所述消息所针对的设备相关联，以及由所述消息需要经过才能到达该一个节点的一个或多个子网和中央传输网络内的所有节点和子节点。在部分实施例中，所述方法还包括：利用内核基于从节点和子节点中的一者报告的数据流量参数动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将突发窗口开始时间和大小分配给每个节点和子节点。在部分实施例中，所述方法还包括：利用每个门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。在部分实施例中，所述方法还包括：利用每个门，从单个较大消息中省略所述消息的来自多个子节点的部分。在部分实施例中，所述方法还包括：利用每个门，接收被授权与门联接的子网的每个子节点的突发窗口开始时间和大小，将突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的突发窗口的开始时间和大小发送到与门联接的子网的每个子节点。

在部分实施例中，第二类型的传输媒体的延时比第一类型的传输媒体的延时高。在部分实施例中，第一类型的传输媒体是无源光纤，中央传输网络是光网络。在部分实施例中，第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。在部分实施例中，自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

附图说明

图1示出了根据部分实施例的机器自动化系统。

图2示出了根据部分实施例的智能控制器及传感器内部网总线。

图3示出了根据部分实施例的智能控制器及传感器内部网总线的树形拓扑。

图4示出了根据部分实施例的配置为实现系统的示例性计算设备的框图。

图5示出了根据部分实施例的包括智能控制器及传感器内部网总线的机器自动化系统的操作方法。

具体实施例

本文描述的实施例涉及用于控制和操作自动化机器的机器自动化系统、方法和设备。所述系统、方法和设备包括控制器及传感器总线，该控制器及传感器总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，用于为广播传输方案实现动态突发。其中，消息从节点突发到中央处理内核、并从中央处理内核广播到所有节点。因此，所述系统、方法和设备尽管结合了低速网络媒体，但是仍具有高速性能的优势；所述系统、方法和设备还提供了包括所有门、节点和根端口的整个内部网系统的一个统一软件映像，从而实现简化的软件架构、较短的产品开发周期、以及更轻松的系统级调试、远程监测和故障排除。特别地，所述系统、方法和设备提供了专门为机器自动化应用定义和优化的独特的内部网系统架构。

图1示出了根据部分实施例的机器自动化系统100。如图1所示，系统100包括一个或多个外部设备102，这些一个或多个外部设备102与智能控制器及传感器内部网总线104可操作地联接在一起。在部分实施例中，系统100可以是自动化设备(诸如自动驾驶车辆的、自动化工业机器或自动化自控机器人)的一部分。可选地，系统100可以是其他机器自动化应用的一部分。设备102可包括传感器设备(例如超声波、红外、摄像机、激光雷达(LIDAR)、声纳(SONAR)、磁、雷达(RADAR))、互联网设备、电机、致动器、灯、显示器(例如屏幕、用户界面)、扬声器、图形处理单元、中央处理单元、存储器(例如固态驱动器、硬盘驱动器)和控制器/微控制器中的一者或多者。每个设备102可通过一个或多个总线输入/输出(IO)端口与总线104可操作地有线连接和/或无线连接(参见图2)。尽管如图1所示，系统100包括离散量的外部设备102和总线104，但是可以设想更多或更少的设备102和/或总线104。

图2示出了根据部分实施例的智能控制器及传感器内部网总线104。如图2所示，总线104包括由中央内核200形成的内部网，该中央内核200通过一个或多个中央传输网络206与一个或多个门202、多个边缘节点204(每个边缘节点204具有一个或多个外部IO端口99)联接，并且通过从门202延伸的一个或多个子网210与一个或多个边缘子节点208(每个边缘子节点208具有一个或多个外部IO端口99)联接。因此，如图3所示，总线104形成网络树拓扑，其中，中央网络206从中央内核200(例如，内核的根端口230)分支到边缘节点204和门202，子网210从门202分支到子节点208和/或子门202’。以这种方式，中央内核200可以查看所有节点204和子节点208(因为门202和子门202’对于中央内核200是透明的)。在部分实施例中，在没有节点的情况下，一个或多个门202直接与IO端口99联接(例如，以与外部CPU、GPU、AI内核和/或固态驱动器(SSD)联接)。

端口99可以是任何类型的接口端口，比如外围组件快速互连(PCIe)、移动工业处理器接口(MIPI)、以太网、通用串行总线(USB)、通用输入输出(GPIO)、通用异步接收器/发送器(UART)、内部集成电路(I²C)和/或其他类型的端口。尽管如图2所示，总线104包括离散量的中央内核200、节点204、208、门202、网络206、210、其他元件和组件，但是可设想更多或更少的中央内核200、节点204、208、门202、网络206、210、其他元件和/或组件。

中央传输网络206可包括连接媒体，与联接到中央传输网络206的门202的子网210的连接媒体相比，中央传输网络206的连接媒体更快/具有更低延时(latency)。类似地，子网210可包括连接媒体，与每个迭代子网联接到子网210的门202’等的子网210’的连接媒体相比，子网210的连接媒体更快/具有更低延时。这种网络/子网连接媒体的速度/延时关系，使得尽管总线104仍包括较慢的连接媒体，但是能够防止整个总线104的处理变慢，如下文详细描述。可选地，子网210、210’和/或中央网络206中的一者或多者可具有相同的或其他的连接媒体速度/延时关系。

在部分实施例中，中央传输网络206的连接媒体包括光纤线缆212，该光纤线缆212使用分光器214(例如，2到1分束器)分束并且具有光收发器216以联接到节点204、208并从节点204、208接收数据。在部分实施例中，子网210的连接媒体包括光纤连接媒体(例如，类似于中央传输网络206的连接媒体，但是可能等级较低)、无线连接(例如，射频收发器218)、铜缆连接(例如，双绞铜线220，双绞铜线220优选地使用模拟分束器222(例如，扇出输出器/多路复用器)进行分束并且具有串行器/解串器(SERDES)224以联接到节点204、208并从节点204、208接收数据)、和/或其组合(例如，混合光纤、铜缆和/或无线连接媒体)。因此，总线104支持多速率流量传输，其中，根据数据/流量/外部设备102的延时/速度、连接性和/或距离要求，能够使用不同的节点/网络以联接到总线104，同时仍提供所需的吞吐量。例如，对于高速、低延时和长距离要求，可以通过联接到节点204来使用中央网络的光连接媒体。否则，可以根据成本、速度、连接性和/或距离要求来使用其他网络210。在部分实施例中，中央网络206是无源光网络，和/或铜缆子网210是有源网络。在部分实施例中，如图2所示，一个或多个节点204联接到控制器局域网(CAN)226，使得各节点从与控制器局域网联接的每个控制器输入数据。可选地，如图3所示，一个或多个子网210可以是通过一个门20与中央内核200联接的CAN。

通用封装方式

总线104可以将所有输入数据封装为通用封装方式(GEM)，以在总线104内部网上传输。因此，GEM充当独特标准化数据和消息容器，用于通过总线104内部网在节点之间传输数据和/或向中央内核200传输数据。因此，输入数据可以在进入总线104时，在每个节点处被封装成GEM格式，并经由中央内核200(在此被解封装以进行处理并被重新封装以进行传输)并到达其目的节点，目的节点将数据解封装为原始格式，以外发到目标外部设备102或其他目的地。该输入数据可以来自于通过节点204、208、234或门202处的端口99输入的各种源(例如，设备102、CAN 226)和/或嵌入式CPU内核232。

GEM格式有两种类型：GEM数据包(packet)和GEM控制(control)。GEM数据包格式包括GEM标头(header)加上GEM净荷(payload)(例如长度为8字节到4千字节)。通常，GEM数据包格式用于在入口(例如节点、端口)处封装输入端口数据、数据包和消息。以下是可以利用GEM数据包格式的IO端口数据、数据包和消息示例中的部分示例：

-使用GEM数据包格式，从本地门202和/或节点204、208携载以太网数据包通过总线104GEM封装后，到远端门202和/或节点204(例如远端门202和/或节点204能够通过以太网端口或PCIe端口用于因特网和Wi-Fi接口)；

-使用GEM数据包格式，从本地门202和/或节点204携载传感器数据通过总线104GEM封装后，到远端门202和/或节点204(例如，CAN总线数据、摄像机(MIPI)帧数据、激光雷达(以太网)数据、电磁编码器数据(ADC)和其他类型的传感器数据；

-使用GEM数据包格式，从本地节点204、208携载巨型数据和数据包通过碎片化和碎片整理方案，到远端节点204、208。这能够包括碎片化、碎片整理和重新排序/重新传输功能；

-使用GEM数据包格式，在中央内核200与节点204、208(和/或门)之间携载网络控制、操作和管理消息，包括物理层操作、管理和维护(PLOAM)、节点管理控制接口(NMCI)和操作、管理和维护(OAM)消息；

-使用GEM数据包格式，从中央内核200和本地门202和/或节点204携载CPU/PCIe访问CMD/DATA通过总线104GEM封装后，到远端本地门202和/或节点204(例如CPU 232通过PCIe、USB、I2C、UART和GPIO接口从节点到节点的访问目标设备102)。

-最后，使用GEM数据包格式，在本地节点204、208和远端节点204、208之间通过总线104用于VPN通道应用。

GEM控制消息格式包括消息和扩展消息(例如长度为8字节+8字节...)。在总线104，可以使用GEM控制消息格式以用于内部网络管理和控制目的，包括动态带宽分配(DBA)报告、DBA授权、GEM接收(RX)确认、GEM流控制、GEM功率管理、GEM侦听、GEM远程消息和/或其他类型的控制消息。如上所述，节点204负责将数据封装为GEM数据包格式和GEM控制消息格式/从GEM数据包格式和GEM控制消息格式解封装数据。该方案可以将PCIe接口协议从点对点拓扑扩展到点对多点拓扑，并将接口距离从短距离扩展到长距离。

因此，GEM格式的益处是使总线104能够将完全不同类型的网络(例如，控制器局域网、光网络、传感器设备广播网络、无线网络、CPU访问网络)的各种输入数据和消息封装为一个独特格式(GEM)。然后，这种独特格式可以有利于突发消息和广播消息的各种数据输入的高速标准化处理和传输，从而实现现代机器自动化应用所需的多网络多设备总线架构的高效运行。

内核

内核200可包括内核交换机228、一个或多个根端口230(内部端口)、中央处理单元232以及具有IO端口99(外部端口)的一个或多个内核节点234。在部分实施例中，内核200还包括安全存储器(例如，安全数字(SD)存储器)节点236，用于将数据存储在黑匣子存储器238中。可选地，可省略SD节点236和/或存储器238。内核节点234使用户能够绕过网络206、210而直接将用户插件模块(例如，CPU内核、WIFI LTE/5G、用户应用软件)联接到内核200。

内核交换机228包括转发引擎元件、排队缓冲区管理器和流量管理器。转发引擎元件可包括多个转发引擎。例如，转发引擎元件可包括用于L2/L3/L4以太网标头解析器、查找和分类/访问控制列表(ACL)功能——包括L2媒体访问控制(MAC)地址学习和转发功能、L3因特网协议(IP)寻址到GEM-ID路由/映射——的一个引擎。另外，一个引擎可用于GEM标头消息解析器、查找、ACL和转发，和/或另一个引擎可用于支持DOS攻击功能，以保护总线104免受外部因特网DOS攻击。GEM排队缓冲区管理器可以是集中式缓冲架构，该集中式缓冲架构使用结合存储转发方案和直通转发方案的基于链列表的缓冲区和排队存储方法。对于延时敏感的GEM数据包和GEM消息，可以使用直通转发方案；而对于拥塞的GEM数据包，可以使用存储转发方案。两种方案可以动态混合在一起，并根据运行时的流量拥塞情况在彼此之间动态切换。GEM流量管理器支持GEM-ID和NODE-ID库的双令牌管制、单令牌限速和输出整形功能，包括相关的管理信息库(MIB)计数器。能够支持GEM-ID库加权随机早期检测(WRED)和尾部丢弃功能，以及早期流量拥塞检测及指示和反馈机制，以通知混合动态带宽分配机制(HDBA)、根端口230、门202和节点204、208、234减慢流量传输，以避免发生流量拥塞。

因此，内核交换机228可以提供进入的功能，交换机228从根端口230、本地节点234、计算机232和/或其他IO端口中的一者或多者接收GEM，处理GEM并外发，将接收到的GEM转发并传输到根端口230、本地节点234、计算机232和/或其他IO端口中的一者或多者。换言之，交换机228能够接收来自多个源的GEM数据包；执行GEM和以太网L2/L3/L4标头解析、L2MAC查找和学习、GEM消息以及5元组ACL和分类；修改GEM标头和GEM净荷以太网标头(如有必要)；并且将GEM数据包存储转发(或直通缓冲存储)到一个或多个混合自动重传请求(HARQ)功能块以及一个或多个根端口230的广播MAC。

在执行该处理和/或转发功能时，交换机228可支持混合存储转发和直通转发方案，以便对于延时敏感的GEM减少传播延时，并为过突发GEM流量提供足够大的缓冲。另外，交换机228可支持总线104内的即时流量控制机制，包括混合动态带宽分配和授权(granting)以确保总线104上的整体服务质量(QoS)。此外，交换机228可支持L2/L3/L4 ACL和分类、L2 MAC寻址学习和转发、L3 IP寻址到GEM-ID路由/映射以及DOS攻击防护。最后，交换机228可支持QoS调度、GEM缓冲WRED/尾部丢弃、节点和/或GEM管制和输出整形功能。

根端口

根端口230可包括根发送MAC、根接收MAC、安全引擎(例如高级加密标准(AES))、前向纠错(FEC)引擎、混合动态带宽分配(HDBA)引擎、激活处理器(例如，激活状态机)和突发模式SERDES IP。可选地，可省略上述元件中的一个或多个。每个根端口230的发送MAC负责：接收交换机228和/或HARQ准备好以外发的GEM；将GEM映射并打包为广播帧格式(例如，广播物理层帧(Broadcast PHY-Frame)结构)；并且将GEM广播到根端口230联接的中央传输网络206中的所有门202和/或节点204(例如通过根SERDES和光/铜缆网络广播域)。相反，每个根端口230的接收MAC负责：从突发模式SERDES和门202和/或节点204、208接收呈突发帧格式(例如，Burst-PHY-Frame结构)的GEM；从突发帧格式中提取GEM，解析GEM的GEM标头，并且接收寻址到GEM标头的GEM(例如，基于GEM标头和系统服务水平协议(SLA)配置文件设置)，然后将GEM/数据输出到交换机228以进行进一步处理和转发。换言之，各根端口230均能够从节点204和/或门202接收突发流量(从门202的子网210中的节点208转发)，将突发流量转换成正确的格式以由交换机228进行处理，然后将输出流量重新格式化并广播(通过门202)到所有节点204和节点208，以到达由交换机228指示的目的端。

混合动态带宽分配(HDBA)引擎负责：接收有关带宽占用、流量拥塞和其他因素的报告(例如，NODE-DBA报告)；基于与每个报告相关联的节点/端口/设备的SLA配置文件、DBA报告数据本身以及约定信息速率(CIR)/峰值信息速率(PIR)反馈以执行HDBA分析；并且向每个节点设备和分配的端口/EPOCH-ID授权突发窗口。换言之，HDBA引擎从(与根端口230相关联的网络206及其子网210的)每个节点204、208和/或关于带宽占用/流量拥塞的其他源输入数据，并且为每个节点204、208动态地分配突发传输窗口开始时间和/或大小。在对子网210内的节点208执行此分配时，向节点208提供访问的门202对于HDBA引擎是透明的。因此，如下文详细描述，门202接收所需数据并在针对子网210的门202的每个节点208的分配窗口内执行突发传输。HDBA引擎还可以将报告确认消息(GEM-Report-ACK消息)发布到节点204、208，以确认已接收到报告消息(GEM-DBA报告)。

根激活状态机负责在节点204、208、234与根端口230之间交换物理层操作、管理和维护(PLOAM)GEM消息，通过激活处理和过程来执行和完成节点204、208、234设备的激活和注册。安全引擎可以是用于接收MAC和发送MAC的AES-128/256加密和解密功能块。可选地，也可以使用其他加密。前向纠错(FEC)引擎用于控制通过不可靠或嘈杂的通信通道进行的数据传输中的错误。在部分实施例中，FEC引擎针对10G和2.5G数据速率分别使用RS(255,216)和RS(225,232)的里德所罗门FEC编码方案。可选地，FEC引擎可以使用用户低密度奇偶校验(LDPC)方案和/或其他FEC算法。突发模式SERDES使用快速时钟和数据恢复(CDR)锁定模式来确保正确接收适当的突发消息(例如，burst-PHY-Frame)。在部分实施例中，在光纤切断(fiber-cut)、快速故障转移(fast fail-over)和保护交换机恢复中需要CDR的快速锁定功能。

最后，在注册过程后，根端口230从节点204、208接收广播数据分发服务(DDS)消息，该消息通知根端口230新的节点/设备已经加入并注册到总线104。因此，根端口230配置为始终侦听并接收来自交换机228和声明加入总线104的新节点204、208的这些数据分发服务(DDS)消息，并且更新根端口(Root-Port)SLA配置文件数据库和设置，以反映新添加的节点/设备。

节点

在总线104内，边缘节点204、208、234提供桥接功能，通过一侧的IO端口99与外部设备102相接，并通过另一侧与总线内部网104相连。为了从联接到节点204、28的端口99的设备102提供数据，节点204、208、234构造并将突发消息(例如封装为GEM的数据的Broadcast-PHY-Frame)经由总线104并通过(其所属的网络206或其子网210的)根端口230发送到其他节点204、208。此外，为了向联接到节点204、28的端口99的设备102提供数据，节点204、208、234通过(其所属的网络206或其子网210的)根端口230从其他节点204、208接收广播消息(例如封装为GEM的数据的Broadcast-PHY-Frame)，从广播消息(例如来自RX BC-PHY-Frame的GEM)提取数据，并且过滤并接收属于(寻址到)节点204、208的数据。

为了执行这些和其他功能，边缘节点204、208可以包括一个或多个IO端口99、封装/解封装引擎、HARQ块和节点MAC。每个端口99可以是CPU接口(例如PCIe、SB和UART)、传感器接口(例如MIPI、模数转换器(ADC)、GPIO)、互联网接口(例如以太网、EtherCAT、和CAN总线)、以及电机模块接口(例如脉冲宽度调制(PWM)、I²C、ADC和GPIO)中的一者。封装/解封装引擎从端口99接收输入数据，并在入口处将从因特网端口(例如以太网、Wi-Fi)、传感器接口、电机模块接口和CPU(例如PCIe和USB)接收的数据包、命令(CMD)和消息封装为GEM格式。接着，节点204、208可以将封装消息(例如，GEM)输出到HARQ和/或节点传输MAC(如下所述)。在出口处，它从节点接收MAC接收GEM数据包(从根端口230和/或另一节点204、208、234接收)，并将GEM解封装回原始数据格式(如从联接设备102接收的数据格式)，以通过一个端口99输出到设备102。类似于根端口230，节点204、208的HARQ执行混合自动请求重发功能，以确保将GEM数据包成功发送到其一个或多个目的节点204、208、234。具体而言，HARQ可以内置有重发计时器、发送GEM列表标志表和接收确认检查功能(例如，GEM接收确认)，以在发生计时器超时而未接收到确认的情况下触发GEM重新传输。

节点MAC包括发送MAC(TX MAC)、接收MAC(RX MAC)、安全引擎(例如，AES)、前向纠错(FEC)引擎、DBA-报告引擎和SERDES IP。TX MAC负责将GEM映射/打包为突发结构(例如，Burst-PHY-Frame结构)，并在用于由根端口230的动态突发分配引擎为该节点授权的节点的突发窗口期间，将突发消息发送到根端口230和/或节点204、208、234。RX MAC负责从根端口230和/或节点204、208、234接收和终止广播消息(例如，Broadcast-PHY-Frame)，从广播消息格式提取GEM，解析并接收基于节点的SLA配置文件设置而寻址到根端口230和/或节点204、208、234(例如，寻址到根端口230和/或节点204、208、234的一个端口99)的GEM，然后将数据输出到封装/解封装引擎。

DBA报告引擎通过突发报告将队列(例如，EPOCH队列)中的总数据包和消息报告给相关联的根端口230的HDBA引擎(如上所述)。另外，DBA报告引擎从相关联的根端口230的HDBA和/或相关联的门202的DBA接收GEM-授权消息，并且准备节点发送MAC以利用存储在队列(例如，EPOCH队列)中的GEM构建突发消息(例如，Burst-PHY-Frame)。

节点激活处理器负责执行并完成节点204、206、234和根端口230之间的节点204、208、234激活处理和过程。安全引擎可以是用于接收MAC和发送MAC两者的AES-128/256加密和解密功能块。可选地，也可以使用其他加密。FEC引擎用于控制通过不可靠或嘈杂的通信通道进行的数据传输中的错误。在部分实施例中，FEC引擎针对10G和2.5G数据速率分别使用RS(255,216)和RS(225,232)的里德所罗门FEC编码方案。突发模式SERDES使用快速时钟和数据恢复(CDR)锁定模式来确保快速光纤切断、快速故障转移和保护交换机恢复。

最终，在激活过程后(例如，在注册过程完成之后)，节点204、206、234可以将DDS消息广播到向整个总线104，以向根端口230、交换机228、门202和/或其他节点204、206、234通知和告知已在节点204、208、234处向总线104加入并注册新设备。此外，节点204、206、234可以侦听来自交换机228和声明加入总线104的其他新节点204、206、234的DDS消息，并且基于DDS消息更新其全局SLA配置文件数据库和设置。

门

门202可包括节点MAC(具有多个虚拟节点状态机和缓冲)、自适应域网桥(ADB)、根端口MAC(具有内置门DBA功能/门DBA)、门SLA配置文件数据库和突发模式SERDES。节点MAC包括发送MAC、接收MAC、安全引擎(例如AES)、FEC引擎、DBA报告功能模块、SERDES功能模块和/或多组(例如，子网210内的每个节点均有一组)虚拟节点处理器、虚拟节点配置文件和设置、以及相关的MIB计数器和报告逻辑中的一者或多者。发送MAC从门ADB接收GEM，然后基于门的虚拟节点SLA配置文件数据库设置映射并打包为其关联的虚拟节点突发结构(例如Burst-PHY-Frame结构)。此外，发送MAC将多个虚拟节点突发结构(例如，Burst-PHY-Frame)聚合为一个门突发结构(例如GATE/Turbo Burst-PHY-Frame)，并且通过网络206，基于从根端口230的HDBA接收的用于那些节点208的已授权的突发窗口将突发消息发送到根端口230。节点接收MAC从根端口230接收广播消息(例如，Broadcast-PHY-Frame)，从消息中提取GEM，解析GEM的标头，基于GEM标头和虚拟节点SLA配置文件数据库设置以确定哪些消息是针对门202的子网210内的节点208的消息，并将这些消息输出到ADB。

ADB在门202的节点MAC与根MAC之间执行桥接功能。具体地，在广播方向(从根端口230到节点208)上，ADB从节点接收MAC接收GEM并执行GEM标头查找，基于门虚拟节点配置文件数据库以执行检查和过滤功能，从而接收属于门202的子网210的节点208的GEM。然后ADB可以将这些GEM输出到门202的根端口发送MAC。在突发方向(从节点208到根端口230)上，ADB从根接收MAC接收GEM，将GEM存储在其关联的虚拟节点缓冲存储器中，并在其突发窗口开始时间到来时将GEM输出到虚拟节点发送MAC。

门202的根端口MAC包括发送MAC、接收MAC、安全引擎(例如AES)、FEC引擎、门DBA和突发模式SERDES模块。发送MAC负责从ADB接收GEM，将GEM映射并打包为广播格式(例如Broadcast-PHY-Frame结构)，并将广播格式的帧输出到突发模式SERDES。接收MAC负责从突发模式SERDES(例如，远端节点)接收突发消息(例如Burst-PHY-Frame)，从消息中提取GEM，仅解析和接收门202的子网210内的节点208所针对的GEM(如基于解析的GEM标头和SLA配置文件设置所指示的)，然后将GEM输出到门202的ADB。门202的DBA是根端口230的扩展HDBA。门DBA基于门DBA SLA配置文件设置(其是根HDBA的子集)来授权和分配节点突发窗口。门SLA配置文件数据库包括属于该门202(例如，位于门202的子网210内)的节点标识符的列表、用于门DBA功能的节点标识符的SLA配置文件表和GEM转发信息。突发模式SERDES从根发送MAC接收广播消息(例如，Broadcast-PHY-Frame)，并沿广播传输方向发送到子网210中的节点208。在接收方向上，突发模式SERDES通过子网210从节点208接收突发消息(例如，Burst-PHY-Frame)，并将突发消息输出到根接收MAC以用于消息/帧终止和GEM提取。

门202的主要功能是通过自适应桥接而桥接到一个或多个子网210(以及其中的节点208)来扩展根端口230的中央传输网络206。特别地，门202可以将来自节点208和/或其子网210内的其他门202’的消息突发到其所处于的网络206的根端口230，就像突发流量是来自中央传输网络206内的节点一样。类似地，门202可以将从其他节点204、208、234、交换机228和/或根端口230接收的消息广播到节点208和/或其所处于的子网210内的其他门202’，就像节点208和/或其他门202’在中央传输网络206内一样。因此，在保持中央传输网络206内的突发/广播通信方法的同时，门202还可以将中央传输网络206扩展到附加节点208和/或不同类型的子网210。

更详细地，在传输突发方向(例如，从节点/门到根端口/交换机/内核)上，从节点208到门202到根230的突发窗口授权机制能够包括以下步骤。首先，门202的DBA是根端口230(网络206的根端口230，门202是网络206的一部分)的HDBA的子集，并且因此对根端口230和节点208是透明的。第二，当门202接收从其根端口230广播的突发窗口授权消息(例如，GEM授权消息)时，门202使用消息标头(例如，GEM标头)来查找门SLA配置文件数据库以获取GEM转发信息。换言之，如门SLA配置文件数据库中所指示的，门202使用标头数据来确定授权消息是否针对其子网210内的任意节点208。如果授权消息不是针对其子网210的任意节点208，则门202丢弃授权消息；反之，门将消息存储在其虚拟节点数据库中，更新数据库并将新的窗口授权消息(例如，GEM授权消息)广播到其子网210中的指向原始授权消息所指向的节点208的所有节点/门。作为响应，节点208向门202提供突发消息，并且门202格式化该消息和/或以其他方式处理该消息，以在接收到的针对该节点208的窗口授权消息中指示的突发窗口开始处突发到根端口230。

第三，为了获得最佳的处理量带宽、高的突发带宽效率和/或低的传输延时，门202可以将在该新的授权消息中指示的授权窗口调整为相比原始授权消息中指示的授权窗口提前至少预定时间量。特别地，该时间量为门202提供了时间，以在由原始窗口授权消息指示的时刻将数据从门202突发到根端口230之前，对来自节点208的突发数据进行接收和格式化。实际上，通过同时针对多个节点208执行此操作，门202可以将来自多个不同节点的消息(例如，多个Burst-PHY-frame)聚合为单个较大的突发消息(例如，GATE Burst-PHY-Frame)。

第四，由于门流量DBA报告和根端口230窗口授权之间的协议，根端口230和门202可以维护组成员列表表格，并且知晓以下的每个门230作为一个小组的虚拟节点208。因此，当节点208向根端口230的HDBA发出报告消息(例如，GEM报告)时，门203可以截取该报告消息，对该报告消息进行修改，以包括临时存储在门202的虚拟节点缓冲存储器(如果有的话)中的GEM数据，并向根端口230的HDBA发出新的报告消息。换言之，门202可以将来自其子网210中的节点的报告消息组合，以使报告更加有效。

此外，当根端口230的HDBA正在向子网210中的节点208发布授权消息(例如，GEM授权消息)时，由于根端口230知晓该子网210中的所有节点208(例如，通过虚拟节点数据库)，因此根端口230的HDBA可以确保属于同一门202和/或子网210的节点208的授权窗口是按次序/连续顺序的，使得门202能够对除了第一个虚拟节点的突发消息之外的所有虚拟节点的突发消息(例如，burst-PHY-Frame)进行组合和/或突发，而无需每个突发消息具有前导码。这提供了减少前导码开销和增加突发带宽效率(特别是对于GEM控制消息的小突发)的益处。

换言之，对于数据路径，门202从突发模式SERDES和远端节点208接收突发消息(例如，burst-PHY-frame)，从门202的根接收MAC中的消息中提取GEM，将GEM存储在其关联的虚拟NODE缓冲存储器中，并等待虚拟节点突发窗口授权从那些虚拟节点208的根端口230进入。然后，门202能够将用于该节点208和其他节点208的已存储的GEM映射和打包回到突发消息格式，从而在门202的节点发送MAC中，将多个突发消息一起聚合为一个较大的突发消息。最后，门202能够将该较大的突发消息发送到SERDES，并基于授权的突发窗口(例如，该门202的多个连续虚拟节点突发窗口)通过网络206发送到根端口230。

现在查看广播方向(例如，从根端口/交换机/内核到节点/门)，门202同样能够将中央网络206扩展到子网210，同时对于其网络206的根端口230和其子网210中的节点208两者都是透明的。为了实现这一点，门202能够像虚拟节点一样作用并从根端口230接收广播消息(例如，Broadcast-PHY-Frame)，从消息中提取GEM，将未定向到其子网210中的节点208/门202’中的一者的任何GEM(例如，如由消息标头和门SLA配置文件数据库所指示的)丢弃。反之，门202能够使用存储转发方案和/或直通方案来将GEM打包和映射回到门202的根发送MAC中的根端口广播消息结构(例如，Broadcast-PHY-Frame结构)，并将新的广播消息广播到其子网210中的所有节点208和/或门202’。

突发/广播帧格式

在部分实施例中，广播消息被格式化成由前导码(Preamble)+帧首定界符(Start-of-Frame-Delimiter)+帧净荷定义的Broadcast-PHY-Frame，其中，帧净荷包括多个GEM-Packet数据和GEM-Control消息。Broadcast-PHY-Frame可以是固定的帧大小(例如，25μs与125μs之间)。可选地，能够使用更大或更小的帧大小。例如，对于具有较少节点设备204、208的中央网络206和子网210，帧大小可以较小(例如，25μs或50μs)。在部分实施例中，Broadcast-PHY-Frame配置为通过包括光纤、铜缆和无线网络的网络206、210将GEM-Packet和GEM-Control消息从根端口230携载到门202和/或节点204、208、234。

在部分实施例中，突发消息被格式化成由前导码+帧首定界符+帧净荷+帧尾定界符(End-of-Frame-Delimiter)，其中，帧净荷包括一个或多个GEM-Packet数据和GEM-Control消息。Burst-PHY-Frame的大小可以根据根端口HDBA和/或门DBA授权的节点/门的总突发窗口的大小而变化。在部分实施例中，(来自门202或节点204、208、234的)Burst-PHY-Frame的最大大小不能超过最大Burst-PHY-Frame大小(例如，在25μs与125μs之间)。在部分实施例中，Burst-PHY-Frame被构造为通过包括光纤、铜缆和无线网络的网络206、210将GEM-Packet和GEM-Control消息从门202和/或节点204、208、234携载到根端口230和/或门202。

数据传输操作

在操作中，总线104使用突发/广播通信方案进行操作，其中，使用突发传输方法将来自节点204、208、234(和门202)的所有数据消息汇集到内核200，其中，能够(由内核200)动态调整大小的传输窗口被授权节点204、208、234，使得节点204、208、234(或代表节点204、208、234的门202)能够将其数据消息在被授权窗口内作为“突发”进行传输。如果发送节点在子网210中，则门202(作为该网络210的根端口)通过子网210从节点208接收突发消息，然后通过中央网络206将该消息突发到内核200(像节点208是中央网络206的一部分一样)。在进行该突发通信时，门202可以聚合来自子网210内的多个节点208的突发消息，从而提高效率并减小了相对于中央网络206可能增加延时的子网210的影响。甚至，可以对于子网210内的门202’重复进行上述步骤，该门202’提供到子子网210’的网关等，以支持任何数量的“链接/门控”网络。此外，在此过程中，门202可以相对内核200和节点208是透明的，使得无需将消息寻址到门202。

内核200(从将内核200联接到每个中央网络206的一个或多个根端口230)接收这些消息，对这些消息进行处理(包括修改和/或确定这些消息的目标目的地)，并且无论哪个中央传输网络206都将这些消息(以及源自内核200的任何消息)广播到处于其的目标节点204、208、234(或代表目标节点208的门202)上。像上面的突发通信一样，如果目标节点208在子网210内，则桥接到该子网210的门202可以从内核接收/截取消息，并将消息重新广播到子网210上的所有节点208(和/或门202’)。对于不在子网210(或子网210的子网)上的目标节点204的任何广播消息，都可以由门202丢弃，以提高效率。同样，该过程是透明的，并且能够由子网210内的门202’重复进行，并且对于任意数量的链接网络以此类推，以通过网络广播消息。因此，每个网络206(以及联接到网络206的子网210)上的所有节点204、208、234(和门202)从内核200接收在该网络206上广播的所有消息，并且仅需要查找哪些消息指向节点204、208、234(和门202)，而丢弃其他消息。

更详细地，当节点204、208、234通过其一个或多个IO端口99从一个或多个外部设备102接收数据时，节点204、208、234将数据存储在GEM-ID队列缓冲存储器中，并且将报告消息(例如，GEM-Report)突发到其所处于的中央网络206的根端口230(直接地或者在一个或多个门202位于中央网络206的子网210中的情况下通过一个或多个门202)，并且等待被授权突发窗口以发送输入数据。如上所述，门202可以从其子网210中的多个节点208(和/或门202’)收集报告消息并将报告消息聚合为单个较大的报告消息，门202能够在那些端口208的突发窗口期间更有效地将该单个较大的报告消息突发到根端口230。

同时，节点204、208、234能够将输入数据封装为GEM格式(将超出预定大小的GEM分段为较小的GEM)，利用节点204、208、234的安全密钥对GEM进行加密，更新HARQ表，并且将GEM映射并打包成突发格式(例如，Burst-PHY-Frame格式)并执行编码(例如，FEC RS(255,216)编码)。随后，在授权并到达每个节点的突发窗口之后，节点将包括输入数据的GEM突发到相关联的根端口230。

根端口230的HDBA从节点204、208(和/或门202)接收所有报告消息，并基于SLA配置文件数据库、延时敏感级别、流量拥塞反馈、约定信息速率(CIR)/峰值信息速率(PIR)反馈和/或其他因素对每个节点204、208执行DBA分析，以确定每个节点204、208的授权窗口突发大小和开始时间。一旦为一个或多个节点204、208确定了授权的突发窗口，则根端口230以广播授权消息(例如，GEM授权)将窗口广播至每个节点、广播至相关联的中央网络206和/或任何子网210中的所有节点204、208(通过门202)。如上所述，来自根端口230的广播消息具有相同大小，而从节点204、208到根端口230的突发窗口能够如由HDBA动态分配的那样改变大小。

一旦接收到针对其子网210(或子网210的子网)中的节点208的广播授权消息之后，门202将新的授权消息广播到子网210的所有节点208。具体地，这些新的授权消息能够指定在由原始/根端口授权窗口指示的时间之前发生的突发窗口。这是为了确保门202在原始/根授权窗口之前从端口208接收(例如“被突发”)输入数据/GEM，从而使门202有时间将来自多个节点208和/或端口99的数据/GEM聚合为单个较大消息，以便在原始/根端口授权窗口到达时突发到根端口230。因此，门202能够弥补子网210的低效率和/或较慢的方面，使得子网210不会减慢中央传输网络206的效率。

在接收到包括GEM(包括来自外部设备102的输入数据)的突发消息时，根端口230可以对突发消息执行解码(例如，FEC RS(255,216)解码)和纠错，以进行解码并纠正任何传输错误。然后，根端口230可以从突发消息中提取GEM(例如，传输帧格式)，解密所提取的GEM(例如，利用AES-128/256和源节点安全密钥)，绕过GEM分段块，并且将GEM传递给交换机228。对于每个GEM，交换机228接着可以执行GEM-标头查找，解析和分类以太网L2/L3地址和标头，处理GEM转发流程图并确定GEM转发目的地信息，将GEM存储在(直通)缓冲存储器中，并且基于SLA数据库QoS输出调度程序将GEM输出到HARQ和目标根端口230(例如，其网络206或子网210包括目标节点204、208的根端口230)。

根端口230接收GEM，利用目标节点(或广播GEM)的安全密钥执行GEM加密(例如，AES-128/256加密)，将GEM打包并映射为广播消息结构(例如，Broadcast-Frame结构)，对消息进行编码(例如，FECRS(255,216)编码)，并且最后将该广播消息广播到该根端口的网络206及其子网210中的所有节点204、208。如果节点208在子网210内，则到该子网的门202接收广播消息，并将该消息广播到子网210内的所有节点208。在部分实施例中，门202过滤掉没有针对其子网210(或子网210的子网)内的节点208的任意广播消息，并且仅广播针对那些节点208中的一个节点的广播消息。可选地，门202能够在不确定消息是否与那些节点208中的一个节点有关的情况下，将所有广播消息重新广播到门202的子网210内的节点208。

所有节点204、208监测接收到的广播消息，处理用于节点204、208的消息并且丢弃其他消息。具体地，对于未丢弃的消息，节点204、208对消息进行解码和纠错(例如FEC RS(255,216)解码)，从广播消息格式(例如BC-PHY-Frame)中提取GEM，对所提取的GEM进行解密(例如利用AES-128/256和目标节点的安全密钥)，将数据从GEM格式解封回到原始IO-Port数据格式，并且将数据通过指定的IO端口99输出到外部设备102。因此，总线104和系统100提供了以下益处：能够将具有不同输入数据、不同处理速度和数据约束的多个不同网络进行组合，同时仍保持机器自动化系统所需的低延时和高处理量。这是独特的内部网系统架构，并且针对这样的机器自动化应用进行了特别定义和优化。

图4示出了根据部分实施例的配置为实现系统100的示例性计算设备400的框图。除了上述特征之外，外部设备102还可以包括下述设备400的部分或全部特征。通常，适合于实现计算设备400的硬件结构包括网络接口402、存储器404、处理器406、I/O设备408(例如，读取器)、总线410和存储设备412。可选地，所示组件中的一个或多个组件能够被移除或者由本领域中公知的其他组件代替。处理器的选择不是关键性的，只要选择了具有足够速度的合适处理器即可。存储器404可以是本领域中已知的任何常规计算机存储器。存储设备412可以包括硬盘驱动器、CDROM、CDRW、DVD、DVDRW、闪存卡或任何其他存储设备。计算设备400可以包括一个或多个网络接口402。网络接口的示例包括连接至以太网或其他类型的LAN的网卡。I/O设备408可以包括以下一个或多个：键盘、鼠标、监测器、显示器、打印机、调制解调器、触摸屏、按钮接口和其他设备。操作软件/应用程序430或其功能/模块可以被存储在存储设备412和存储器404中，并在应用程序被典型地处理时被处理。计算设备400中能够包括比图4所示的更多或更少的组件。在部分实施例中，包括机器自动化系统硬件420。尽管图4中的计算设备400包括用于系统100的应用程序430和硬件420，但是系统100能够以硬件、固件、软件或其任何组合在计算设备上实现。

图5示出了根据部分实施例的包括智能控制器及传感器内部网总线104的机器自动化系统100的操作方法。如图5所示，在步骤502中，节点204、208通过总线104的一个或多个端口99从多个外部设备102接收输入数据。在步骤504中，节点204、208将输入数据作为突发消息在可变大小的突发窗口中突发到内核200。在部分实施例中，对于每个节点204、208，根端口230的HDBA动态地调整可变突发窗口的突发窗口开始时间和大小，并且基于从一个节点204、208报告的数据流量参数，将已调整的窗口以广播授权窗口消息分配给相应的节点204、208。在部分实施例中，门202将包括从节点208接收到的输入数据和/或流量报告的两个或多个突发消息聚合为单个较大的突发报告或输入数据消息以用于突发到内核200。在这些实施例中，门202可以省去接收到的突发消息的一部分(例如，前导码)以增强总线104的效率。在部分实施例中，在从内核200接收到广播窗口授权消息之后，门202将突发窗口的原始时间调整为较早的时间，并将已调整的广播窗口授权消息广播到节点208。因此，在由根端口230授权的窗口之前，节点208将其数据突发到门202，使得门202能够将多个突发消息组合在一起并在随后的原始时间窗口中对它们进行突发。在步骤506中，内核200将输入数据作为广播消息处理并广播到中央网络206和子网210内的需要到达消息的目标节点204、208的每个节点204、208。在步骤508中，目标节点204、208将广播消息的数据转换成由联接到节点204、208的设备102接受的格式并将数据输出到设备102。因此，该方法具有下述优点：尽管使用了较低速度的网络媒体，但仍使总线104能够保持高速。

实现动态突发数据到广播传输网络的系统100以及机器自动化控制器及传感器总线104具有许多优点。具体地，提供以下益处：简化线缆系统和连接；使用光纤而大幅降低电磁干扰(EMI)带来的影响；确保节点到节点通信的低延时；从节点到节点传输的高处理量带宽(10、25、100或更高Gbps)；从节点到节点设备可以延伸并达到20km；由于无源光网络架构而实现的低功耗；由于集中式DBA调度机制而实现的不会造成流量拥塞的行业级QoS；保证节点到节点和GEM传输成功的内置HARQ机制；以及用于包括所有门、节点和根端口的整个内部网系统的一个统一软件映像，从而简化了软件架构，缩短了产品开发周期，并简化了系统级调试、监测和故障排除。

本发明已经根据结合细节的特定实施例进行描述，以便于理解本发明的构造和操作原理。本文涉及的具体实施例及其细节无意于限制所附权利要求的范围。本领域技术人员应当理解，在不偏离由权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可基于所选的实施例进行其他各种修改。例如，尽管如本文所述，总线被描述为在机器自动化系统内运行，但是应当理解，总线能够与其他类型的系统及其设备一起运行，以便于设备之间的通信。

Claims (30)

1.一种机器自动化系统，其用于控制和操作自动化机器，所述系统包括：

控制器及传感器总线，所述控制器及传感器总线包括多个输入/输出端口，并且为广播传输方案实现动态突发；以及

多个外部机器自动化设备，所述多个外部机器自动化设备通过所述总线的所述端口可操作性地联接在一起，其中，所述总线包括中央处理内核和多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括：

一个或多个中央传输网络，所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并且由第一类型的传输媒体形成，所述中央传输网络包括多个节点以及一个或多个门；和

多个子网，所述多个子网分别与中央传输网络的不同门相联接，并且由与所述第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成，所述子网包括多个子节点，其中，每个所述节点和所述子节点通过一个或多个端口与一个或多个设备联接，并且接收来自与所述一个或多个端口联接的所述一个或多个设备的输入数据；

其中，所述总线将所述输入数据作为消息从所述节点和所述子节点中继到所述内核，并从所述内核中继到与所述消息所针对的设备相关联的一个或多个所述节点和所述子节点；

其中，所述总线通过以下方式中继所述消息：

在可变大小的突发窗口中，将所述消息从所述节点和所述子节点突发到所述内核；以及

将所述消息从所述内核广播到：

由所述节点和所述子节点组成的组中的一个节点，该一个节点通过一个或多个所述中央传输网络和所述子网与所述消息所针对的设备相关联；以及

由所述消息需要经过才能到达该一个节点的所述中央传输网络和一个或多个所述子网内的所有节点和子节点。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，基于从所述节点和所述子节点中的一者报告的数据流量参数，所述内核动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将所述突发窗口开始时间和大小分配给每个所述节点和所述子节点。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，每个所述门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，每个所述门从所述单个较大消息中省略来自所述多个子节点的消息的一部分。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，每个所述门接收被授权与所述门联接的所述子网的每个所述子节点的所述突发窗口开始时间和大小，将所述突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的所述突发窗口开始时间和大小发送到与所述门联接的所述子网的每个所述子节点。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二类型的传输媒体的延时比所述第一类型的传输媒体的延时高。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一类型的传输媒体是无源光纤，所述中央传输网络是光纤网络。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且所述多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

11.一种控制器及传感器总线，所述控制器及传感器总线为广播传输方案实现动态突发，并且所述控制器及传感器总线包括用于与机器自动化系统的多个外部机器自动化设备联接的多个输入/输出端口，所述总线包括：

中央处理内核；以及

多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括：

一个或多个中央传输网络，所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并且由第一类型的传输媒体形成，所述中央传输网络包括多个节点以及一个或多个门；和

多个子网，所述多个子网分别与所述中央传输网络的不同门相联接，并且由与所述第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成，所述子网包括多个子节点，其中，每个所述节点和所述子节点通过一个或多个端口与一个或多个设备联接，并且接收来自与所述一个或多个端口联接的所述一个或多个设备的输入数据；

其中，所述总线将所述输入数据作为消息从所述节点和所述子节点中继到所述内核、并从所述内核中继到与所述消息所针对的设备相关联的一个或多个所述节点和所述子节点；

其中，所述总线通过以下方式中继所述消息：

在可变大小的突发窗口中，将所述消息从所述节点和所述子节点突发到所述内核；以及

将所述消息从所述内核广播到：

由所述节点和所述子节点组成的组中的一个节点，该一个节点通过一个或多个所述中央传输网络和所述子网与所述消息所针对的设备相关联；以及

由所述消息需要经过才能到达该一个节点的所述中央传输网络和一个或多个所述子网内的所有节点和子节点。

12.根据权利要求11所述的总线，其中，基于从所述节点和所述子节点中的一个报告的数据流量参数，所述内核动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将所述突发窗口开始时间和大小分配给每个所述节点和所述子节点。

13.根据权利要求12所述的总线，其中，每个所述门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。

14.根据权利要求13所述的总线，其中，每个所述门从所述单个较大消息中省略来自所述多个子节点的消息的一部分。

15.根据权利要求14所述的总线，其中，每个所述门接收被授权与所述门联接的所述子网的每个所述子节点的所述突发窗口开始时间和大小，将所述突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的所述突发窗口开始时间和大小发送到与所述门联接的所述子网的每个所述子节点。

16.根据权利要求15所述的总线，其中，所述第二类型的传输媒体的延时比所述第一类型的传输媒体的延时高。

17.根据权利要求16所述的总线，其中，所述第一类型的传输媒体是无源光纤，所述中央传输网络是光纤网络。

18.根据权利要求17所述的总线，其中，所述第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且所述多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。

19.根据权利要求18所述的总线，其中，所述设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。

20.根据权利要求19所述的总线，其中，所述自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

21.一种控制器及传感器总线的操作方法，所述方法为用于控制和操作自动化机器的广播传输方案实现动态突发，所述总线具有中央处理内核和多媒体传输内部网，所述多媒体传输内部网包括一个或多个中央传输网络和多个子网，所述一个或多个中央传输网络直接与内核联接、并且由第一类型的传输媒体形成，所述中央传输网络包括多个节点以及一个或多个门，所述多个子网分别与中央传输网络的不同门相联接、并且由与所述第一类型的传输媒体不同的第二类型的传输媒体形成，所述子网包括多个子节点，所述方法包括：

利用每个所述节点和所述子节点接收来自多个外部机器自动化设备的数据，其中所述节点和所述子节点通过所述总线的一个或多个端口与一个或多个设备联接；以及

利用所述总线将输入数据作为消息从所述节点和所述子节点中继到所述内核，并从所述内核中继到与所述消息所针对的设备相关联的一个或多个所述节点和所述子节点；

其中，所述中继包括：

在可变大小的突发窗口中，将所述消息从所述节点和所述子节点突发到所述内核；以及

将所述消息从所述内核广播到：

由所述节点和所述子节点组成的组中的一个节点，该一个节点通过一个或多个所述中央传输网络和所述子网与所述消息所针对的设备相关联；以及

由所述消息需要经过才能到达该一个节点的所述中央传输网络和一个或多个所述子网内的所有节点和子节点。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：基于从所述节点和所述子节点中的一个报告的数据流量参数，所述内核动态地调整突发窗口开始时间和大小、并将所述突发窗口开始时间和大小分配给每个所述节点和所述子节点。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：利用每个所述门将来自多个子节点的消息聚合为单个较大消息。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：利用每个所述门从所述单个较大消息中省略来自所述多个子节点的消息的一部分。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：每个所述门接收被授权与所述门联接的所述子网的每个所述子节点的所述突发窗口开始时间和大小，将所述突发窗口开始时间调整为较早的时间，并且将所调整的所述突发窗口开始时间和大小发送到与所述门联接的所述子网的每个所述子节点。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二类型的传输媒体的延时比所述第一类型的传输媒体的延时高。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一类型的传输媒体是无源光纤，所述中央传输网络是光纤网络。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第二类型的传输媒体包括由有源铜缆和无线信号组成的组中的一者或多者，并且所述多个子网包括由有源铜缆网络、控制器局域网和无线网络组成的组中的一者或多者。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述设备包括由超声传感器、光检测及测距传感器、红外传感器、摄像机、电机和微控制器组成的组中的一者或多者。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述自动化机器是由机器人和自动驾驶车辆组成的组中的一者。

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