CN116233922A - 一种支持tsn网络的5g智能边缘终端及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，包括5G模组及与5G模组双向连接的嵌入式单元，嵌入式单元包括中央处理器CPU，以及与中央处理器CPU双向连接的嵌入式神经网络处理器NPU、TSN以太网接口和工业现场总线接口，工业现场总线接口包括RS485总线接口和CANFD总线接口；中央处理器CPU包括多核ARM处理器及与多核ARM处理器双向连接的协处理器。本发明实现了5G、TSN网络与工业现场CANFD总线接口、RS485总线接口之间高可靠性、确定性的数据交互要求，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0；采用异构平台方案，工业现场数据网络处理的任务通过主处理器与协处理器配合实现，兼顾设备运行速度、成本、可配置性等方面需求。

Description

一种支持TSN网络的5G智能边缘终端及其实现方法
技术领域
本发明涉及数据交互技术领域，具体涉及一种支持TSN网络的5G智能边缘终端及其实现方法。
背景技术
为了实现工业4.0，必须将操作技术OT域与信息技术IT域基础设施融合在一起。但OT网络需要的是有保障的、及时的数据包传输，现今IT网络中普遍使用的最佳方法无法满足上述使用需求。同时，目前OT域采用的技术通常都限制在10-100Mbps传输速率以内，其带宽不足以支持高清视频等新的制造技术的需求。时间敏感型网络TSN是IEEE TSN任务小组定义的一组IEEE 802以太网子标准，可在同一网络中支持传统的IT设备和OT设备，并且提供千兆带宽，同时简化网络部署和管理流程。TSN网络可实现确定性以太网，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0。
在工业应用中，5G、TSN网络希望可以保证在对的时间点将数据发送出去，而5G智能边缘终端需要直接支持工业级的外设，如工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备。现有方案只实现了5G网络与TSN网络之间高可靠性、确定性数据交互的功能，却无法实现5G、TSN网络与工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备之间高可靠性、确定性数据交互的使用需求。例如，中国专利授权公告号：CN114374993A，公开了一种5G-TSN终端网关，包括5G端口、TSN端口和DS-TT模块；5G端口与5G网络交互数据，5G网络与第二TSN网络节点连接；TSN端口与第一TSN网络节点交互数据，第一TSN网络节点与5G-TSN终端网关连接；DS-TT模块用于实现5G端口与TSN端口之间的数据转发，在向5G端口转发第一上行数据时，当5G网络质量差于设定阈值时进行增强转发，5G网络质量包括如下信息中的一项或多项：5G小区带宽、5G信号质量和5G小区时延，第一上行数据为来自第一TSN节点的数据，上述方案虽然提高了终端侧的TSN节点通过5G网络与网络侧TSN节点之间数据交互的确定性，但仍然无法满足工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备对支持TSN网络的5G智能边缘终端的高可靠性、确定性数据交互的使用需求。
另外，传统的5G智能边缘终端中，工业现场数据的网络处理，包括交换网络处理，都是在主芯片上实现的。而工业现场数据TSN网络处理功能更加复杂，数据传输速率增长快，实时要求高，同时数据流的复杂性也明显增加，因此需要均衡考虑设备运行速度、成本、可配置性等方面，通过主芯片实现的方式无法兼顾上述需求。
发明内容
本发明主要是为了解决现有方案无法满足5G、TSN网络与工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备之间高可靠性、确定性数据交互的使用需求的问题，提供了一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，包括5G模组和与所述5G模组双向连接的嵌入式单元，所述嵌入式单元包括中央处理器CPU，以及与所述中央处理器CPU双向连接的嵌入式神经网络处理器NPU、TSN以太网接口和工业现场总线接口，所述工业现场总线接口包括RS485总线接口和CANFD总线接口。本发明实现了5G、TSN网络与工业现场CANFD总线接口、RS485总线接口之间高可靠性、确定性的数据交互要求，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，包括5G模组及与所述5G模组双向连接的嵌入式单元，所述嵌入式单元包括中央处理器CPU，以及与所述中央处理器CPU双向连接的嵌入式神经网络处理器NPU、TSN以太网接口和工业现场总线接口，所述工业现场总线接口包括RS485总线接口和CANFD总线接口；所述中央处理器CPU包括多核ARM处理器及与所述多核ARM处理器双向连接的协处理器。5G模组支持3GPP R16标准。5G模组与中央处理器CPU通过USB接口连接。NPU采用加快边缘推理的专业神经网络处理单元，用于完成边缘计算任务。RS485总线接口用于本地工业现场设备与系统或是与TSN网络的通信。CANFD总线接口用于本地工业现场设备与系统或是与TSN网络的通信。多核ARM处理器支持协议转换和总线收发任务，5G数据经过USB3.0接口进行协议转换。协处理器为主频800MHz的Cortex-M7内核，支持实时系统，可以同时进行对RS485总线接口、CANFD总线接口的实时性控制以确保低延迟。本发明实现了5G、TSN网络与工业现场CANFD总线接口、RS485总线接口之间高可靠性、确定性的数据交互要求，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0；并且中央处理器CPU采用“多核ARM处理器+协处理器”的异构平台方案，在协处理器上运行实时系统，工业现场数据网络处理的任务通过主处理器(多核ARM处理器)与协处理器配合实现，均衡考虑了设备运行速度、成本、可配置性等方面需求。
作为优选，所述多核ARM处理器与所述TSN以太网接口双向连接，实现数据交互。
作为优选，所述多核ARM处理器分别与所述RS485总线接口和所述CANFD总线接口双向连接，实现数据交互。
作为优选，所述协处理器分别与所述RS485总线接口和所述CANFD总线接口双向连接，实现数据交互。
一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，适用于上述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，包括以下步骤：
步骤S1：获取数据，包括TSN数据或工业现场操作设备数据；
步骤S2：检测获取的数据是上行数据还是下行数据；
步骤S3：对上行数据或下行数据进行处理并传输；
首先将系统初始化，然后检测是否接收到数据包，若接收到数据包，再检测接收到的数据包是上行数据还是下行数据，最后采用不同的数据处理方法对上行数据或下行数据进行处理；若没有接收到数据包，则继续初始化。本发明实现了5G、TSN网络与工业现场CANFD总线接口、RS485总线接口之间高可靠性、确定性的数据交互要求，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0。
作为优选，步骤S3中对上行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤A1：检测到上行数据时，协处理器从上行数据中提取有用数据包；
步骤A2：多核ARM处理器解析数据包，对数据进行预处理，去除错误与重复数据；
步骤A3：按照数据包的数据类型和重要等级添加TSN协议帧，将不同协议数据转换成TSN协议数据存放至公共缓存区，使用统一类型数据便于边缘计算；并通过USB接口将TSN协议数据传输至5G模组；
步骤A4：5G模组根据QOS规则将TSN协议数据映射到QOS流，根据TSN协议帧的数据内容确定QOS流中的ARP、5QI中的资源类型、优先级、时延要求和误包率要求，然后根据网络质量建立无线信道将QOS流数据发送至5G网络，实现工业现场操作设备终端与5G网络的数据传输，满足工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备与5G、TSN网络之间高可靠性、确定性数据交互的使用需求。ARP包括优先级、抢占能力、被抢占能力。
作为优选，步骤S3中对下行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤B1：检测到下行数据时，即工业现场操作设备终端通过TSN以太网接口或5G网络接收到数据时，将数据包通过USB接口传输给多核ARM处理器，多核ARM处理器将数据包中TSN协议帧的数据内容删除；
步骤B2：多核ARM处理器将数据包解析成工业现场操作设备的控制指令；
步骤B3：协处理器按照操作设备的控制协议对控制指令进行封装，并通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输给操作设备，进而对操作设备进行控制，实现5G、TSN网络与工业现场操作设备终端的数据传输，满足5G、TSN网络与工业现场CANFD总线、RS485总线等接口设备之间高可靠性、确定性数据交互的使用需求。
作为优选，步骤A3中所述TSN协议帧包括数据优先等级、是否被抢占标记、目标子网ID和以太网帧头、帧尾。
作为优选，步骤A4中，5G模组将TSN协议数据发送至5G网络的具体过程，还包括：
步骤C1：根据TSN协议帧中的报文标识区分可丢包和不可丢包；
步骤C2：根据不可丢包TSN协议帧中的优先级字段，建立不可丢包传输队列；
步骤C3：按照不可丢包传输队列，5G模组将TSN协议数据依次发送至5G网络；
本发明根据TSN协议帧中的报文标识对数据包进行分类，区分可丢包和不可丢包；然后丢掉可丢包，同时根据不可丢包TSN协议帧中的优先级字段，建立不可丢包传输队列；再按照不可丢包传输队列，将TSN协议数据依次发送至5G网络。本发明通过优先级策略，实现工业现场操作设备数据传输的优先级控制，提高数据传输效率，避免资源占用。
作为优选，步骤S1中，所述TSN数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口或5G网络传输到中央处理器CPU；所述工业现场操作设备数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输到中央处理器CPU。本发明的TSN数据通过数据采集与控制，可以从设备传输到云，也可以从云传输到执行器，满足5G、TSN网络与工业现场总线CANFD、RS485之间数据交互要求。
因此，本发明的优点是：
(1)实现了5G、TSN网络与工业现场CANFD总线接口、RS485总线接口之间高可靠性、确定性的数据交互要求，有助于促进工业实时网络的发展，实现工业4.0；
(2)中央处理器CPU采用“多核ARM处理器+协处理器”的异构平台方案，在协处理器上运行实时系统，工业现场数据网络处理的任务通过主处理器(多核ARM处理器)与协处理器配合实现，兼顾设备运行速度、成本、可配置性等方面需求；
(3)通过优先级策略，实现工业现场操作设备数据传输的优先级控制，提高数据传输效率，避免资源占用。
附图说明
图1是本发明实施例一中一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的结构示意图。
图2是本发明实施例一中一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的局部结构示意图。
图3是本发明实施例二中一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法的流程图。
1、5G模组2、嵌入式单元3、中央处理器CPU 4、嵌入式神经网络处理器NPU 5、TSN以太网接口6、RS485总线接口7、CANFD总线接口8、多核ARM处理器9、协处理器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一：
一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，如图1所示，包括5G模组1及与5G模组1双向连接的嵌入式单元2，嵌入式单元2包括中央处理器CPU3，以及与中央处理器CPU3双向连接的嵌入式神经网络处理器NPU4、TSN以太网接口5和工业现场总线接口，工业现场总线接口包括RS485总线接口6和CANFD总线接口7。5G模组1支持3GPP R16标准，5G模组1与中央处理器CPU3通过USB接口连接。如图2所示，中央处理器CPU3包括多核ARM处理器8和支持实时系统的协处理器9，多核ARM处理器8与协处理器9双向连接。多核ARM处理器8支持协议转换和总线收发任务，5G数据经过USB3.0接口进行协议转换。协处理器9为主频800MHz的Cortex-M7内核，协处理器9可以同时进行对RS485总线接口6、CANFD总线接口7的实时性控制以确保低延迟。本实施例中央处理器CPU3采用“多核ARM处理器8+协处理器9”的异构平台方案，在协处理器9上运行实时系统，工业现场数据网络处理的任务通过主处理器(多核ARM处理器8)与协处理器9配合实现。多核ARM处理器8与TSN以太网接口5双向连接，实现数据交互。多核ARM处理器8分别与RS485总线接口6和CANFD总线接口7双向连接，实现数据交互。协处理器9分别与RS485总线接口6和CANFD总线接口7双向连接，实现数据交互。NPU采用加快边缘推理的专业神经网络处理单元，用于完成边缘计算任务。RS485总线接口6用于本地工业现场设备与系统或是与TSN网络的通信。CANFD总线接口7用于本地工业现场设备与系统或是与TSN网络的通信。
实施例二：
一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，适用于上述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1：获取数据，包括TSN数据或工业现场操作设备数据；
步骤S2：检测获取的数据是上行数据还是下行数据；
步骤S3：对上行数据或下行数据进行处理并传输；
首先将系统初始化，然后检测是否接收到数据包，若接收到数据包，再检测接收到的数据包是上行数据还是下行数据，最后采用不同的数据处理方法对上行数据或下行数据进行处理；若没有接收到数据包，则继续初始化。
步骤S3中对上行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤A1：检测到上行数据时，协处理器从上行数据中提取有用数据包；
步骤A2：多核ARM处理器解析数据包，对数据进行预处理，去除错误与重复数据；
步骤A3：按照数据包的数据类型和重要等级添加TSN协议帧，将不同协议数据转换成TSN协议数据存放至公共缓存区，使用统一类型数据便于边缘计算；并通过USB接口将TSN协议数据传输至5G模组；
步骤A4：5G模组根据QOS规则将TSN协议数据映射到QOS流，根据TSN协议帧的数据内容确定QOS流中的ARP、5QI中的资源类型、优先级、时延要求和误包率要求，然后根据网络质量建立无线信道将QOS流数据发送至5G网络，实现工业现场操作设备终端与5G网络的数据传输。
步骤S3中对下行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤B1：检测到下行数据时，即工业现场操作设备终端通过TSN以太网接口或5G网络接收到数据时，将数据包通过USB接口传输给多核ARM处理器，多核ARM处理器将数据包中TSN协议帧的数据内容删除；
步骤B2：多核ARM处理器将数据包解析成工业现场操作设备的控制指令；
步骤B3：协处理器按照操作设备的控制协议对控制指令进行封装，并通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输给操作设备，进而对操作设备进行控制，实现5G、TSN网络与工业现场操作设备终端的数据传输。
步骤S1中，TSN数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口或5G网络传输到中央处理器CPU；工业现场操作设备数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输到中央处理器CPU。实时操作设备使用RS485/CANFD工业总线将设备数据通过工业现场总线接口传输到中央处理器CPU，使用以太网接口的实时操作设备将设备数据通过带有TSN功能的以太网接口(TSN以太网接口)传输到中央处理器CPU。
本实施例的TSN数据通过数据采集与控制，可以从设备传输到云，也可以从云传输到执行器，满足5G、TSN网络与工业现场总线CANFD、RS485之间数据交互要求。
步骤A3中TSN协议帧包括数据优先等级、是否被抢占标记、目标子网ID和以太网帧头、帧尾。
步骤A4中，5G模组将TSN协议数据发送至5G网络的具体过程，还包括：
步骤C1：根据TSN协议帧中的报文标识区分可丢包和不可丢包；
步骤C2：根据不可丢包TSN协议帧中的优先级字段，建立不可丢包传输队列；
步骤C3：按照不可丢包传输队列，5G模组将TSN协议数据依次发送至5G网络；
本实施例根据TSN协议帧中的报文标识对数据包进行分类，区分可丢包和不可丢包；然后丢掉可丢包，同时根据不可丢包TSN协议帧中的优先级字段，建立不可丢包传输队列；再按照不可丢包传输队列，将TSN协议数据依次发送至5G网络，通过优先级策略，实现工业现场操作设备数据传输的优先级控制。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，其特征在于，包括5G模组及与所述5G模组双向连接的嵌入式单元，所述嵌入式单元包括中央处理器CPU，以及与所述中央处理器CPU双向连接的嵌入式神经网络处理器NPU、TSN以太网接口和工业现场总线接口，所述工业现场总线接口包括RS485总线接口和CANFD总线接口；所述中央处理器CPU包括多核ARM处理器及与所述多核ARM处理器双向连接的协处理器。
2.根据权利要求1所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，其特征在于，所述多核ARM处理器与所述TSN以太网接口双向连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，其特征在于，所述多核ARM处理器分别与所述RS485总线接口和所述CANFD总线接口双向连接。
4.根据权利要求1所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，其特征在于，所述协处理器分别与所述RS485总线接口和所述CANFD总线接口双向连接。
5.一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，适用于如权利要求1-4任一项所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取数据，包括TSN数据或工业现场操作设备数据；
步骤S2：检测获取的数据是上行数据还是下行数据；
步骤S3：对上行数据或下行数据进行处理并传输。
6.根据权利要求5所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，其特征在于，步骤S3中对上行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤A1：检测到上行数据时，协处理器从上行数据中提取有用数据包；
步骤A2：多核ARM处理器解析数据包，对数据进行预处理；
步骤A3：添加TSN协议帧，将不同协议数据转换成TSN协议数据，并传输至5G模组；
步骤A4：5G模组将TSN协议数据映射到QOS流，根据TSN协议帧的数据内容确定QOS流中的ARP、5QI中的资源类型、优先级、时延要求和误包率要求并发送至5G网络。
7.根据权利要求5所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，其特征在于，步骤S3中对下行数据进行处理并传输的具体过程，包括以下步骤：
步骤B1：检测到下行数据时，多核ARM处理器将数据包中TSN协议帧的数据内容删除；
步骤B2：多核ARM处理器将数据包解析成工业现场操作设备的控制指令；
步骤B3：协处理器按照操作设备的控制协议对控制指令进行封装，并通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输给操作设备。
8.根据权利要求6所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，其特征在于，步骤A3中所述TSN协议帧包括数据优先等级、是否被抢占标记、目标子网ID和以太网帧头、帧尾。
9.根据权利要求6或8所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，其特征在于，步骤A4中，5G模组将TSN协议数据发送至5G网络的具体过程，还包括：
步骤C1：根据TSN协议帧中的报文标识区分可丢包和不可丢包；
步骤C2：根据不可丢包TSN协议帧中的优先级字段，建立不可丢包传输队列；
步骤C3：按照不可丢包传输队列，5G模组将TSN协议数据依次发送至5G网络。
10.根据权利要求5或6或7或8所述的一种支持TSN网络的5G智能边缘终端的实现方法，其特征在于，步骤S1中，所述TSN数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口或5G网络传输到中央处理器CPU；所述工业现场操作设备数据通过工业现场总线接口或TSN以太网接口传输到中央处理器CPU。
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