CN113238537A - 一种基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法，包括以太网链路结构，以太网链路结构包括主站、n‑1台从站和末级从站，主站、n‑1台从站和末级从站依次通过以太网线连接；主站包括主站协议处理器、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，主站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接；从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片、前级以太网接口、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，从站协议处理器通过前级以太网物理芯片与前级以太网接口连接；末级从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片和前级以太网接口。本发明具有应用广泛、通信速率高和成本低廉等优势；另外解决了标准以太网技术的不确定性。

Description

一种基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法
技术领域
本发明属于工业以太网技术领域，具体涉及一种基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法。
背景技术
工业以太网是基于以太网的技术来实现现场总线的方案，应用于工业控制邻域，其与传统以太网技术标准IEEE802.3/802.3u兼容，遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议，另外为应用于严酷的工业环境，具备了更强的实时性、可靠性、抗干扰性和互操作性。
开放系统互连参考模型(Open System Interconnect简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
传统现场总线通信速率低，成本高，标准以太网技术具有通信速率高、成本低的优势，但是标准以太网技术通讯实时性较差，其采用冲突检测载波侦听多路访问((CSMD/CD)机制，会造成不确定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法，本基于以太网的高速工业现场总线及其数据传输方法具有应用广泛、通信速率高和成本低廉等以太网技术优势；另外解决了标准以太网技术的不确定性(即实时性较差问题)。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于以太网的高速工业现场总线，包括以太网链路结构，所述以太网链路结构包括主站、n-1台从站和末级从站，所述主站、n-1台从站和末级从站依次通过以太网线连接；
所述主站包括主站协议处理器、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述主站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接；
所述从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片、前级以太网接口、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述从站协议处理器通过前级以太网物理芯片与前级以太网接口连接，所述从站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接，所述从站的前级以太网接口与主站的后级以太网接口通过以太网线连接或者所述从站的前级以太网接口与另一个从站的后级以太网接口通过以太网线连接，所述从站的后级以太网接口与末级从站的前级以太网接口通过以太网线连接；
所述末级从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片和前级以太网接口。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述前级以太网接口和后级以太网接口均采用以太网接口RJ45。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，包括：
下行：下行链路始于主站，主站中的主站协议处理器对EthPMC下行帧进行下行帧处理，处理完成后，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发出EthPMC下行帧，到达从站，从站中的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧，从站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发送经过从站协议处理器下行处理后的下行帧，经过各级从站，最终到达末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧后在其从站协议处理器内部进行帧返回，产生上行返回帧；
上行：上行链路始于末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发出上行返回帧，产生EthPMC上行帧，上行帧按原路返回各级从站，从各级从站的后级以太网物理芯片接收上行帧，前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发送经过从站协议处理器上行处理后的上行帧，最终到达主站，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口接收上行帧后并在主站协议处理器中进行上行帧处理。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主站周期性地发送EthPMC下行帧。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述EthPMC下行帧和EthPMC上行帧均采用相同的EthPMC帧结构，所述EthPMC帧结构包括标准以太网头、EthPMC头、邮箱、多个间隙和校验。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述标准以太网头长度为14字节，EthPMC头长度为2字节，邮箱长度为16字节，校验长度为4字节。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述标准以太网头包括目标地址、源地址和类型；所述EthPMC头包括邮箱复位标志和长度；多个所述间隙包括主站间隙、n-1个从站间隙和末级从站间隙。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主站协议处理器的下行帧处理过程具体包括：对EthPMC下行帧进行帧初始化和帧校验码生成；所述主站协议处理器的上行帧处理过程具体包括：对返回的EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述从站协议处理器的下行帧处理过程具体包括：对EthPMC下行帧进行帧校验、帧重组和帧校验码生成；所述从站协议处理器的上行帧处理过程具体包括：对EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主站协议处理器在对EthPMC下行帧进行帧初始化过程中，对EthPMC帧结构中的标准以太网头、EthPMC头、邮箱和主站间隙具有写操作权限，从站协议处理器在对EthPMC下行帧进行帧重组过程中，对邮箱和其独有间隙具有写操作权限；所述主站协议处理器和从站协议处理器均对EthPMC上行帧具有读操作权限。
本发明的有益效果为：
本发明采用以太网技术，相比于传统现场总线技术具有应用广泛、通信速率高和成本低廉等优势；本发明改造了标准以太网技术，兼容标准的情况下，解决了传统以太网技术的不确定性，具有更强的实时性。本发明主站周期性地发送EthPMC下行帧，经过各个从站后，最后接收返回的EthPMC上行帧，不会受到任何中断，解决了标准以太网技术的不确定性，并且循环周期为百微秒级别，整个系统具有硬实时性的性能。
附图说明
图1为本发明以太网链路结构和EthPMC帧结构示意图。
图2为本发明EthPMC物理层示意图。
图3为本发明主站结构示意图。
图4为本发明从站结构示意图。
图5为本发明末级从站结构示意图。
图6为本发明EthPMC帧结构示意图。
图7为本发明主站协议处理器结构示意图。
图8为本发明从站协议处理器结构示意图。
图9为本发明设备EthPMC帧写操作示意图。
图10为本发明设备EthPMC帧读操作示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
本实施例提供一种基于以太网的高速工业现场总线EthPMC，包括以太网链路结构，所述以太网链路结构包括主站、n-1台从站和末级从站，所述主站、n-1台从站和末级从站依次通过以太网线连接。
所述主站包括主站协议处理器、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述主站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接。
所述从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片、前级以太网接口、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述从站协议处理器通过前级以太网物理芯片与前级以太网接口连接，所述从站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接，所述从站的前级以太网接口与主站的后级以太网接口通过以太网线连接或者所述从站的前级以太网接口与另一个从站的后级以太网接口通过以太网线连接，所述从站的后级以太网接口与末级从站的前级以太网接口通过以太网线连接。
所述末级从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片和前级以太网接口，所述从站协议处理器通过前级以太网物理芯片与前级以太网接口连接。
所述前级以太网接口和后级以太网接口均采用以太网接口RJ45。
具体介绍如下：
本实施例仅贯穿OSI 7层模型中的1-3层：物理层、数据链路层和网络层，如图1所示，物理层中定义了其网络拓扑为线性，数据链路层和网络层中使用了图中的EthPMC帧结构。
物理层定义：
包含EthPMC的网络拓扑、各设备间连接和链路数据流。
EthPMC物理层定义如图2所示，以太网链路结构中包含一台主站，可级联n台从站，最多级联31台从站，最后一台从站称为末级从站。各设备之间都是通过1根以太网线连接，为线性拓扑结构。
本实施例中使用的以太网物理芯片：支持全双工通信，即链路中无论前级还是后级的以太网物理芯片都同时支持数据包的发送和接收，通信速率为100Mbps。
本实施例中使用的以太网接口：以太网线与设备通过以太网接口RJ45进行连接固定。
主站连接：如图3，主站中包含主站协议处理器、后级以太网物理芯片和后级以太网接口。主站的后级以太网接口与另一个从站的前级以太网相连。
从站连接：如图4所示，从站中包含从站协议处理器、前级以太网物理芯片、前级以太网接口、后级以太网物理芯片和后级以太网接口。如图5所示，末级从站中包含从站协议处理器、前级以太网物理芯片和前级以太网接口。除了末级从站，从站的后级以太网接口与另一个从站的前级以太网接口相连。
链路数据流：以太网标准中定义了在以太网链路上传输的数据包被称作以太网帧，本发明传输的数据包是经过更改的EthPMC帧。如图2所示，链路分为上行和下行。即数据传输过程为：
下行：下行链路始于主站，主站中的主站协议处理器对EthPMC下行帧进行下行帧处理，处理完成后，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发出EthPMC下行帧，到达从站，从站中的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧，从站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发送经过从站协议处理器下行处理后的下行帧，经过各级从站，最终到达末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧后在其从站协议处理器内部进行帧返回，产生上行返回帧；
上行：上行链路始于末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发出上行返回帧，产生EthPMC上行帧，上行帧按原路返回各级从站，从各级从站的后级以太网物理芯片接收上行帧，前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发送经过从站协议处理器上行处理后的上行帧，最终到达主站，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口接收上行帧后并在主站协议处理器中进行上行帧处理。
链路数据流始于主站，终于主站，虽是线型拓扑，但是数据经过下行、返回和上行后是回环的，并且主站周期性地发送EthPMC下行帧，不会受到任何中断，解决了标准以太网技术的不确定性，并且循环周期为百微秒级别，整个系统具有硬实时性的性能。
其中EthPMC下行帧和EthPMC上行帧均采用EthPMC帧结构，所述EthPMC帧结构包括标准以太网头、EthPMC头、邮箱、m个间隙和校验。
数据链路层定义：
包含EthPMC帧定义、主站协议处理器结构和从站协议处理器结构。
EthPMC帧定义：EthPMC在标准以太网帧的基础上，增加了EthPMC定义，如图6所示。其中标准以太网帧部分包含：前导码、帧开始符、标准以太网头和校验；EthPMC定义部分包含：EthPMC头、邮箱、m个间隙。
定义最大的EthPMC以太网帧长度为1020字节，m个间隙为可配置长度，其它都是固定长度：前导码长度7字节，帧开始符长度1字节，标准以太网头长度为14字节，EthPMC头长度为2字节，邮箱长度为16字节，校验长度为4字节。
标准以太网头包含目标地址、源地址和类型，定义EthPMC类型16进制值为0x8A5F。
EthPMC头包含邮箱复位标志和长度。
m个所述间隙包括主站间隙、n-1个从站间隙和末级从站间隙。
协议处理器包括主站协议处理器和从站协议处理器，在主站协议处理器和从站协议处理器中，都对EthPMC帧结构(简称EthPMC帧)进行了处理。
如图7所示为主站协议处理器结构。
主站协议处理器的下行帧处理包含对EthPMC下行帧进行帧初始化和帧校验码生成。
主站协议处理器的上行帧处理包含对返回的EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
如图8所示为从站协议处理器结构。
从站协议处理器的下行帧处理包含对EthPMC下行帧进行帧校验、帧重组和帧校验码重生成。
从站协议处理器的上行帧处理包含对EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
校验：主站协议处理器和从站协议处理器需要对接收到EthPMC帧进行校验，另外初始化或者重组后的EthPMC帧需要重新生成校验码并写入校验区域。
如图9所示，主站协议处理器在下行初始化过程中，对EthPMC帧中的以太网头、EthPMC头、邮箱和主站间隙这些区域具有写操作权限。从站协议处理器在下行帧重组过程中，对邮箱和其独有间隙区域具有写操作权限。
如图10所示，主站协议处理器和从站协议处理器都在上行处理中对上行帧做了帧存储，因此无论主站还是从站，设备对整个EthPMC帧区域都有读操作权限。
设备在下行过程中可以对EthPMC帧进行写操作，在上行过程中可以对EthPMC帧进行读操作，并且上行和下行是在同一数据链路周期内，因此同一周期内各设备间可进行直接交叉通信。
以太网头和EthPMC头区域在主站下行初始化过程中进行赋值。
邮箱区域在主站与从站间进行命令交互时赋值。
间隙区域在数据链路周期性过程中进行赋值。
本实施例采用以太网技术，相比于传统现场总线技术具有应用广泛、通信速率高和成本低廉等优势；本实施例改造了标准以太网技术，兼容标准的情况下，解决了传统以太网技术的不确定性，具有更强的实时性。
主流的工业以太网技术，如PROFINET、EtherNet/IP、POWERLINK，是在IP协议和TCP/UDP协议基础上实现通信，需要为协议栈添加额外的协议头，增加了通信时延，本发明无需基于IP和TCP/UDP协议；主流的工业以太网技术，如EtherCAT，实时通信时数据只能通过主站进行路由，本发明具有直接交叉通信特性，无需通过主站，在一个通信周期内，系统内任何设备间可相互通信。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于以太网的高速工业现场总线，其特征在于：包括以太网链路结构，所述以太网链路结构包括主站、n-1台从站和末级从站，所述主站、n-1台从站和末级从站依次通过以太网线连接；
所述主站包括主站协议处理器、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述主站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接；
所述从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片、前级以太网接口、后级以太网物理芯片和后级以太网接口，所述从站协议处理器通过前级以太网物理芯片与前级以太网接口连接，所述从站协议处理器通过后级以太网物理芯片与后级以太网接口连接，所述从站的前级以太网接口与主站的后级以太网接口通过以太网线连接或者所述从站的前级以太网接口与另一个从站的后级以太网接口通过以太网线连接，所述从站的后级以太网接口与末级从站的前级以太网接口通过以太网线连接；
所述末级从站包括从站协议处理器、前级以太网物理芯片和前级以太网接口。
2.根据权利要求1所述的基于以太网的高速工业现场总线，其特征在于：所述前级以太网接口和后级以太网接口均采用以太网接口RJ45。
3.一种基于权利要求1所述的以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于，包括：
下行：下行链路始于主站，主站中的主站协议处理器对EthPMC下行帧进行下行帧处理，处理完成后，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发出EthPMC下行帧，到达从站，从站中的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧，从站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口发送经过从站协议处理器下行处理后的下行帧，经过各级从站，最终到达末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口接收下行帧后在其从站协议处理器内部进行帧返回，产生上行返回帧；
上行：上行链路始于末级从站，末级从站的前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发出上行返回帧，产生EthPMC上行帧，上行帧按原路返回各级从站，从各级从站的后级以太网物理芯片接收上行帧，前级以太网物理芯片通过前级以太网接口发送经过从站协议处理器上行处理后的上行帧，最终到达主站，主站中的后级以太网物理芯片通过后级以太网接口接收上行帧后并在主站协议处理器中进行上行帧处理。
4.根据权利要求3所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述主站周期性地发送EthPMC下行帧。
5.根据权利要求3所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述EthPMC下行帧和EthPMC上行帧均采用相同的EthPMC帧结构，所述EthPMC帧结构包括标准以太网头、EthPMC头、邮箱、多个间隙和校验。
6.根据权利要求5所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述标准以太网头长度为14字节，EthPMC头长度为2字节，邮箱长度为16字节，校验长度为4字节。
7.根据权利要求5所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述标准以太网头包括目标地址、源地址和类型；所述EthPMC头包括邮箱复位标志和长度；多个所述间隙包括主站间隙、n-1个从站间隙和末级从站间隙。
8.根据权利要求3所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述主站协议处理器的下行帧处理过程具体包括：对EthPMC下行帧进行帧初始化和帧校验码生成；所述主站协议处理器的上行帧处理过程具体包括：对返回的EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
9.根据权利要求8所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述从站协议处理器的下行帧处理过程具体包括：对EthPMC下行帧进行帧校验、帧重组和帧校验码生成；所述从站协议处理器的上行帧处理过程具体包括：对EthPMC上行帧进行帧校验和帧存储。
10.根据权利要求9所述的基于以太网的高速工业现场总线的数据传输方法，其特征在于：所述主站协议处理器在对EthPMC下行帧进行帧初始化过程中，对EthPMC帧结构中的标准以太网头、EthPMC头、邮箱和主站间隙具有写操作权限，从站协议处理器在对EthPMC下行帧进行帧重组过程中，对邮箱和其独有间隙具有写操作权限；所述主站协议处理器和从站协议处理器均对EthPMC上行帧具有读操作权限。
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CN114390042A (zh) * 2021-12-28 2022-04-22 深圳市汇川技术股份有限公司 工业通信方法、工业通信系统、设备和存储介质
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