CN113923071B - 基于tsn的hart总线交换机电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于TSN的HART总线交换机电路，该电路使HART总线网络能够与TSN网络兼容。该电路支持多路HART总线网络接入，包括HART收发电路、TSN封包模块、TSN解包模块、VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表、多路选择器、RGMII接口、AXI接口。对于HART总线网络传来的上行HART协议数据，电路给数据添加相应的VLAN Tag，并封装上以太网帧头、帧尾，形成TSN协议数据，通过RGMII接口发送给电路外的TSN交换机；对于RGMII接口传来的下行TSN数据，电路将数据中的VLAN Tag和以太网帧头、帧尾去除，得到HART协议数据，并根据VLAN Tag中的VID号将该数据发送到相应的HART总线网络。

Description

基于TSN的HART总线交换机电路
技术领域
本发明涉及总线通信和电路设计领域，特别涉及一种基于TSN的HART总线交换机电路。
背景技术
HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国际上已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
时间敏感型网络(timesensitive network，TSN)是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。TSN 网络广泛应用于建筑、过程和工厂自动化等领域，其中，和工业以太网、现场总线的融合成为工业控制领域的热点。
虽然HART协议传输速率为1200bps，传输速率较低，但是传统HART协议设备无法对多个HART网络的总线协议数据进行优先级处理和实时调度。目前工业控制领域没有HART协议和TSN网络兼容的设备或产品。底层HART总线网络融入TSN网络不仅能满足用户进行自定义传输优先级的需求，使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低总线设备厂家设备在水平层面上的集成成本。
发明内容
鉴于以上内容，本发明的目的在于提出一种基于TSN的HART总线交换机电路，使得HART总线网络能够与TSN网络兼容。该电路支持多路HART总线网络接入，能够解决传统HART总线设备存在的缺乏实时控制、缺乏优先级调度机制等问题。本发明提供的基于TSN的HART总线交换机电路是这样的：
该电路包括：HART收发电路、TSN封包模块、TSN解包模块、VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表、多路选择器、RGMII接口、AXI接口。对于HART总线网络传来的上行HART协议数据，电路给数据添加相应的VLAN Tag，并封装上以太网帧头、帧尾，形成TSN协议数据，通过RGMII接口发送给电路外的TSN交换机；对于RGMII接口传来的下行TSN数据，电路将数据中的VLAN Tag和以太网帧头、帧尾去除，得到HART协议数据，并根据VLAN Tag中的VID号将该数据发送到相应的HART总线网络。
优选地，所述TSN封包模块用于将上行数据添加相应的VLAN Tag、以太网帧的前导码、起始符、MAC目的地址、MAC源地址、长度类型、FCS等各个字段，使上行数据成为符合 TSN协议的以太网帧；TSN解包模块将下行数据删除以太网帧的前导码、起始符、MAC目的地址、MAC源地址、长度类型、FCS、VLAN Tag，使下行数据成为符合HART总线协议的数据。
优选地，所述VLAN Tag为4个字节，包括2个字节的标签协议识别、3bit的优先级代码、 1bit的丢弃标志位、12bit的VID。用户可根据需求自定义每一路HART网络对应的优先级代码、丢弃标志位和VID。
优选地，该电路的VID映射表、优先级映射表和丢弃标志映射表由电路外的CPU通过 AXI总线进行配置。
附图说明
图1：基于TSN的HART总线交换机电路结构
图2：每一路HART网络对应的VLAN Tag
图3：TSN封包模块状态转移图
图4：TSN解包模块状态转移图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
本发明提出的基于TSN的HART总线交换机电路的一实施方式中，在一个电路中集成了多路HART收发电路、TSN(Time-sensitive Networking，时间敏感网络)封包模块、TSN解包模块、VID(VLAN Identifier，VLAN网络识别号)映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表、 RGMII接口(Reduced Gigabit Media Independent Interface，吉比特介质独立接口)、AXI接口。
具体地，TSN是IEEE 802.1Q标准的VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)。TSN 在标准以太网帧中插入4个字节用于定义其特征。包括：
(1)2个字节的标签协议识别，值为0X8100，代表这是一个TSN网络的数据帧；
(2)3bit的优先级代码，定义了0(最低)～7(最高)这8个优先级；
(3)1bit的丢弃标志，当其值为1时，表示对于服务质量要求低的数据可以丢弃，以保证高优先级数据的服务；
(4)12bit的VID号，表示每个子网的标识号。
如图1所示，HART总线交换机电路中的VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表通过AXI接口(Advanced extensible Interface，高级扩展接口)进行配置。
每当电路上电时，电路外的CPU(central processing unit，中央处理器)通过AXI接口，对 VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表的寄存器写入数据。VID映射表中保存了每一个HART总线网络对应的VID号；优先级映射表保存了每一路HART网络对应的优先级代码；丢弃标志映射表保存了每一路HART网络对应的丢弃标志位。
本发明实施例中，所述AXI接口选用AXI_lite。AXI_lite是AXI接口的简化版，是一种轻量级的地址映射传输接口，占用很少的逻辑单元，适合用于配置寄存器。在本发明中，电路外的CPU通过这个AXI_lite接口对VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表的寄存器进行初始化配置。
优选地，如图2所示，本发明实施例中给出了10个HART总线网络分别对应的VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表。其中，网络1和网络2的优先级被设定为最低，丢弃标志位设为1，表示当网络1、网络2的数据在TSN网络中流通时，一旦遇到数据拥塞，可以被丢弃或者被最后处理。
本发明实施例中，每一个HART收发电路连接一个HART总线网络。由于要和HART总线网络对接，HART协议规定数据的波特率为1200bps，所以HART收发电路的时钟速率选用1200。每个HART收发电路中有两个存储器，一个是接收存储器，另一个是发送存储器。接收存储器用于缓存在HART总线网络接收到的数据，发送存储器用于缓存即将发往HART 总线网络、TSN数据解包后的数据。
本发明实施例中，所述多路选择器的功能是：对于RGMII传来的下行数据，根据VID映射表将TSN解包模块解包后的数据分发到相应的HART收发电路；对于HART总线网络接收的上行数据，将数据汇集到TSN封包模块中；若有多路上行数据同时到来，则根据优先级映射表，按照先后次序依次处理数据。
本发明实施例中，所述RGMII接口用于连接HART总线交换机电路和电路外的TSN交换机，其数据传输速率为1000Mbps。通过RGMII接口，HART总线交换机可以将总线网络数据汇集到TSN网络中，由TSN网络进行处理调度；TSN交换机也可以将HART总线网络需要的数据通过RGMII接口发送给HART总线交换机电路。
优选地，如图3所示，本发明实施例中设计了TSN封包模块的状态转移图，状态转移图的每个状态分别对应TSN帧的每一个字段，保证完成封包之后的数据可以被TSN网络识别。 TSN封包模块将收到的HART总线数据封装成符合TSN协议的数据，并传输给RGMII接口。由于要和RGMII接口对接，TSN封包模块的时钟速率选用125M。其工作流程如下：
(1)上电之后，TSN封包模块进入idle(空闲)状态，等待HART总线的数据接受就绪。当 HART收发电路完成一条HART数据帧的接收和缓存后，发出一个接收完毕信号，TSN封包模块检测到接收完毕信号后，进入tx_pre(发送前导码)状态。当有多路HART收发电路同时发出接收完毕信号时，TSN封包模块将根据优先级映射表的优先级代码，通过多路选择器选取相应的数据，依次进行处理；
(2)在tx_pre状态中，TSN封包模块连续发送7次01010101数据。发送完成后，进入tx_sfd(发送起始符)状态；
(3)在tx_sfd状态中，TSN封包模块发送1次11010101数据。发送完成后，进入tx_addr(发送MAC地址)状态；
(4)在tx_addr状态中，TSN封包模块依次发送6byte的MAC目的地址和6byte的MAC源地址。发送完成后，进入tx_vlan(发送VLAN Tag)状态；
(5)在tx_vlan状态中，TSN封包模块依次发送标签协议识别0X8100、优先级映射表中指示的HART总线网络对应的3bit的优先级代码、丢弃标志映射表指示的HART总线网络对应的1bit的丢弃标志、VID映射表指示的HART总线网络对应的12bit的VID号。发送完成后，进入tx_leng(发送数据长度)状态。
(6)在tx_leng状态中，TSN封包模块发送HART总线数据的字节数。发送完成后，进入 tx_data(发送数据)状态；
(7)在tx_data状态中，TSN封包模块读取并转发HART收发电路中接收存储器中的数据。发送完成后，若数据的字节数小于46，则进入tx_pad(发送填充包)状态，若数据字节数大于等于46，则直接进入tx_fcs(发送帧校验序列)状态；
(8)在tx_pad状态中，TSN封包模块发送全0的数据，pad字段的字节数为46减去HART 总线数据字节数的差值。发送完成后，进入tx_fcs状态；
(9)在tx_fcs状态中，TSN封包模块发送4byte的CRC校验值。发送完成后，进入tx_ifg(发送以太网帧间隙)状态；
(10)在tx_ifg状态中，TSN封包模块不发送有用数据，等待12个时钟周期后回到idle状态。
优选地，如图4所示，本发明实施例中设计了TSN解包模块的状态转移图，状态转移图的每个状态分别对应TSN帧中的一个字段，保证完成解包之后的数据可以被HART总线网络识别。TSN解包模块将收到的TSN数据解封成符合HART协议的数据，并存入HART收发电路的发送存储器。由于要和RGMII接口对接，TSN封包模块的时钟速率选用125M。其工作流程如下：
(1)上电之后，TSN解包模块进入idle(空闲)状态，等待RGMII接口的数据。当RGMII接口收到数据之后，TSN解包模块进入rx_pre(接收前导码)状态；
(2)在rx_pre状态中，TSN解包模块边接收边检测数据的值。如果7个byte数据中每个字节的数据值都为01010101，表示接收到的TSN数据的前导码值正确，进入rx_sfd(接收起始符)状态，否则，回到idle状态；
(3)在rx_sfd状态中，TSN解包模块边接收边检测数据的值，如果接收到的1byte数据为 11010101，表示接收到的TSN数据的起始符值正确，进入rx_addr(接收MAC地址)状态，否则，回到idle状态；
(4)在rx_addr状态中，TSN解包模块依次接收6byte的MAC目的地址和6byte的MAC源地址，接收完成后，进入rx_vlan(接收VLAN Tag)状态；
(5)在rx_vlan状态中，TSN解包模块接收并锁存VID的值，以根据VID的值来确定此条数据帧发往哪个HART总线网络。接收锁存完毕之后，进入rx_leng(接收数据长度)状态；
(6)在rx_leng状态中，TSN解包模块接收并锁存数据的字节数。接收完毕后，进入rx_data(接收数据)状态；
(7)在rx_data状态中，TSN解包模块接收数据，并根据VID号将数据通过多路选择器存入到相应的HART收发电路中的发送存储器中。当接收数据的数量达到rx_leng状态中锁存的字节数后，表示接收数据完成，接下来回到idle状态。
综上所述，基于TSN的HART总线交换机电路是一种新型的总线交换机电路，该电路可以使得HART总线网络与TSN网络兼容，支持多路HART总线网络接入，能够解决传统HART总线设备存在的缺乏实时控制、缺乏优先级调度机制等问题，有更高的先进性和更强的实用性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述仅是为了阐明和例证，并非想将本发明限定为所公开的精确形式。并且很显然，本领域的技术人员能够实现本发明并利用本发明的的示例性实施方案进行各种不同的改变，这并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例技术方案的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于TSN的HART总线交换机电路，其特征在于：包括多个HART收发电路、TSN封包模块、TSN解包模块、多路选择器和RGMII接口，每一个HART收发电路连接一个HART总线网络，支持多路HART总线接口接入，兼容多路HART总线网络和TSN网络，对于HART总线网络传来的上行HART协议数据，电路为数据添加相应的VLAN Tag，并封装上以太网帧头、帧尾，形成TSN协议数据，TSN封包模块将HART收发电路收到的上行HART总线数据封装成TSN数据，再将数据发送到RGMII接口；通过RGMII接口发送给电路外的TSN交换机；对于RGMII接口传来的下行TSN数据，TSN解包模块将数据中的VLAN Tag和以太网帧头、帧尾去除，得到HART协议数据，并根据VLAN Tag中的VID号将该数据发送到相应的HART总线网络。
2.如权利要求1所述的基于TSN的HART总线交换机电路，其特征在于：HART收发电路内置VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表，通过AXI接口对VID映射表、优先级映射表、丢弃标志映射表的寄存器写入数据，这些映射表内的寄存器保存了每一路HART网络对应的VLAN Tag中各个字段。
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