CN113709029B - 一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，属于网络通信技术领域。包括MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器均与MVB控制器相连；MVB物理层电路上加载有MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，MVB物理层电路用于实现与MVB总线之间的数据接收或发送功能；MVB通信模块内置有MODBUS通讯协议单元，MVB通信模块与第三方子系统之间通信连接，MODBUS通讯协议单元与MV B控制器的寄存器相连；MVB通信存储器与MVB通信模块之间进行数据交互处理；MVB控制器与Microblaze平台相连。本发明中MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器之间相互协同增效，提高了网络转发效率。

Description

一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB 网卡系统
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，具体地说，涉及一种基于MODBUS通讯协议及Microbl aze平台实现的标准MVB网卡系统。
背景技术
MVB网卡用于MVB网络的通信，研制的MVB网卡应符合IEC61375-1标准中有关MV B的技术要求，能够实现过程数据、消息数据及监控数据的通讯功能。对于MVB的1类设备，其仅具有过程数据功能和设备状态响应功能，功能相对简单，可由FPGA硬件逻辑实现。而对于MVB的2、3、4、5类设备，除具有1类设备的功能外，还具有消息数据的功能。其中4类和5类设备还具有总线管理能力，可以成为总线主。这些更复杂的功能通常需要在嵌入式CPU(如ARM)上实现。
在具体的MVB网卡的卡发过程中，包括硬件和软件两部分，现有的方法为软件和硬件分别开发，当硬件和软件完成开发后，将软件在硬件上进行系统的正确性验证，然和在实际的开发过程中，硬件的开发往往滞后与软件，这样将导致软件的测试、修改等工作被推迟，从而导致整个开发周期的被延长，从而延长了开发的周期。
例如，现有专利，申请号：CN201310403750.9，公开号：CN103514074B，公开了一种MVB网卡开发方法及平台，其技术方案如下：
“一种MVB网卡开发方法，其特征在于，包括：
步骤S1：仿真待开发MVB网卡的硬件逻辑结构，以形成虚拟MVB网卡；
步骤S2：将软件写入所述虚拟MVB网卡中；
步骤S3：将所述软件在所述虚拟MVB网卡上运行及验证；
其中，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：对MVB网卡的上位机接口、总线收发器、软件接口、控制器、通讯内存、软件安装板卡以及MVB总线建模；
步骤S1.2：构建顶层的功能单元；
其中，所述功能单元包括对应于MVB网卡总线的总线单元、对应于所述上位机接口的上位机接口单元、对应于总线收发器的总线收发单元、对应于软件接口的软件接口单元、对应于控制器的控制单元、对应于通讯内存的存储单元、对应于软件安装板卡的软件安装单元以及对应于MVB总线的虚拟MVB总线；各功能单元间利用内置的信号、端口以及套接字进行单元间的绑定；
步骤S1.3：编译可执行文件以实现所述步骤S1.2中的各个功能单元；
所述虚拟MVB总线通过TLM套接字与所述总线收发单元完成一对多的绑定”。但存在以下问题：面对大量数据需要转发时，尤其是实时的数据传输的情形下，数据丢包率高且网络容易出现延迟。
发明内容
1、要解决的问题
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，创造性引入MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，四种模块之间相互协同增效，解决了现有的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统存在网络转发效率低等问题。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的标准MVB网卡系统包括MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路、所述的MVB通信模块、所述的MVB通信存储器均与所述的MV B控制器相连；
所述的MVB物理层电路上加载有MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路用于实现与MVB总线之间的数据接收或发送功能；
所述的MVB通信模块内置有MODBUS通讯协议单元，所述的MVB通信模块与第三方子系统之间通信连接，所述的MODBUS通讯协议单元与所述的MVB控制器的寄存器相连；
所述的MVB通信存储器与所述的MVB通信模块之间进行数据交互处理；
所述的MVB控制器与Microblaze平台相连。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB物理层电路上设置有MVB网关，所述的MVB网关包括上位机、物理层检测模块和数据链路层检测模块，所述的数据链路层检测模块将数据发射给所述的物理层检测模块并转发给所述的上位机，所述的上位机与所述的MVB通信模块相连。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信模块采用RS-485接口，其中RS-485接口采用MODBUS通讯协议的RTU模式进行数据传输。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信存储器具有双口RAM、编码器及解码器，所述的双口RAM的数据入口与所述的编码器相连，所述的双口RAM的数据出口与所述的解码器相连，所述的编码器、所述的解码器均通过所述的MVB通信模块与所述的MVB控制器相连；
所述的MVB控制器为SpartanⅡ系列的FPGA。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MODBUS通讯协议单元的操作方法如下：
所述的MVB通信模块的接口初始化，自动清空MVB通信模块的设备配置；
配置MVB通信模块的网络地址并初始化端口设置；
MVB通信模块的端口按照MODBUS通讯协议的设置要求进行自检，检测每个端口是否可访问、配置端口的属性；
启动MVB通信模块，发送MODBUS通讯协议的握手信号，MVB网卡启动成功。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，
所述的Microblaze平台采用XC6SLX16芯片进行托管处理；
所述的Microblaze平台与所述的MVB控制器之间进行动态数据处理，其中动态数据处理的方法如下：
Figure GDA0004007669530000031
如式(I)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，l为动态数据处理的数据包长度，di为数据包进行矩阵分割的平均宽度，dmin为数据包矩阵分割后的最小值，dmax为数据包矩阵分割后的最大值，其中n为动态数据包的价值系数。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，还包括Microblaze平台的混合协议处理方式：
将处理后的动态数据进行给如下分析，
BN＝Erei×T(n) (II)，
如式(II)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，Eres为动态数据中广播数据包的平衡度，BN为动态数据的耗能因子矩阵系数。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信模块上加载有网络数据服务调度模块，其中网络数据服务调度模块用于将嵌入动态脚本语言并根据数据在动态脚本语言中编码规则进行MVB通信模块的配置中心的调整。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其中网络数据服务调度模块内置有网络优化方法，其中网络优化方法对动态数据进行算法优化如下：
Figure GDA0004007669530000041
式(III)中，其中v表示网络可视层，其中h表示网络隐层，其中θ表示网络的权值，其中E表示连接权重函数，其中Z为动态数据的网络通畅度。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明创造性引入MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，四种模块之间相互协同增效，解决了现有的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统存在网络转发效率低等问题。与传统技术相比，本发明不需要第三方子系统的主控设备软件参与，只需采用遵循MODBUS通讯协议的MVB网卡即可，动态数据利用Microblaze平台的改进算法进行优化处理，提高数据的可分割性，进而提高数据的动态均衡性，大大降低了对于主控设备开发人员的要求；同时，结合混合协议进行处理，综合网络数据服务调度模块，提高了MVB网卡中网络数据的传递效率。
附图说明
图1是本发明中MVB通信模块中MODBUS通讯协议单元的接口时序图；
图2是本发明中MVB控制器的系统框架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的标准MVB网卡系统包括MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路、所述的MVB通信模块、所述的MVB通信存储器均与所述的MVB控制器相连。整体结构简单，易于进行模块化管理。
所述的MVB物理层电路上加载有MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路用于实现与MVB总线之间的数据接收或发送功能。此外，MVB网卡的物理层结构，可以采用常规的MVB设备即可，将与MVB通信相关的底层驱动、底层数据通信控制、实时协议及主权控制均固化在MVB网卡上，而不需要第三方子系统的主控设备软件参与，因此，该MVB网卡具有通用性，无需主控设备直接驱动MVB控制器，从而大大降低了对于主控设备开发人员的要求，同时，主控设备需实现的MVB软件将变得非常简单，从而大大降低了对于主控设备处理器的处理能力；另外，由于与MVB通信相关的底层驱动、底层数据通信控制、实时协议及主权控制均固化在MVB网卡上，因此，主控设备无需调用API接口完成网络层、传输层功能，更无需对API接口的兼容性提出要求。
所述的MVB通信模块内置有MODBUS通讯协议单元，所述的MVB通信模块与第三方子系统之间通信连接，所述的MODBUS通讯协议单元与所述的MVB控制器的寄存器相连；如图1所示，MODBUS通讯协议单元的接口时序图，具体来说，MODBUS通讯协议单元的接口搭载在MVB通信模块的射频模块的接口上，采用SSB、SDI及SCLK三种串行数据接口，其中SSB为串行选择线，其中SDI为串行数据线，其中SCLK为串行时钟线，图中1帧数据为24位，0-17位为数据，19-23位为寄存器地址，第23位用来区别读写操作，0为写操作，1为读操作。
此外，所述的MVB通信存储器与所述的MVB通信模块之间进行数据交互处理；所述的MVB控制器与Microblaze平台相连。需要提醒的是，Microblaze平台需要与PowerPC进行互联，其中基于双口的PowerPC与Microblaze交互系统，包含PowerPC处理系统和Microblaze处理系统，Microblaze与PowerPC间采用FPGA内部双口RAM进行通信，PowerPC处理系统Local Bus通过局部并行总线与FPGA内部Microblaze处理系统通信，Microblaze处理系统包含双口RAM、Microblaze处理器和接口IP核，其中接口IP核包括RS422、ARINC429、SPI、GPIO和1553B。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB物理层电路上设置有MVB网关，所述的MVB网关包括上位机、物理层检测模块和数据链路层检测模块，所述的数据链路层检测模块将数据发射给所述的物理层检测模块并转发给所述的上位机，所述的上位机与所述的MVB通信模块相连。此处，建议选择基于HDL C协议的RS485-MVB网关，具体方案为：第一RS485-MVB网关和第二RS485-MVB网关；所述第一RS485-MVB网关和第二RS485-MVB网关分别包括：MVB板、处理器和RS485收发器；其中，所述第一RS485-MVB网关和第二RS485-MVB网关之间，通过所述MVB板和RS485收发器进行数据交互，所述第一RS485-MVB网关通过第一RS485收发器，发送主帧数据，和，获取并监视终端设备从帧数据，和，获取并监视所述第二RS485-MVB网关的从帧数据；所述第二RS485-MVB网关通过第二RS485收发器，获取终端设备从帧数据和所述主帧数据。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信模块采用RS-485接口，其中RS-485接口采用MODBUS通讯协议的RTU模式进行数据传输。同时，与上述MVB网卡进行通信的第三方子系统，对应MVB通信的软件非常简单，仅仅需要在主控设备上设置MVB通信数据接收或发送控制程序即可，而MVB通信数据接收或发送控制程序即为使得主控设备按照约定的通信协议与通信接口进行通信的程序，由此，通信接口与主控设备进行通信时，按照约定的通信协议进行通信。此时，MVB网卡就相当于一个外设存储器，而第三方子系统的主控设备只需按照约定的通信协议(或者说端口映射协议)将MVB通信对应的数据转储到MVB网卡上即可，MVB网卡自动实现MVB通信相关功能，即对数据进行处理及传输功能，从而，大大降低了对于主控设备的开发人员的要求及对于主控设备的处理器的处理能力的要求，最大限度的降低了MVB网卡应用于第三方子系统时的开发难度。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信存储器具有双口RAM、编码器及解码器，所述的双口RAM的数据入口与所述的编码器相连，所述的双口RAM的数据出口与所述的解码器相连，所述的编码器、所述的解码器均通过所述的MVB通信模块与所述的MVB控制器相连。具体来说，MVB通信存储器也可以根据实际需要进行具体设置。通信存储器用于将对应数据及信息进行缓存，其缓存的数据为通信接口接收或者发送的数据，即，将通信接口接收的由主控设备发送的数据以及需要通过通信接口发送至主控设备的数据进行缓存，以在需要时进行调取从而完成数据的传输；这些数据可以包括过程数据、消息数据及状态数据等，其中，过程数据可以包括对数据处理过程中产生的中间数据等，消息数据可以包括获取的主控设备或者MVB总线发送的消息等，状态数据可以包括指定模块的工作状态等；而其缓存的信息为与通信接口对应的控制信息，控制信息包括用于控制通信接口进行数据接收或者发送或者执行其他动作的全部信息，以在需要时进行调取从而完成对于通信接口的控制。通信存储器所实现的上述功能可以与背景技术中通信存储器所实现的功能一致。
所述的MVB控制器为SpartanⅡ系列的FPGA，其系统框架如图2所示，FPGA内部通过FSL总线与Microblaze平台相连，Microblaze平台通过指令OPB总线、数据OPB总线两类OPB总线分别于DDR控制器、Flash控制器、Ethernet MAC、GPIO及MDM相连。
需要提醒的是，系统硬件平台的搭建和相应的驱动配置是首先要完成的任务。在EDK的集成开发环境XPS(Xilinx Platform Studio)中先使用基本的系统生成向导BSB(Base System Builder),生成Microblaze系统(包括基本的Microblaze处理器功能单元的定制、系统外围总线结构、终端外设以及相应的地址映射和默认驱动)基本构架，生成结束时XPS可以自动地生成对硬件进行例化的微处理器硬件规范MHS(Microprocessor Hrdware Specification)和描述软件系统结构的微处理器软件规范文件MSS(Microprocessor Software Specification)以及一些相关的文件，这时还需要手动对这两个文件进行修改,即对系统进行适当的修改和优化，生成的系统经过综合、布局布线无误后,最终生成bit文件,然后下载到目标开发板上。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MODBUS通讯协议单元的操作方法如下：
所述的MVB通信模块的接口初始化，自动清空MVB通信模块的设备配置；
配置MVB通信模块的网络地址并初始化端口设置；
MVB通信模块的端口按照MODBUS通讯协议的设置要求进行自检，检测每个端口是否可访问、配置端口的属性；
启动MVB通信模块，发送MODBUS通讯协议的握手信号，MVB网卡启动成功。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，
所述的Microblaze平台采用XC6SLX16芯片进行托管处理；
所述的Microblaze平台与所述的MVB控制器之间进行动态数据处理，其中动态数据处理的方法如下：
Figure GDA0004007669530000071
如式(I)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，l为动态数据处理的数据包长度，di为数据包进行矩阵分割的平均宽度，dmin为数据包矩阵分割后的最小值，dmax为数据包矩阵分割后的最大值，其中n为动态数据包的价值系数。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，还包括Microblaze平台的混合协议处理方式：
将处理后的动态数据进行给如下分析，
BN＝Eres×T(n) (II)，
如式(II)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，Eres为动态数据中广播数据包的平衡度，BN为动态数据的耗能因子矩阵系数。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，所述的MVB通信模块上加载有网络数据服务调度模块，其中网络数据服务调度模块用于将嵌入动态脚本语言并根据数据在动态脚本语言中编码规则进行MVB通信模块的配置中心的调整。
上述所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其中网络数据服务调度模块内置有网络优化方法，其中网络优化方法对动态数据进行算法优化如下：
Figure GDA0004007669530000081
式(III)中，其中v表示网络可视层，其中h表示网络隐层，其中θ表示网络的权值，其中E表示连接权重函数，其中Z为动态数据的网络通畅度。需要提醒的是，采用上述方法进行测试后发现，网络数据包的丢失率为0，网络数据包的转发率为100％。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的标准MVB网卡系统包括MVB物理层电路、MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路、所述的MVB通信模块、所述的MVB通信存储器均与所述的MVB控制器相连；
所述的MVB物理层电路上加载有MVB通信模块、MVB通信存储器及MVB控制器，所述的MVB物理层电路用于实现与MVB总线之间的数据接收或发送功能；
所述的MVB通信模块内置有MODBUS通讯协议单元，所述的MVB通信模块与第三方子系统之间通信连接，所述的MODBUS通讯协议单元与所述的MVB控制器的寄存器相连；
所述的MVB通信存储器与所述的MVB通信模块之间进行数据交互处理；
所述的MVB控制器与Microblaze平台相连；
所述的Microblaze平台采用XC6SLX16芯片进行托管处理；
所述的Microblaze平台与所述的MVB控制器之间进行动态数据处理，其中动态数据处理的方法如下：
Figure FDA0004177558390000011
如式(I)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，l为动态数据处理的数据包长度，di为数据包进行矩阵分割的平均宽度，dmin为数据包矩阵分割后的最小值，dmax为数据包矩阵分割后的最大值，其中n为动态数据包的价值系数；
所述Microblaze平台的混合协议处理方式包括：
将处理后的动态数据进行给如下分析，
BN＝Eres×T(n) (II)，
如式(II)所示，T(n)为动态数据的压缩系数，Eres为动态数据中广播数据包的平衡度，BN为动态数据的耗能因子矩阵系数。
2.根据权利要求1所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的MVB物理层电路上设置有MVB网关，所述的MVB网关包括上位机、物理层检测模块和数据链路层检测模块，所述的数据链路层检测模块将数据发射给所述的物理层检测模块并转发给所述的上位机，所述的上位机与所述的MVB通信模块相连。
3.根据权利要求1所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的MVB通信模块采用RS-485接口，其中RS-485接口采用MODBUS通讯协议的RTU模式进行数据传输。
4.根据权利要求3所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的MVB通信存储器具有双口RAM、编码器及解码器，所述的双口RAM的数据入口与所述的编码器相连，所述的双口RAM的数据出口与所述的解码器相连，所述的编码器、所述的解码器均通过所述的MVB通信模块与所述的MVB控制器相连；
所述的MVB控制器为SpartanⅡ系列的FPGA。
5.根据权利要求1所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的MODBUS通讯协议单元的操作方法如下：
所述的MVB通信模块的接口初始化，自动清空MVB通信模块的设备配置；
配置MVB通信模块的网络地址并初始化端口设置；
MVB通信模块的端口按照MODBUS通讯协议的设置要求进行自检，检测每个端口是否可访问、配置端口的属性；
启动MVB通信模块，发送MODBUS通讯协议的握手信号，MVB网卡启动成功。
6.根据权利要求1所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
所述的MVB通信模块上加载有网络数据服务调度模块，其中网络数据服务调度模块用于将嵌入的动态脚本语言根据数据在动态脚本语言中的编码规则对MVB通信模块的配置中心进行调整。
7.根据权利要求6所述的基于MODBUS通讯协议及Microblaze平台实现的标准MVB网卡系统，其特征在于：
其中网络数据服务调度模块内置有网络优化方法，其中网络优化方法对动态数据进行算法优化如下：
Figure FDA0004177558390000031
式(III)中，其中ν表示网络可视层，其中h表示网络隐层，其中θ表示网络的权值，其中E表示连接权重函数，其中Z为动态数据的网络通畅度。
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