CN114640558A - 多点以太网总线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制背板通信的工业系统，包括：集群管理器(CM)，其通过无源基板(BP)、经由多点低压差分信令MLVDS总线链接到输入/输出模块(IOM)，其中MLVDS总线包含用于集群管理器(CM)的发送线和接受线，其中MLVDS总线的发送线由输入/输出模块(IOM)共享用于接收由集群管理器(CM)发送的数据，其中MLVDS总线的接受线由输入/输出模块(IOM)共享用于将数据发送到集群管理器(CM)，其中，输入/输出模块与集群管理器在时间上同步，并被配置为在各个调度时间窗口在MLVDS总线的接受线上发送数据。

Description

多点以太网总线

技术领域

本公开总体上涉及工业网络，并且更具体地，涉及支持多种工业以太网协议、现场总线协议和工业应用处理，并且为工业体系结构中的可编程逻辑控制器的背板通信提供高性能的系统。

背景技术

工业自动化/控制系统被采用以控制包括过程、机器等的各种系统的操作，并且通常通过多个控制系统组件或设备(诸如控制模块、输入/输出(I/O)模块、I/O设备等)的配置和互连来适应不同的控制应用。现有的工业控制系统通常包括运行或执行控制程序的处理器，以与I/O系统(例如，通常一个或多个I/O模块或设备)交互，以从现场传感器接收模拟和/或数字输入形式的系统信息，并向一个或多个致动器提供输出(模拟和/或数字)。工业控制系统越来越多地与制造设施中的管理信息和其他系统互连，并且可以可操作地连接到任何数量的通信网络，以便于除了过程/机器控制功能之外的各种商业管理功能，诸如库存控制、会计、制造控制等。

集成商业和控制网络结构以将工业控制系统与通用系统互连的愿望，连同快速以太网(例如，在具有全双工能力的交换模式下)的演进和发展，已经允许工业以太网网络(例如，诸如允许现场设备直接连接到以太网网络的以太网/IP网络)广泛用于工业应用。事实上，工业以太网正在成为工业自动化领域的主导(如果不是现有的话)技术。

如图1所示，在切片(slice)I/O架构中，独立的I/O岛通过以太网/IP等现场总线连接到可编程逻辑控制器PLC等控制设备，并包含通过集群管理器CM分别驱动I/O模块集群的头部HD。集群是一组I/O模块IOM，高达32个模块，通过背板物理链接在一起，并且I/O模块IOM是将电信号转换为数字值的常用自动化模块。在集群中，集群管理器和不同模块之间通信的通常方式是使用外部交换机SWE，它直接连接到I/O模块中每一个和集群管理器。

然而，在具有空间约束的情况下，外部交换机SWE可能变得繁琐且昂贵，并且其中I/O模块的数量很高，高达32个，使得实时解决方案成为问题。

因此，需要实现I/O模块和集群管理器之间考虑高速通信和可靠性实时约束以及低成本产品的高效通信。

发明内容

提供本概述是为了介绍与本发明主题相关的概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的基本特征，也不旨在用于确定或限制所要求的主题的范围。

在一个实现中，提供了一种用于控制背板通信的工业系统，包括：

集群管理器(CM)，其通过无源基板(BP)、经由多点低压差分信令MLVDS总线链接到输入/输出模块(IOM)，

其中MLVDS总线包含用于集群管理器的发送线和接受线，

其中MLVDS总线的发送线由输入/输出模块(IOM)共享用于接收由集群管理器(CM)发送的数据，

其中MLVDS总线的接受线由输入/输出模块(IOM)共享用于将数据发送到集群管理器(CM)，

其中，输入/输出模块与集群管理器在时间上同步，并被配置为在各个调度时间窗口在MLVDS总线的接受线上发送数据。

有利的是，该系统提供了不涉及交换机或集线器的多点以太网连接，并且通过使用无源基板和MLVDS总线，在考虑实时约束和低成本产品的同时实现了I/O模块和集群管理器之间的通信。在无源基板中使用MLVDS总线允许高可靠性，并且背板中没有有源元件，且最小化故障风险，并且提供了不需要外部交换机的低成本解决方案。

从集群管理器的角度来看，MLVDS总线的接受线和发送线的分离产生了100Mb/s或更高的全双工通信。

在实施例中，数据在以太网帧中发送。

在实施例中，数据根据开放平台通信联合架构进行格式化。

在实施例中，其中集群管理器和输入/输出模块中的每一个包括各自的交换机以在MLVDS总线上发送和接收数据。

在实施例中，上述交换机是时间敏感联网交换机。

时间敏感联网交换机允许创建从I/O模块到集群管理器的时间共享多点通信，而无需使用外部交换机。时间敏感联网交换机的使用为数据传输带来了确定性和高水平的性能和开放性(标准以太网)。

在实施例中，上述交换机包括基于精确时间协议同步的各自的时钟。

在实施例中，集群管理器在调度时间窗口在MLVDS总线的发送线上的帧中向所有输入/输出模块发送数据。

在实施例中，每个输入/输出模块仅处理帧中寻址到它的数据，并丢弃该帧的其他数据。

在实施例中，数据可以是输入/输出数据或服务数据，其中输入/输出数据对应于包括输入/输出模块的输入和输出值的机器数据，服务数据涉及来自连接到I/O模块的设备的服务信息。

在实施例中，输入/输出数据在静态时间窗口中以确定性延迟的方式被发送到集群管理器。

在实施例中，服务数据在动态时间窗口中以最大努力的方式被发送到集群管理器。为服务通信使用动态分配的时间窗口允许优化MLVDS总线上的带宽使用。

在实施例中，交换机用IEEE 802.1Qbv时间感知调度器来实现，以调度静态时间窗口和动态时间窗口。

附图说明

详细描述是参考附图进行描述的。在附图中，附图标记的最左边的一个或多个数字表示该附图标记首次出现的附图。贯穿附图使用相同的数字来引用相似的特征和组件。现在仅通过示例的方式并参考附图来描述根据本主题的实施例的系统和/或方法的一些实施例，其中：

图1示出了在集群管理器和I/O模块之间使用外部交换机的工业通信系统的示意框图；

图2示出了根据本发明一个实施例的在多点背板中使用多点低压差分信令总线的工业通信系统的示意框图；以及

图3示出了多点低压差分信令系统的示意框图。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或相同类型的元件。

本领域技术人员应该理解，本文的任何框图都代表体现本主题原理的说明性系统的概念图。类似地，将会理解，任何流程图、流程框图、状态转移图、伪代码等表示各种过程，这些过程可以基本上在计算机可读介质中表示，并且由计算机或处理器执行，无论是否明确示出了这样的计算机或处理器。

具体实施方式

附图和以下描述说明了本发明的具体示例性实施例。因此，应当理解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文没有明确描述或示出，但是这些布置体现了本发明的原理，并且包括在本发明的范围内。此外，本文描述的任何示例都旨在帮助理解本发明的原理，并且被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。因此，本发明不限于下面描述的具体实施例或示例，而是由权利要求及其等同物来限定。

参考图2，工业通信系统包括集群管理器CM、一组I/O模块IOM、基板BP和包括两条多点低压差分信令(MLVDS)线的MLVDS总线。

集群管理器CM能够经由MLVDS总线管理与一组I/O模块IOM(高达32个)的通信，并可选地经由以太网和控制器局域网(CAN)总线管理与另一集群管理器的通信。集群管理器CM由可以驱动其他集群管理器的头部来驱动。在一个实施例中，集群管理器包括在经由现场总线连接到PLC等控制设备的头部中。在一个实施例中，头部也包括在PLC中。

I/O模块IOM可以包括模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，用于连接传感器和现实世界、通信模块、数字输入和输出、中继等。I/O模块通过MLVDS总线以适应的分组格式与控制管理器CM通信。

基板BP分别与插入其中的I/O模块相关联。基板BP可以被设计成形成用于该组I/O模块的背板，基板和相关联的I/O模块的每个组合形成背板的一切片。

每个基板都是无源基板，其不提供有源总线驱动电路，任何所需的仲裁逻辑都放置在I/O模块上。因此，预计无源基板不会具有单点故障(SPOF)。

MLVDS总线是一种物理介质，其被配置为耦合到多个I/O模块和集群管理器，并提供多分支能力(multi-drop capability)。MLVDS总线设计为允许以超过100Mbps的速率传输数据。例如，I/O模块的交换机或集群管理器通过精简千兆介质无关接口(RGMII)连接到MLVDS总线。

图3说明了MLVDS总线的概念，并示出了涉及一个驱动器和三个接收器的多点连接。同一通道(lane)上有单个驱动器连接到多个接收器。

由于LVDS是差分信令系统，它以一对线路上的电压差来发送信息；这两个线电压在接收LVDS信号的LVDS接收器处进行比较。在典型的实现中，LVDS发送器向线路中注入恒定电流，其中电流的方向确定正被传送的逻辑电平。电流通过接收端的终端电阻(与电缆的特性阻抗匹配，以减少反射)，然后经由另一线路以相反的方向返回。LVDS接收器感测跨电阻器的电压的极性，以确定正被传送的逻辑电平。这提供了二进制数据的传输。

MLVDS技术允许高达32个节点的多点连接，信令速率达500Mbps。MLVDS的共模范围可能将应用限制在30米或更短的电缆，但这取决于环境。

根据用于集群管理器的MLVDS总线的发送线的一个实施例，单个驱动器对应于集群管理器，并且接收器对应于I/O模块。用于集群管理器的MLVDS总线的接受线以类似的方式构建，其中多个I/O模块将接收器替换为驱动器，而集群管理器将驱动器替换为接收器。集群管理器是发送线中的唯一驱动器，也是接受线中的唯一接收器。

根据TIA/EIA-899标准，带有发送线和接受线的MLVDS总线允许在驱动器和接收器之间建立高达200Mbps的全双工通信。

返回参考图2，MLVDS总线包括用于在终端Tx处作为驱动器的集群管理器CM的发送线。发送线与在各自终端Rx处作为接收器的I/O模块IOM共享。MLVDS总线包括用于在终端Rx处作为接收器的集群管理器CM的接受线。接受线与在各自终端Tx处作为驱动器的I/O模块IOM共享。

集群管理器CM和I/O模块中的每一个包含交换机、MAC驱动器MD和微控制器MC。

集群管理器CM的交换机SWC能够处理与I/O模块以及与其他集群管理器和/或与头部(如果集群管理器不包括在此后者中)交换的以太网帧。I/O模块的交换机SWM能够处理与集群管理器交换的以太网帧。

MAC驱动器MD通常操作用于控制对MLVDS总线的访问。例如，MAC驱动器可以控制交换机是发送还是接收数据和时钟信号，并且更具体地说，可以控制交换机的哪些端口被配置为发送或接收数据。例如，交换机的端口可以被配置为在调度时间窗口发送特定帧。

I/O模块的交换机SWM和MAC驱动器MD共享同一时钟。此外，集群管理器的交换机SWC和MAC驱动器MD共享同一时钟。假设所有的时钟都是同步的，例如通过通用精确时间协议(gPTP)，该协议采用UDP消息来建立时钟的层次，并在集群管理器和I/O模块所属的gPTP域中同步时间。对于具有端到端传输延迟的不可协商的时间边界的实时通信，所有交换机都有公共时间参考，因为它们的时钟在彼此之间是同步的。

所有交换机都被定义为时间敏感联网(TSN)交换机，它允许集群管理器和I/O模块之间的全双工通信，而不会在数据流量中产生任何冲突。此外，这些交换机利用OPC-UA(开放平台通信联合架构)帧求和加速是可编程的。OPC-UA是工业通信的数据交换标准，并且是独立于平台的面向服务的体系结构，将各个OPC Classic规范的所有功能集成到可扩展的框架中。通常，利用OPC-UA帧求和加速，交换机能够发送包含连接到MLVDS总线的所有节点(集群管理器或I/O模块)的数据的以太网帧。以太网帧按顺序通过所有节点，当它到达干线上最后的节点时，帧会再次返回。当帧沿一个方向通过时，节点处理帧中的信息。每个节点动态地读出寻址到它的数据，并将响应数据插回到帧中。

更具体地说，TSN交换机是用IEEE 802.1Qbv时间感知调度器实现的，并且知道控制流量的周期时间。TSN交换机能够在特定时间窗口期间阻塞非控制流量，以确保当预期控制流量时，控制流的出口端口是空闲的。TSN交换机可以配置每个出口端口具有单独的调度。

IEEE 802.1Qbv时间感知调度器旨在将MLVDS总线上的以太网帧的通信分成固定长度的重复时间周期。在这些周期内，可以将不同的时间窗口配置为分配给一个或多个优先级。通过时间窗口的调度，有可能在有限的时间内为特定数据流量授予发送线的独占使用，例如需要传输保证并且不能被中断。时间窗口的调度基于时分多址(TDMA)方案。通过为特定时间段建立虚拟通信信道，时间关键型通信可以与非关键型后台流量分离。

微控制器MC能够处理帧的内容，并且可以包括例如具有

Cortex^TM M7的主CPU平台和例如具有

Cortex^TM M33的安全CPU平台。

集群管理器CM的微控制器MC还包含分组处理器，该分组处理器管理来自I/O模块通过交换机SWC的以太网帧。分组处理器能够提取每个以太网帧的有效载荷，验证每个有效载荷的签名，将所有有效载荷串联到一个有效载荷中成为仅一个串联的以太网帧，计算新的签名，并将串联的以太网帧发送到处理单元。

数据的流量可以包括至少三种类型的数据：I/O数据、服务数据和控制数据。I/O数据对应于机器数据，并且可以主要包括I/O模块的输入和输出的值。服务数据可以涉及来自连接到I/O模块的设备的服务的信息。例如，服务数据可以由能够为如状态请求、日志错误请求等特定请求提供信息的应用来处理。控制数据被处理以管理交换机的行为，特别是触发服务数据的交换。

I/O数据流量在静态时间窗口中进行调度，并提供确定性延迟。服务数据流量根据最大努力的方式在动态时间窗口中进行调度。因此，在MLVDS总线的同一发送线上有双重数据流管理，其中I/O数据流量具有确定性延迟和最大努力的服务数据。控制数据在静态时间窗口中被调度，特别是命令服务数据的流量队列的门的打开和关闭。

交换机根据IEEE 802.1Qbv标准引入的时间感知整形(TAS)的概念管理不同的流量队列。时间感知整形通过将流量划分到门控制列表(GCL)中配置的不同预配置时隙来实现确定性。时间感知整形器由不同的流量队列组成。每个队列与门相关联，并且具有选择从队列中发送的下一分组的传输选择算法。队列可以按照先进先出(FIFO)的方式组织。门的状态可以是打开的，也可以是关闭的，只有打开的门才能发送数据包。时间感知门根据其配置的时间打开和关闭。GCL规定了各州的时间表。列表的每个条目由一组门状态及其持续时间组成。

在一个实施例中，一些流量队列专用于I/O数据，并被调度为在静态时间窗口中传输，具有确定性延迟。其他一些流量队列专用于服务数据，并计划在动态时间窗口内以最大努力方式传输。

在每个时间周期，交换机命令在调度时间窗口内打开门，用于发送与上述门相关联的队列中的数据，其他门保持关闭。在每个时间周期，交换机可以在静态时间窗口中发送I/O数据，在另一个静态时间窗口中发送控制数据，并可能在群集管理器调度的动态时间窗口中发送服务数据。

从I/O模块集群的角度来看，在每个时间周期，I/O模块在各自的调度时间窗口在MLVDS总线的接受线上发送数据。在每个时间周期，集群管理器在各自的调度时间窗口在MLVDS总线的发送线上发送数据。所有I/O模块都接收由集群管理器发送的相同以太网数据帧，并且采用数据的OPC-UA格式，每个I/O模块只处理寻址到它的特定数据，并丢弃其他数据。

由于I/O模块的交换机的同步时钟，所有I/O模块可以共享MLVDS总线的接受线，以在每个时间周期以确定性延迟在各自的调度静态时间窗口发送I/O数据。得益于IEEE802.1Qbv时间感知调度器，至少有一个I/O模块能够以最大努力的方式在调度动态时间窗口通过MLVDS总线的接受线传输服务数据。

尽管上面已经参照特定实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于在此阐述的特定形式。相反，本发明仅受所附权利要求的限制，并且在这些所附权利要求的范围内，除了上述特定实施例之外的其他实施例同样是可能的。

此外，尽管上面已经在组件和/或功能的一些示例性组合中描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。此外，特别预期的是，单独描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的一部分相结合。

Claims (12)

1.一种用于控制背板通信的工业系统，包括：

集群管理器(CM)，其通过无源基板(BP)经由多点低压差分信令MLVDS总线链接到输入/输出模块(IOM)，

其中，MLVDS总线包含用于集群管理器(CM)的发送线和接受线，

其中，MLVDS总线的发送线由输入/输出模块(IOM)共享用于接收由集群管理器(CM)发送的数据，

其中，MLVDS总线的接受线由输入/输出模块(IOM)共享用于将数据发送到集群管理器(CM)，

其中，输入/输出模块与集群管理器在时间上同步，并被配置为在各自的调度时间窗口在MLVDS总线的接受线上发送数据。

2.根据权利要求1所述的工业系统，其中，数据在以太网帧中发送。

3.根据前述权利要求中任一项所述的工业系统，其中，数据根据开放平台通信联合架构进行格式化。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工业系统，其中，集群管理器和输入/输出模块中的每一个输入/输出模块包括各自的交换机以在MLVDS总线上发送和接收数据。

5.根据权利要求4所述的工业系统，其中，所述交换机是时间敏感联网交换机。

6.根据权利要求4或5所述的工业系统，其中，所述交换机包括基于精确时间协议同步的各自的时钟。

7.根据前述权利要求中任一项所述的工业系统，其中，集群管理器在调度时间窗口在MLVDS总线的发送线上在帧中向所有输入/输出模块发送数据。

8.根据权利要求7所述的工业系统，其中，每个输入/输出模块只处理帧中寻址到它的数据，并丢弃该帧的其它数据。

9.根据前述权利要求中任一项所述的工业系统，其中，数据可以是输入/输出数据或服务数据，其中，输入/输出数据对应于包括输入/输出模块的输入和输出值的机器数据，并且服务数据涉及来自连接到I/O模块的设备的服务的信息。

10.根据权利要求9所述的工业系统，其中，输入/输出数据在静态时间窗口中以确定性延迟方式被发送到集群管理器。

11.根据权利要求9或10所述的工业系统，其中，服务数据在动态时间窗口中以最大努力的方式被发送到集群管理器。

12.根据权利要求4或11所述的工业系统，其中，所述交换机用IEEE802.1Qbv时间感知调度器来实现，以调度静态时间窗口和动态时间窗口。

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