CN115915384A - 主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向各从站发送使能从站测量延时帧，以使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于通信周期向各从站周期性发送同步帧，以供各从站根据同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据从站同步信号与主站进行通信数据传输。通过确定各从站对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

Description

主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质

技术领域

本申请涉及工业网络技术领域，尤其涉及主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质。

背景技术

随着工业领域技术的飞速发展，运动控制、伺服、机器人等产业发展迅猛，进而促进了工业实时通信技术的发展，工业控制的精度要求也日益严苛，对数据传输实时性要求严格，促使出现各种各样的工业实时通信技术，但由于实时控制的现场应用环境不同，对协议及芯片的要求较高，导致工业实时通信技术推广应用过程中，仍难以实现主站和从站之间的时间同步。

因此，有必要提出一种实现主站和从站之间的时间同步的解决方案。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质，实现主站和从站之间的时间同步。

为实现上述目的，本申请提供一种主站和从站的通信方法，所述主站和从站的通信方法应用于主站，所述主站和从站的通信方法包括：

通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

可选地，所述主站与所述各从站依次串联形成环形网络，所述通过设备扫描和站号分配帧确定各从站的步骤包括：

向与主站连接的第一从站发送所述设备扫描和站号分配帧，以供所述第一从站接收所述设备扫描和站号分配帧，根据所述设备扫描和站号分配帧进行本机地址设置，修改所述设备扫描和站号分配帧，并将修改后的设备扫描和站号分配帧转发至下一从站，直至所述各从站依次完成本机地址设置及对所述设备扫描和站号分配帧的修改后，由与所述主站连接的最后一个从站将修改完成的设备扫描和站号分配帧返回至所述主站；

接收所述修改完成的设备扫描和站号分配帧，并根据所述修改完成的设备扫描和站号分配帧确定所述各从站对应的的站号。

可选地，所述主站包括主站第一网口及主站第二网口，所述各从站分别包括从站第一网口及从站第二网口，所述向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间的步骤包括：

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述环形网络中的每个从站进入配置状态，并分别向所述环形网络的两个方向发送主从线路延时测量帧并记录发送时间；

在所述主站第一网口及主站第二网口分别接收到所述主从线路延时测量帧时，分别通过对应的网口回传所述主从线路延时测量帧至对应的从站，以供对应的从站根据所述从站第一网口及从站第二网口接收到所述主从线路延时测量帧的时间得到第一到达时间及第二到达时间，并基于所述发送时间、第一到达时间及第二到达时间计算得到对应的传输延时时间。

可选地，所述基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输的步骤包括：

根据所述通信周期，通过所述主站第一网口及主站第二网口同时周期性发送同步帧，以供所述各从站分别通过对应的从站第一网口及从站第二网口接收所述同步帧，并将先接收到的同步帧通过另一网口转发至所述主站，记录对应的转发时间，并根据所述转发时间及对应的传输延时时间确定所述从站同步信号的生成时间，基于所述生成时间产生所述从站同步信号并进入运行状态；

在接收到所述各从站转发的同步帧时，产生对应的主站同步信号，并在两次产生的主站同步信号间隔间，轮流与所述各从站进行通信数据传输。

可选地，所述基于所述通信周期向所述各从站发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输的步骤之后还包括：

在每个通信周期的预设时间，向所述各从站中预设站号对应的从站发送所述使能从站测量延时帧，以使所述预设站号对应的从站响应于所述使能从站测量延时帧，进行主从站线路延时测量，得到更新的传输延时时间。

可选地，所述主站和从站的通信方法应用于从站，所述主站和从站的通信方法包括以下步骤：

基于主站发送的设备扫描和站号分配帧进行站号配置，以使所述主站确定各从站；

接收所述主站发送的使能从站测量延时帧，并响应于所述使能从站测量延时帧，得到传输延时时间；

接收所述主站周期性发送的同步帧，并根据所述同步帧及所述传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种主站和从站的通信模组，所述主站和从站的通信模组包括应用层、数据链路层及物理层，其中，所述数据链路层包括：

参数配置模块，用于获取通信周期；

帧调度模块，用于对设备扫描和站号分配帧、使能从站测量延时帧以及同步帧进行管理，以使主站通过所述设备扫描和站号分配帧确定各从站，并使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间。

可选地，所述主站和从站的通信模组应用于通信设备，所述数据链路层还包括：

数据交互模块，用于与所述应用层进行数据帧的交互；

实时交换模块，用于捕捉各以太网帧的到达时间和/或发送时间；和/或，用于与所述物理层进行数据交换；

所述参数配置模块还用于配置所述通信设备为主站或从站；

所述帧调度模块还用于控制所述实时交换模块进行数据交换。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种主站和从站的通信装置，所述主站和从站的通信装置应用于主站，所述主站和从站的通信装置包括：

扫描配置模块，用于通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

延时测量模块，用于向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

同步通信模块，用于获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信控制程序，所述通信控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的主站和从站的通信方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本申请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上存储有通信控制程序，所述通信控制程序被处理器执行时实现如上所述的主站和从站的通信方法的步骤。

本申请实施例提出的一种主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质，将主站和从站的通信方法应用于主站，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。通过设备扫描和站号分配帧确定各从站，使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

附图说明

图1为本申请主站和从站的通信装置所属终端设备的功能模块示意图；

图2为本申请主站和从站的通信方法一示例性实施例的流程示意图；

图3为本申请实施例中的网络连接示意图；

图4为图2实施例中步骤S10的具体流程示意图；

图5为图2实施例中步骤S20的具体流程示意图；

图6为本申请实施例中测量从站的传输延时时间的时序示意图；

图7为图2实施例中步骤S30的具体流程示意图；

图8为本申请实施例中的主从站同步通信时序示意图；

图9为本申请实施例中主站和从站的通信模组的架构示意图；

图10为本申请实施例中的状态转换示意图；

图11为本申请主站和从站的通信方法另一示例性实施例的流程示意图；

图12为本申请实施例中的主站和从站的通信装置示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例的主要解决方案是：将主站和从站的通信方法应用于主站，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。通过设备扫描和站号分配帧确定各从站，使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

本申请实施例涉及的技术术语：

FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)：是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

PHY(Physical，端口物理层)：是一个对OSI模组物理层的共同简称。而以太网是一个操作OSI模组物理层的设备。一个以太网PHY是一个芯片，可以发送和接收以太网的数据帧。

随着工业领域技术的飞速发展，运动控制、伺服、机器人等产业发展迅猛，进而促进了工业实时通信技术的发展，工业控制的精度要求也日益严苛，对数据传输实时性要求严格，促使出现各种各样的工业实时通信技术，而用户需求千差万别，导致各种工业实时通信技术应用复杂。

运动控制领域中的CNC机床控制、机器人控制等需要高实时性且高可靠的通信提供数据传输，以达到保证控制精度高和快速反应的机械性能。在不同的应用场景中，对实时通信的性能要求也不同，推进了工业实时通信领域的快速发展。

在各个工业控制厂商的发展下，推出了各种私有协议工业实时以太网通信技术，在基于高带宽高速率的以太网链路上增加实时控制，以达到实时通信的效果。

在不同的现场应用环境中，实时通信为了满足各种应用场景，各大厂商均设计了复杂协议和高成本芯片，导致小型实时控制场景成本升高，开发难度提升。

本申请提供一种解决方案，通过FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)控制调度以太网链路层数据，能够高效统一进行数据交互管理和实时触发，以低成本和易开发的优势满足小型实时网络的应用。

具体地，参照图1，图1为本申请主站和从站的通信装置所属终端设备的功能模块示意图。该主站和从站的通信装置可以为独立于终端设备的、能够进行通信控制的装置，其可以通过硬件或软件的形式承载于终端设备上。该终端设备可以为手机、平板电脑等具有数据处理功能的智能移动终端，还可以为具有数据处理功能的固定终端设备或服务器等。

在本实施例中，该主站和从站的通信装置所属终端设备至少包括输出模块110、处理器120、存储器130以及通信模块140。

存储器130中存储有操作系统以及通信控制程序，主站和从站的通信装置可以将获取的通信周期、使能从站测量延时帧、各从站对应的传输延时时间、同步帧以及从站同步信号等信息存储于该存储器130中；输出模块110可为显示屏等。通信模块140可以包括WIFI模块、移动通信模块以及蓝牙模块等，通过通信模块140与外部设备或服务器进行通信。

其中，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时实现以下步骤：

通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

进一步地，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时还实现以下步骤：

向与主站连接的第一从站发送所述设备扫描和站号分配帧，以供所述第一从站接收所述设备扫描和站号分配帧，根据所述设备扫描和站号分配帧进行本机地址设置，修改所述设备扫描和站号分配帧，并将修改后的设备扫描和站号分配帧转发至下一从站，直至所述各从站依次完成本机地址设置及对所述设备扫描和站号分配帧的修改后，由与所述主站连接的最后一个从站将修改完成的设备扫描和站号分配帧返回至所述主站；

接收所述修改完成的设备扫描和站号分配帧，并根据所述修改完成的设备扫描和站号分配帧确定所述各从站对应的的站号。

进一步地，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时还实现以下步骤：

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述环形网络中的每个从站进入配置状态，并分别向所述环形网络的两个方向发送主从线路延时测量帧并记录发送时间；

在所述主站第一网口及主站第二网口分别接收到所述主从线路延时测量帧时，分别通过对应的网口回传所述主从线路延时测量帧至对应的从站，以供对应的从站根据所述从站第一网口及从站第二网口接收到所述主从线路延时测量帧的时间得到第一到达时间及第二到达时间，并基于所述发送时间、第一到达时间及第二到达时间计算得到对应的传输延时时间。

进一步地，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时还实现以下步骤：

根据所述通信周期，通过所述主站第一网口及主站第二网口同时周期性发送同步帧，以供所述各从站分别通过对应的从站第一网口及从站第二网口接收所述同步帧，并将先接收到的同步帧通过另一网口转发至所述主站，记录对应的转发时间，并根据所述转发时间及对应的传输延时时间确定所述从站同步信号的生成时间，基于所述生成时间产生所述从站同步信号并进入运行状态；

在接收到所述各从站转发的同步帧时，产生对应的主站同步信号，并在两次产生的主站同步信号间隔间，轮流与所述各从站进行通信数据传输。

进一步地，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时还实现以下步骤：

在每个通信周期的预设时间，向所述各从站中预设站号对应的从站发送所述使能从站测量延时帧，以使所述预设站号对应的从站响应于所述使能从站测量延时帧，进行主从站线路延时测量，得到更新的传输延时时间。

进一步地，存储器130中的通信控制程序被处理器执行时还实现以下步骤：

基于主站发送的设备扫描和站号分配帧进行站号配置，以使所述主站确定各从站；

接收所述主站发送的使能从站测量延时帧，并响应于所述使能从站测量延时帧，得到传输延时时间；

接收所述主站周期性发送的同步帧，并根据所述同步帧及所述传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

本实施例通过上述方案，具体通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。通过设备扫描和站号分配帧确定各从站，使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

基于上述终端设备架构但不限于上述架构，提出本申请方法实施例。

本实施例方法的执行主体可以为一种主站和从站的通信装置或终端设备等，本实施例以主站和从站的通信装置进行举例。

参照图2，图2为本申请主站和从站的通信方法一示例性实施例的流程示意图。所述主站和从站的通信方法包括：

步骤S10，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

工业网络服务用于工业设备的通信，各工业设备之间需要协同动作，为了达到主控设备对受控设备的同步控制，实时的通信是保证动作同步的前提。主控设备在工业网络通信时属于主站，受控设备属于从站，故本申请实施例中的主站即为主控设备，从站即为受控设备。本申请实施例中的工业网络中，仅允许存在一个主控设备，和N个受控设备，通信模式为一问一答的方式，即主站发送一帧数据帧后，从站才允许发送一帧数据或仅接收(即从站的数据发送必须由主站控制)。

参照图3，图3为本申请实施例中的网络连接示意图，如图3所示，在上电前，所有设备采用环形网络连接，主站可以通过自身的2个网口(主站第一网口及主站第二网口)发送数据到所有从站设备，并且可以回环到主站，各从站分别包括从站第一网口及从站第二网口，通信模式均为全双工。

上电后，主站设备和从站设备均进入初始化状态，配置PHY(Physical，端口物理层)芯片进入全双工模式，主站获取应用层设置的通信周期，开始进行设备扫描和站号配置，从而确定从站设备的个数及各从站对应的站号。

步骤S20，向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

进一步地，主站获取到整个网络中的所有从站设备后，即可使所有从站开始测量从站2个网网口分别到主站的传输延时时间，主站通过网口2发送使能从站测量延时帧，并进入配置状态，各从站收到使能从站测量延时帧后，通过帧调度模块更新状态进入配置状态，通过发送并接收主从线路延时测量帧，计算得到对应的传输延时时间，从而用于确定通信周期内同步信号的生成时间。

步骤S30，获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

更进一步地，确定各从站对应的传输延时时间后，将主站获取的通信周期作为同步周期，由主站根据同步周期发送同步帧，同步帧通过主站的实时交换模块控制网口1和网口2同时发送，各从站可以在两个网口分别收到同步帧，但由于线路长度不同，所以收到同步帧的时间也不同，当从站第一次收到同步帧后，将同步帧从另一个网口转发出去，并记录同步帧发送的时间，结合从站对应的传输延时时间确定从站同步信号的生成时间，在该生成时间产生从站同步信号，当主站的同步帧通过整个网络回环到主站时，主站产生主站同步信号，此刻的各从站产生的从站同步信号与主站产生的主站同步信号几乎为同步产生，故视为产生一个全局同步的信号，实现同步控制(动作)。所有设备第一次触发同步信号开始，全部转入运行状态。在两次同步信号间隔间，主站会轮流与各个从站进行通信数据传输，实现实时通信。

可选地，在每个通信周期的通信数据传输完成后，主站和从站的通信方法还包括：

在每个通信周期的预设时间，向所述各从站中预设站号对应的从站发送所述使能从站测量延时帧，以使所述预设站号对应的从站响应于所述使能从站测量延时帧，进行主从站线路延时测量，得到更新的传输延时时间。

具体地，主站在运行状态下，在与从站轮流通信完成后，每个周期的最后一点时间会通知一个从站进行主从站线路延时测量，以提升线路延时的精度。本申请实施例中，每个周期只允许一个从站进行测量，主站轮流使能各个从站进行测量。

在本实施例中，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。通过设备扫描和站号分配帧确定各从站，使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

参照图4，图4为图2实施例中步骤S10的具体流程示意图。本实施例基于上述图2所示的实施例，在本实施例中，上述步骤S10包括：

步骤S101，向与主站连接的第一从站发送所述设备扫描和站号分配帧，以供所述第一从站接收所述设备扫描和站号分配帧，根据所述设备扫描和站号分配帧进行本机地址设置，修改所述设备扫描和站号分配帧，并将修改后的设备扫描和站号分配帧转发至下一从站，直至所述各从站依次完成本机地址设置及对所述设备扫描和站号分配帧的修改后，由与所述主站连接的最后一个从站将修改完成的设备扫描和站号分配帧返回至所述主站；

步骤S102，接收所述修改完成的设备扫描和站号分配帧，并根据所述修改完成的设备扫描和站号分配帧确定所述各从站对应的的站号。

具体地，主站的帧调度模块通过网口2发送设备扫描和站号分配帧，其中，设备扫描和站号分配帧是用于识别网络中的设备和对网络中的设备进行站号分配的组播帧，由主站通过单网口发出，通过另一个网口收回，从站设备在此帧经过自身时，进行处理后，转发至另外一个网口发出。设备扫描和站号分配帧通过主站第二网口(主站网口2)到达第一从站(从站1)的从站第一网口(从站1网口1)，从站1网口1收到设备扫描和站号分配帧后，经过实时交换模块，实时交换模块设置本机地址为1且修改设备扫描和站号分配帧的内容后立即转发到从站第二网口(从站1网口2)，修改后的设备扫描和站号分配帧经从站1网口2传输到下一个从站，下一个从站处理过程与从站1完全一样，各从站修改完成的设备扫描和站号分配帧经由最后一个从站N返回到主站网口1，此时主站从该帧中获取到整个网络中的从站设备个数，并确定各个从站设备对应的站号，即确定从站1到从站N。

本实施例通过上述方案，具体通过在所述通信周期开始前，通过所述主站第二网口发送设备扫描和站号分配帧至所述各从站中的第一从站，以供所述第一从站通过所述从站第一网口接收所述设备扫描和站号分配帧，根据所述设备扫描和站号分配帧进行本机地址设置，修改所述设备扫描和站号分配帧，并将修改后的设备扫描和站号分配帧通过所述从站第二网口转发至下一从站，直至所述各从站依次完成本机地址设置及对所述设备扫描和站号分配帧的修改后，将修改完成的设备扫描和站号分配帧返回至所述主站；通过所述主站第一网口接收所述修改完成的设备扫描和站号分配帧，并根据所述修改完成的设备扫描和站号分配帧确定所述各从站对应的的站号。通过主站发送的设备扫描和站号分配帧，由各从站依次进行本机地址设置，对设备扫描和站号分配帧进行修改并转发，使主站得到修改完成的设备扫描和站号分配帧，从而确定整个网络中的从站设备个数，并确定各个从站设备对应的站号，以用于测量全部从站的传输时延并进行通信数据传输。

参照图5，图5为图2实施例中步骤S20的具体流程示意图。本实施例基于上述图2所示的实施例，在本实施例中，上述步骤S20包括：

步骤S201，向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述环形网络中的每个从站进入配置状态，并分别向所述环形网络的两个方向发送主从线路延时测量帧并记录发送时间；

步骤S202，在所述主站第一网口及主站第二网口分别接收到所述主从线路延时测量帧时，分别通过对应的网口回传所述主从线路延时测量帧至对应的从站，以供对应的从站根据所述从站第一网口及从站第二网口接收到所述主从线路延时测量帧的时间得到第一到达时间及第二到达时间，并基于所述发送时间、第一到达时间及第二到达时间计算得到对应的传输延时时间。

具体地，参照图6，图6为本申请实施例中测量从站的传输延时时间的时序示意图，如图6所示，主站获取到整个网络中的所有从站设备后，即可使所有从站开始测量从站2个网网口分别到主站的传输延时时间，主站通过网口2发送使能从站测量延时帧，并进入配置状态。其中，使能从站测量延时帧是用于启动单个从站进行主从线路延时测量的单播帧，主站通过配置的站号，依次发送给每个从站进行主从线路延时测量，从站接收此帧时，通过判断寻址，如果是本设备的就接收后响应功能，如果不是本设备的就转发至另外一个网口。

从站1收到使能从站测量延时帧后，通过帧调度模块更新状态进入配置状态，从站1通过对应的网口1和网口2同时发送主从线路延时测量帧，并记录发送时间T1，其中，主从线路延时测量帧是用于测试数据帧在网络中传输时间的组播帧，从站同时在两个端口向外发送该帧，其他从站接收到非本身发送的该帧后，立即向另外一个网口转发；主站收到该帧时，立即在收到主从线路延时测量帧的网口返回该主从线路延时测量帧，即原路发出该主从线路延时测量帧；从站再次从发送的网口接收到该主从线路延时测量帧时，立即记录时间，并丢弃该帧。

主从线路延时测量帧通过两个方向传输，途经的设备不停留直接转发该帧，最终传输到主站设备，主站在接收到该主从线路延时测量帧后，立即通过接收的网口回传(即主站网口1收到该帧，就通过网口1原路返回)，最终从站1设备会在两个网口收到自己发出的主从线路延时测量帧，分别记录该主从线路延时测量帧到达网口1的时间T2，到达网口2的时间T3，经过计算，(T3-T1)/2和(T2-T1)/2的值分别是两条路径数据传输到主站的线路延时时间；由于两个端口到主站的距离不同，所以这两个时间有一个是最大线路延时，一个是最小线路延时，分别记录为从站1到主站的最大线路延时时间T1max和从站1到主站的最小线路延时时间T1min。主站分别控制对其余从站进行相同的测试，使所有主站已知的从站均完成测量并进入配置状态。

本实施例通过上述方案，具体通过所述主站第二网口发送使能从站测量延时帧至所述第一从站，以供所述第一从站响应于所述使能从站测量延时帧，进入配置状态，并通过所述从站第一网口及从站第二网口分别发送主从线路延时测量帧并记录发送时间；在所述主站第一网口及主站第二网口分别接收到所述主从线路延时测量帧时，分别通过对应的网口回传所述主从线路延时测量帧至所述第一从站，以供所述第一从站根据所述从站第一网口及从站第二网口接收到所述主从线路延时测量帧的时间得到第一到达时间及第二到达时间，并基于所述发送时间、第一到达时间及第二到达时间计算得到所述第一从站对应的传输延时时间；通过上述步骤依次得到所述各从站对应的的传输延时时间。通过主站发送的使能从站测量延时帧，使各从站进入配置状态，并通过发送并接收主从线路延时测量帧，确定各从站对应的传输延时时间，以用于确定通信周期中同步信号的生成时间，实现各设备的实时同步控制或动作。

参照图7，图7为图2实施例中步骤S30的具体流程示意图。本实施例基于上述图2所示的实施例，在本实施例中，上述步骤S30包括：

步骤S301，根据所述通信周期，通过所述主站第一网口及主站第二网口同时周期发送同步帧，以供所述各从站分别通过对应的从站第一网口及从站第二网口接收所述同步帧，并将先接收到的同步帧通过另一网口转发至所述主站，记录对应的转发时间，并根据所述转发时间及对应的传输延时时间确定所述从站同步信号的生成时间，基于所述生成时间产生所述从站同步信号并进入运行状态；

步骤S302，在接收到所述各从站转发的同步帧时，产生对应的主站同步信号，并在两次产生的主站同步信号间隔间，轮流与所述各从站进行通信数据传输。

具体地，参照图8，图8为本申请实施例中的主从站同步通信时序示意图，如图8所示，确定各从站对应的传输延时时间后，将主站获取的通信周期作为同步周期，由主站根据同步周期发送同步帧，其中，同步帧是主站每个通信周期开始的时刻从两个端口同时发出的组播帧，所有从站转发此同步帧，在发出时记录时间，主站接收到该同步帧的回环后，丢弃该同步帧并触发同步信号。

同步帧通过主站的实时交换模块控制网口1和网口2同时发送，各从站可以在两个网口分别收到同步帧，但由于线路长度不同，所以收到同步帧的时间也不同。

作为其中一种实施方式，当从站第一次收到同步帧后，将同步帧从另一个网口转发出去，并记录同步帧发送的时间Ts1，丢弃第二次收到的与第一次相同的同步帧，当主站的同步帧通过整个网络回环到主站时，主站产生主站同步信号，从站1则通过Ts1+T1max时刻产生从站同步信号，其余从站与从站1处理方式相同，此刻所有设备的同步信号几乎为同步产生，故视为产生一个全局同步的信号，实现同步控制或动作。

作为其中另一种实施方式，当从站第二次收到同步帧后，将同步帧从另一个网口转发出去，并记录同步帧发送的时间Ts2，丢弃第一次收到的与第二次相同的同步帧，当主站的同步帧通过整个网络回环到主站时，主站产生主站同步信号，从站1则通过Ts2+T1min时刻产生从站同步信号，其余从站与从站1处理方式相同，此刻所有设备的同步信号也几乎为同步产生，故视为产生一个全局同步的信号，实现同步控制或动作。

所有主从站设备第一次触发同步信号开始，全部转入运行状态。在两次同步信号间隔间，主站会轮流与各个从站进行通信数据传输，该通信适用于交换机模式，但数据的生效使用是在下一个同步信号产生时触发。

本实施例通过上述方案，具体通过根据所述通信周期，通过所述主站第一网口及主站第二网口同时周期发送同步帧，以供所述各从站分别通过对应的从站第一网口及从站第二网口接收所述同步帧，并将先接收到的同步帧通过另一网口转发至所述主站，记录对应的转发时间，并根据所述转发时间及对应的传输延时时间确定所述从站同步信号的生成时间，基于所述生成时间产生所述从站同步信号并进入运行状态；在接收到所述各从站转发的同步帧时，产生对应的主站同步信号，并在两次产生的主站同步信号间隔间，轮流与所述各从站进行通信数据传输。通过从站将收到的主站发送的同步帧转发至主站，并根据转发时间及对应的传输延时时间确定同步信号的生成时间，实现各设备同步产生同步信号，进而在两次同步信号间隔间，进行主站与各个从站的通信数据传输，确保了通信过程的实时同步。

此外，本申请实施例还提出一种主站和从站的通信模组，所述主站和从站的通信模组包括应用层、数据链路层及物理层，其中，所述数据链路层包括：

参数配置模块，用于获取通信周期；

帧调度模块，用于对设备扫描和站号分配帧、使能从站测量延时帧以及同步帧进行管理，以使主站通过所述设备扫描和站号分配帧确定各从站，并使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间。

所述主站和从站的通信模组应用于通信设备，所述数据链路层还包括：

数据交互模块，用于与所述应用层进行数据帧的交互；

实时交换模块，用于捕捉各以太网帧的到达时间和/或发送时间；和/或，用于与所述物理层进行数据交换；

所述参数配置模块还用于配置所述通信设备为主站或从站；

所述帧调度模块还用于控制所述实时交换模块进行数据交换。

参照图9，图9为本申请实施例中主站和从站的通信模组的架构示意图，如图9所示，主站和从站的通信模组有三层，物理层、数据链路层及应用层；其中本申请实施例中仅基于FPGA定义了数据链路层的实现，包含参数配置模块、数据交互模块、帧调度模块、实时交换模块。

实时交换模块：可捕捉以太网帧到达时间和发送时间，进行数据交换。

帧调度模块：实现帧管理，控制实时交换模块进行数据交换；用于控制从站进行线路延时测量。

参数配置模块：用于配置当前设备的主从模式，确定通信周期。

数据交互模块：用于应用层数据帧的交互。

参照图10，图10为本申请实施例中的状态转换示意图，如图10所示，本申请实施例中的工业网络通信状态分为三个状态，初始化状态、配置状态、运行状态。通信状态由主站控制，从站响应并切换到响应状态。

参照图11，图11为本申请主站和从站的通信方法另一示例性实施例的流程示意图，如图11所示，本申请实施例中的主站和从站的通信方法应用于从站时的步骤包括：

步骤A10，基于主站发送的设备扫描和站号分配帧进行站号配置，以使所述主站确定各从站；

步骤A20，接收所述主站发送的使能从站测量延时帧，并响应于所述使能从站测量延时帧，得到传输延时时间；

步骤A30，接收所述主站周期性发送的同步帧，并根据所述同步帧及所述传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

具体地，本申请实施例中涉及到的数据帧主要包括：

设备扫描和站号分配帧：用于识别网络中的设备和对网络中的设备进行站号分配，组播帧，由主站通过单网口发出，通过另一个网口收回，从站设备在此帧经过自身时，进行处理后，转发至另外一个网口发出。

使能从站测量延时帧：用于启动单个从站进行主从线路延时测量，单播帧，主站通过配置的站号，依次发送给每个从站进行主从线路延时测量，从站接收此帧时，通过判断寻址，如果是本设备的就接收后响应功能，如果不是本设备的就转发至另外一个网口。

主从线路延时测量帧：用于测试数据帧在网络中传输的时间，组播帧，从站同时在两个端口向外发送该帧，其他从站接收到非本身发送的该帧后，立即向另外一个网口转发；主站收到该帧时，立即在收到数据帧的网口返回该数据帧，即原路发出数据帧；从站再次从发送的网口接收到数据帧时，立即记录时间，并丢弃该帧。

同步帧：主站每个通信周期开始的时刻从两个端口同时发出，组播帧，所有从站转发此帧，在发出时记录时间，主站接收到该帧回环后，丢弃该帧并触发同步信号。

本申请实施例中涉及到控制信号帧使用广播目的地址，源地址为设备自身的mac地址；本申请实施例中的固定帧类型为0x0101(实验值)；本申请实施例中帧格式仅定义数据区，其中数据指令和填充数据为可变长度；具体定义参见表1：

表1帧格式定义

具体的实时工业网络实现方法包括：

①上电前，所有设备采用环形网络连接；

②上电后，主站设备和从站设备均进入初始化状态，配置PHY芯片进入全双工模式；主站获取应用层设置的通信周期，开始进行设备扫描和站号配置，主站的帧调度模块通过网口2发送设备扫描和站号分配帧，数据帧通过主站网口2到达从站1网口1，从站1网口1收到数据帧后，经过实时交换模块，实时交换模块设置本机地址为1且修改数据帧内容立即转发到网口2，数据帧经网口2传输到下一个从站，下一个从站处理过程与从站1完全一样，数据帧经由最后一个从站N返回到主站网口1，此时主站从该帧中获取到整个网络中的设备个数。

③主站已获取到整个网络中的所有从站设备，此时要让所有从站开始测量从站2个端口分别到主站的传输延时时间，主站通过网口2发送使能从站测量延时帧，并进入配置状态，从站1收到测量延时帧后，通过帧调度模块更新状态进入配置状态，从站1通过网口1和网口2同时发送主从线路延时测量帧并记录发送时间T1，数据帧通过两个方向传输，途经的设备不停留直接转发该帧，最终传输到主站设备，主站在接收到该数据帧后，立即通过接收的网口回传(即主站网口1收到该帧，就通过网口1原路返回)，最终从站1设备会在两个网口收到自己发出的主从线路延时测量帧，分别记录数据帧到达网口1的时间T2，到达网口2的时间T3，经过计算，(T3-T1)/2和(T2-T1)/2的值分别是两条路径数据传输到主站的线路延时时间；由于两个端口到主站的距离不同，所以这两个时间有一个是最大线路延时，一个是最小线路延时，分别记录为从站1到主站的最大线路延时时间T1max和从站1到主站的最小线路延时时间T1min。主站分别控制对其余从站进行相同的测试，使所有主站已知的从站均完成测量且进入配置状态。

④主站获取到的通信周期即为同步周期，主站开始周期发送同步帧，同步帧通过主站的实时交换模块控制网口1和网口2同时发送，各从站可以在两个网口分别收到同步帧，但由于线路长度不同，所以收到同步帧的时间也不同，当从站第一次收到同步帧后，将同步帧从另一个网口转发出去，并记录同步帧发送的时间Ts1，丢弃第二次收到的与第一次相同的同步帧，当主站的同步帧通过整个网络回环到主站时，主站产生同步信号，从站1则通过Ts1+T1max时刻产生同步信号，其余从站与从站1处理方式相同，此刻的同步信号，所有设备几乎为同步产生，故产生一个全局同步的信号，实现同步控制(动作)。所有设备第一次触发同步信号开始，全部转入运行状态。在两次同步信号间隔间，主站会轮流与各个从站进行通信数据传输，该通信适用于交换机模式，但数据的生效使用是在下一个同步信号产生时触发。

⑤主站在运行状态下，在与从站轮流通信完成后，每个周期的最后一点时间会通知一个从站进行主从站线路延时测量，以提升线路延时的精度。每个周期只允许一个从站进行测量，主站轮流使能各个从站进行测量。

在本实施例中，通过重构以太网链路层通信调度，实现实时通信效果，为中小型网络架构提供低成本、易开发的同步控制通信链路，提升客户的产品综合竞争力。

此外，本申请实施例还提出一种主站和从站的通信装置，所述主站和从站的通信装置应用于主站，参照图12，图12为本申请实施例中的主站和从站的通信装置示意图，如图12所示，所述主站和从站的通信装置包括：

扫描配置模块，用于通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

延时测量模块，用于向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

同步通信模块，用于获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

本实施例实现通信控制的原理及实施过程，请参照上述各实施例，在此不再赘述。

此外，本申请实施例还提出一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信控制程序，所述通信控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的主站和从站的通信方法的步骤。

由于本通信控制程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

此外，本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有通信控制程序，所述通信控制程序被处理器执行时实现如上所述的主站和从站的通信方法的步骤。

由于本通信控制程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

相比现有技术，本申请实施例提出的主站和从站的通信方法、模组、装置、终端设备及介质，通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。通过设备扫描和站号分配帧确定各从站，使各从站分别响应于使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间，并基于对应的传输延时时间产生从站同步信号，使各从站产生同步信号的时间与主站产生同步信号的时间一致，实现同步控制，无需设计复杂的协议和高成本的芯片即可达到实时通信的效果，从而降低了实时网络的开发难度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，被控终端，或者网络设备等)执行本申请每个实施例的方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种主站和从站的通信方法，其特征在于，所述主站和从站的通信方法应用于主站，所述主站和从站的通信方法包括以下步骤：

通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

2.如权利要求1所述的主站和从站的通信方法，其特征在于，所述主站与所述各从站依次串联形成环形网络，所述通过设备扫描和站号分配帧确定各从站的步骤包括：

向与主站连接的第一从站发送所述设备扫描和站号分配帧，以供所述第一从站接收所述设备扫描和站号分配帧，根据所述设备扫描和站号分配帧进行本机地址设置，修改所述设备扫描和站号分配帧，并将修改后的设备扫描和站号分配帧转发至下一从站，直至所述各从站依次完成本机地址设置及对所述设备扫描和站号分配帧的修改后，由与所述主站连接的最后一个从站将修改完成的设备扫描和站号分配帧返回至所述主站；

接收所述修改完成的设备扫描和站号分配帧，并根据所述修改完成的设备扫描和站号分配帧确定所述各从站对应的的站号。

3.如权利要求2所述的主站和从站的通信方法，其特征在于，所述主站包括主站第一网口及主站第二网口，所述各从站分别包括从站第一网口及从站第二网口，所述向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间的步骤包括：

向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述环形网络中的每个从站进入配置状态，并分别向所述环形网络的两个方向发送主从线路延时测量帧并记录发送时间；

在所述主站第一网口及主站第二网口分别接收到所述主从线路延时测量帧时，分别通过对应的网口回传所述主从线路延时测量帧至对应的从站，以供对应的从站根据所述从站第一网口及从站第二网口接收到所述主从线路延时测量帧的时间得到第一到达时间及第二到达时间，并基于所述发送时间、第一到达时间及第二到达时间计算得到对应的传输延时时间_。

4.如权利要求3所述的主站和从站的通信方法，其特征在于，所述基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输的步骤包括：

根据所述通信周期，通过所述主站第一网口及主站第二网口同时周期性发送同步帧，以供所述各从站分别通过对应的从站第一网口及从站第二网口接收所述同步帧，并将先接收到的同步帧通过另一网口转发至所述主站，记录对应的转发时间，并根据所述转发时间及对应的传输延时时间确定所述从站同步信号的生成时间，基于所述生成时间产生所述从站同步信号并进入运行状态；

在接收到所述各从站转发的同步帧时，产生对应的主站同步信号，并在两次产生的主站同步信号间隔间，轮流与所述各从站进行通信数据传输。

5.如权利要求4所述的主站和从站的通信方法，其特征在于，所述基于所述通信周期向所述各从站发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输的步骤之后还包括：

在每个通信周期的预设时间，向所述各从站中预设站号对应的从站发送所述使能从站测量延时帧，以使所述预设站号对应的从站响应于所述使能从站测量延时帧，进行主从站线路延时测量，得到更新的传输延时时间。

6.一种主站和从站的通信方法，其特征在于，所述主站和从站的通信方法应用于从站，所述主站和从站的通信方法包括以下步骤：

基于主站发送的设备扫描和站号分配帧进行站号配置，以使所述主站确定各从站；

接收所述主站发送的使能从站测量延时帧，并响应于所述使能从站测量延时帧，得到传输延时时间；

接收所述主站周期性发送的同步帧，并根据所述同步帧及所述传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

7.一种主站和从站的通信模组，其特征在于，所述主站和从站的通信模组包括应用层、数据链路层及物理层，其中，所述数据链路层包括：

参数配置模块，用于获取通信周期；

帧调度模块，用于对设备扫描和站号分配帧、使能从站测量延时帧以及同步帧进行管理，以使主站通过所述设备扫描和站号分配帧确定各从站，并使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间。

8.如权利要求7所述的主站和从站的通信模组，其特征在于，所述主站和从站的通信模组应用于通信设备，所述数据链路层还包括：

数据交互模块，用于与所述应用层进行数据帧的交互；

实时交换模块，用于捕捉各以太网帧的到达时间和/或发送时间；和/或，用于与所述物理层进行数据交换；

所述参数配置模块还用于配置所述通信设备为主站或从站；

所述帧调度模块还用于控制所述实时交换模块进行数据交换。

9.一种主站和从站的通信装置，其特征在于，所述主站和从站的通信装置应用于主站，所述主站和从站的通信装置包括：

扫描配置模块，用于通过设备扫描和站号分配帧确定各从站；

延时测量模块，用于向所述各从站发送使能从站测量延时帧，以使所述各从站分别响应于所述使能从站测量延时帧，得到对应的传输延时时间；

同步通信模块，用于获取通信周期，并基于所述通信周期向所述各从站周期性发送同步帧，以供所述各从站根据所述同步帧及对应的传输延时时间产生从站同步信号，并根据所述从站同步信号与所述主站进行通信数据传输。

10.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信控制程序，所述通信控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的主站和从站的通信方法的步骤。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有通信控制程序，所述通信控制程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的主站和从站的通信方法的步骤。

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