CN114697270A - 一种基于epa网络模型的仲裁方法、系统、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于EPA网络模型的仲裁方法、系统、设备及介质，降低了系统实现复杂度，减小通信开销，提高仲裁效率。包括如下步骤：在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级和IP地址；在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，仲裁完成。

Description

一种基于EPA网络模型的仲裁方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及EPA网络通信技术领域，具体为一种基于EPA网络模型的仲裁方法、系统、设备及介质。
背景技术
实时总线网络通信技术(EPA网络)是用于工业测量与控制系统的以太网，网络通信采用基于时间片和基于优先级调度相结合的方法,按照预先组态的调度方案,对设备向网络上的发送的周期报文和非周期报文发送时间进行控制，从而保证网络上任意时刻都只有一个报文在传输,由此避免了碰撞,保证了设备间通信的确定性。对于不同种类的非周期报文按照优先级和IP地址进行发送调度，从而保证了设备间通信的实时性。
现有的非周期通信采取基于令牌的集中仲裁方式，该方法需要额外消耗通信时间和控制报文来完成。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于EPA网络模型的仲裁方法、系统、设备及介质，降低了系统实现复杂度，减小通信开销，提高仲裁效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于EPA网络模型的仲裁方法，包括如下步骤：
在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级和IP地址；
在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，仲裁完成。
优选地，所述周期数据包括本地数据、网间转发数据和同步数据。
优选地，所述非周期数据包括本地组态信息、网间组态信息、非周期同步信息和非周期数据信息。
优选地，所述每个节点的周期报文的调度方式采用分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发。
优选地，所述比较周期报文中的优先级和IP地址与某一节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，包括第一仲裁阶段和第二仲裁阶段：
第一仲裁阶段包括对每个节点要发送的非周期数据进行优先级判断和比较，仲裁出本节点优先级最高的非周期报文，将获取的优先级嵌入到周期报文的优先级段中并发送至其他节点；
第二仲裁阶段包括每个节点根据需要发送的数据的优先级和接收到其他节点需要发送的数据的优先级和IP地址进行比较仲裁。
优选地，所述节点是否有发送权是根据需要发送的数据的优先级高低和IP地址大小仲裁确定。
本发明还提供一种基于EPA网络模型的仲裁系统，包括：
非周期优先级标记模块，用于在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级；
周期优先级解析模块，用于在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较仲裁模块，用于比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内是否该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁。
优选地，还包括发送调度模块，用于对每个节点的周期报文进行调度，调度方式采用分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发。
本发明还提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述指令由所述处理器执行时实现上述仲裁方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述仲裁方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种基于EPA网络模型的仲裁方法，提出分布式发送仲裁的概念，该仲裁方法在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段用以标记本节点在当前宏周期内的非周期数据优先级。在网络宏周期的周期段，每个节点监听其他节点周期数据，解析报文中的优先级和IP地址，并且与本节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址进行比较，从而确定本节点在当前宏周期内是否发送非周期数据。在非周期段通信开始前时，各个节点根据仲裁结果确定非周期数据的发送。通过本地IP之间的仲裁以及本地与其他IP之间的仲裁，使得仲裁方式分布化到各个节点之间，取代了传统的集中式发送仲裁方式，可以简化设计，提高信道利用率，降低了系统实现复杂度，减小通信开销，提高仲裁效率。
附图说明
图1为本发明仲裁方法步骤流程图；
图2为本发明仲裁系统结构框图；
图3为本发明实时总线网络通信调度原理示意图；
图4为本发明设计通信系统框图；
图5为本发明实施例中仲裁第一阶段流程图；
图6为本发明实施例中仲裁第二阶段流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种基于EPA网络模型的仲裁方法，采用了如下技术方案，包括如下步骤：
在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级和IP地址；
在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，仲裁完成。
本发明提供的仲裁方法，针对实时总线网络非周期通信基于令牌的仲裁方式实现过程中开销大，效率低，实现复杂度高的特点，提出了一种端节点分布式仲裁方式。省去了原方式中节点竞争的维护工作，降低了系统实现复杂度。通信中不需要非周期声明报文的维护，减小了通信开销，提高了仲裁效率。在非周期段通信开始前时，各个节点根据仲裁结果确定非周期数据的发送。通过本地IP之间的仲裁以及本地与其他IP之间的仲裁，使得仲裁方式分布化到各个节点之间，取代了传统的集中式发送仲裁方式，可以简化设计，提高信道利用率。
如图3所示，实时总线网络发通信调度原理，其中，实时总线网络(EPA)将通信过程分成周期通信和非周期通信。周期通信报文主要包括需要发送的本地数据、网间转发数据和同步数据，其调度方式是采取分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发，从而保证周期性报文的确定性、实时性和可靠性。非周期报文主要用于传输对于实时性要求较低的数据类型，包括本地组态信息、网间组态信息、非周期同步信息和数据信息四种，这四种报文的优先级各自不同，详细见表1。
仲裁过程中，每个宏周期只有一个端节点可以发送非周期数据，其发送权是按照其优先级高低和IP地址大小仲裁得到。
表1非周期数据优先级
非周期数据类型 优先级
组态(停止)报文 0x0
同步报文 0x1
其他类型组态报文 0x2-0x7
非周期数据报文 0x7-0xff
具体地，本发明中，非周期数据仲裁过程分为2个阶段，第一阶段是根据本节点收到的需要发送的四种周期报文进行优先级比较，仲裁出本节点优先级最高的非周期报文，并在周期段来临之前将自己的优先级嵌入到周期报文优先级段中进行发送。第二阶段是每个节点根据自己需要发送的数据的优先级和收到的别的节点的优先级和IP地址进行仲裁，共同得到本节点能否发送信息。两个阶段仲裁具体控制流程见图5和图6。
为实现本发明所述的仲裁方法，本发明还提供一种仲裁系统，如图2所示，包括：
非周期优先级标记模块，用于在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级；
周期优先级解析模块，用于在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较仲裁模块，用于比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内是否该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁。
此外，为实现以上功能，还设计有设计通信系统用以完成调度功能，设计通信系统主要由周期控制模块、发送调度模块、存储转发模块、WB总线仲裁模块、1588同步模块、组态控制与解析、四冗余模块及底层MAC控制器组成。周期控制模块、发送调度模块和存储转发模块各实例化2个，分别控制A网段和B网段的发送调度工作。系统通信框图如图4所示。
其中，发送调度模块主要功能是调度需要发送的周期和非周期数据，对每个节点的周期报文进行调度，调度方式采用分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发。在周期窗到来的时候按照初始化时分配的不同节点的时隙将各个目的节点的数据进行拼接组合后发送，并且在非周期窗口到来前完成优先级和IP的比较，每个节点根据比较的结果仲裁出非周期段发送数据的类型并进行发送。
实施例
根据本发明的内容，设计详细实现方案，非周期数据发送流程图如图5和图6所示。
(1)非周期数据发送仲裁第一阶段：确认本节点需要发送的非周期数据。该仲裁是在时间到达非周期段优先级比较阶段1时刻点，该时刻点为周期段开始前t1时间。
①判断本节点是否有网间组态信息需要发送，如果是，则将本地优先级置为网间组态信息优先级，第一阶段仲裁结束；如果不是，则执行②；
②判断本节点是否有本地组态信息需要发送，如果是，则执行③，不是则执行④；
③判断本节点本地组态信息是否为停止报文，如果是，则将本地优先级置为0，第一阶段仲裁结束；如果不是，则执行④；
④判断本节点此时是否有非周期同步请求，如果是，则将本地优先级置为1，第一阶段仲裁结束；如果不是，则执行⑤；
⑤判断本节点此时是否有非周期数据请求，如果是，则将本地优先级置为节点数据优先级；如果不是，将本地优先级置为0xFF，第一阶段仲裁结束。
此时本节点需要发送的非周期数据优先级已经判断完成，得到的优先级会嵌入周期报文中的相应字段发送出来。各个节点收到其他节点周期报文后会将其优先级和IP地址提取出来进行第二阶段仲裁。
t1时刻后到达的非周期数据发送请求会在下一个宏周期的t1时刻进行仲裁。
(2)非周期数据发送仲裁第二阶段：本节点需要发送的非周期数据与其他节点需要发送的非周期数据进行仲裁，判断本节点该非周期是否发送。该仲裁是在非周期段优先级比较阶段2时间窗内，该时间窗为非周期段开始前t2～t3。
①如果本节点需要发送的非周期数据优先级为0，则非周期段本节点发送停止报文，优先级仲裁结束。否则，执行②；
②时间窗t2～t3内有别的节点优先级和IP输入时，比较本地优先级、IP和其他节点优先级、IP。若本节点优先级<其他节点优先级,则该次仲裁结果为本地节点发送，执行⑤。否则，执行③；
③本地优先级＝本地优先级时，比较本地IP和其他节点IP。若本节点IP<其他节点IP，则该次仲裁本地节点发送，执行⑤。否则执行④；
④若本节点IP>其他节点IP，则该非周期段本节点不发送，仲裁完成。
⑤若t2～t3时间窗结束前还有别的节点的优先级和IP输入，则重复执行②，否则该非周期段本节点发送相应优先级数据，仲裁完成。
根据上述方案，用Verilog HDL语言对所述仲裁方法进行逻辑设计描述，并完成逻辑综合与布局布线，实现一款EPA发送控制器；同时，设计一款基于FPGA的硬件验证板，并对控制器的功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，包括如下步骤：
在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级和IP地址；
在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，仲裁完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，所述周期数据包括本地数据、网间转发数据和同步数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，所述非周期数据包括本地组态信息、网间组态信息、非周期同步信息和非周期数据信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，所述每个节点的周期报文的调度方式采用分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发。
5.根据权利要求1所述的一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，所述比较周期报文中的优先级和IP地址与某一节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁，包括第一仲裁阶段和第二仲裁阶段：
第一仲裁阶段包括对每个节点要发送的非周期数据进行优先级判断和比较，仲裁出本节点优先级最高的非周期报文，将获取的优先级嵌入到周期报文的优先级段中并发送至其他节点；
第二仲裁阶段包括每个节点根据需要发送的数据的优先级和接收到其他节点需要发送的数据的优先级和IP地址进行比较仲裁。
6.根据权利要求5所述的一种基于EPA网络模型的仲裁方法，其特征在于，所述节点是否有发送权是根据需要发送的数据的优先级高低和IP地址大小仲裁确定。
7.一种基于EPA网络模型的仲裁系统，其特征在于，包括：
非周期优先级标记模块，用于在每个节点发送的周期报文中加入优先级字段标记出各个节点在当前宏周期内的非周期数据的优先级；
周期优先级解析模块，用于在宏周期的周期段，每个节点监听其他节点的周期数据，并解析周期报文中的优先级和IP地址；
比较仲裁模块，用于比较周期报文中的优先级和IP地址与其他节点要发送的非周期数据的优先级和IP地址，并根据比较结果对当前宏周期内是否该节点是否有发送权发送非周期数据进行仲裁。
8.根据权利要求7所述的一种基于EPA网络模型的仲裁系统，其特征在于，还包括发送调度模块，用于对每个节点的周期报文进行调度，调度方式采用分时发送机制，按照组态时配置时隙和长度进行发送或转发。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述指令由所述处理器执行时实现权利要求1-6任意一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任意一项所述方法的步骤。
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