CN201066852Y - 基于标准以太网的实时同步网络 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于标准以太网的实时同步网络。它解决了以太网用于现场级通信系统时，通信的实时性以及系统的精确同步性难以保障，而添加专用设备，又造成使用成本增高等问题，具有结构简单，成本较低，通用性高等优点。其结构为：在分布式控制系统中，包括至少一个主设备和至少一个从设备，在从设备中任选一个为同步信号源，各设备通过传输协议传送数据，主设备上有至少一个数据线接口，每个从设备有至少两个数据线接口，连接时彼此串行连接，即主设备的数据线接口通过数据线连接到从设备的一个数据线接口上，从设备的另一个数据接口通过数据线连接到下一个从设备的一个数据接口上，依次连接构成串行网络，进行实时同步的全双工通信。

Description

基于标准以太网的实时同步网络

技术领域：

本实用新型涉及一种用于工业现场级通信的实时同步通信网络，尤其涉及一种基于标准以太网的实时同步网络，用于解决现场级通信系统中通信问题，即如何解决以太网用于现场级通信系统时，实现通信的实时性和以及系统的精确同步性。

背景技术

目前在工厂自动化和过程自动化领域中，现场总线是现场级通信系统中的主流解决方案。不过，随着技术的不断进步和发展，传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局限性。一方面，随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长；另一方面，随着计算机技术的发展，企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于是企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维护，因此，纵向一致性也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维护的成本。

基于这样的需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透，以太网技术开始广泛地应用于工厂的控制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案有几方面显著的优势：统一的架构、集成的通信以及强大的服务和诊断功能。从目前工业自动化控制领域的情况来看，以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。

不过，将以太网技术应用于工厂的生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通信的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必须对普通的办公室以太网做出调整和补充，以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业以太网。目前，在控制级通信网络领域中，工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通信网络带来的便利和收益。尽管如此，工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍——通信的实时性和确定性。由于以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，即：当一个网络上的某一个节点需要发送数据时，它首先监听信道，若信道忙就持续等待，直到它一旦监听到信道空闲时，就将数据发送出去。如果两个或多个节点都在监听和等待发送数据，当监听到信道空闲时，各节点就立即(几乎同时)开始发送数据，这是就发生冲突。如果一个节点在传输期间检测到冲突，就立即停止传输，并向信道发出一个“拥挤”信号，以确保网络上的所有其他节点也发现冲突。在基于以太网的通信中，为避免冲突，各节点采用二进制指数退避(BEB，Binary Exponential Back-Off)算法处理冲突，但该方法具有冲突时延不确定性的缺陷。当网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时性要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性网络。

工业控制网络是一种典型的实时应用系统，其中的任务(如功能块的执行)通常按照一定的时间间隔出发，并且对任务的执行时间具有截止性要求，这种任务称为周期性任务。实时应用系统中还有一种任务，这种任务只有在特定的事件触发下才出现，例如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录、报警处理等，这种任务称为非周期性任务，非周期性任务是随机触发的。这两种任务反映在工业控制网络的通信中，就是两类通信信息：周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性通信信息是实时信息，非周期信息是非实时信息，周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的时间特性。一旦系统组态完成，周期性通信信息的发送就具有时间确定性。而非周期性通信信息往往是突发信息，在时间上是不确定的。

为了提高以太网的实时性和确定性，人们作了不少研究，提出各种方法来改进CSMA/CD，按照对CSMA/CD的改进方法划分，主要有：改进以太网MAC协议、在以太网上层增加传输控制机制等。CSMA/DCR(Deterministic Collision Resolution)是最具有代表性的一种MAC协议改进方法。当冲突发生时，采用确定性的二叉树寻址方法，CSMA/DCR依照节点地址采取先序遍历的方式解决冲突。当冲突发生时，低优先级的节点停止对信道的竞争，而高优先级的节点继续竞争信道，直到成功传输。这种修改以太网MAC协议的方式虽然可以极大的改善以太网通信确定性的问题，却是以更改以太网固件(以太网控制器硬件和软件)为代价的，很难与标准的商用以太网兼容，并且增加了开发成本。

在以太网上层增加传输控制机制中最典型的一种方法是时分多路获取(TDMA)策略，TDMA为每个节点分配一定的带宽，每个节点在固定的时间片内发送信息，以保证每个节点的信息具有确定的发送时间。由于TDMA不需要传输额外的控制信息，使得网络带宽得使用率比较高。但TDMA是基于节点的方法，不能反映每个节点的实际带宽要求，无法保证非周期信息及时发送。另外一种在以太网上层增加传输控制的方法是主从式传输控制方式，这是一种集中式的传输控制方式，网络中至少有一个主设备和多个从设备，从设备只有在收到来自主设备的控制报文之后，才可以发送数据。这种主从式传输控制方式的优点是可以保证每个从设备都有发送数据的机会，但缺点是无法处理工业控制网络中的突发性通信，例如工业控制网络中的报警信息。

因此，尽管上述方法都在一定程度上提高了以太网传输的实时性和确定性，却是以改变以太网结构为代价(如CSMA/DCR)，或者在较低的网络层次(如MAC层的上层)实现，这些方法的最大不足是实现难度大，往往涉及到硬件，无法与传统标准的以太网相互兼容，并且无法满足工业控制网络中对两类信息-周期信息(即实时信息)和非周期信息(通常为非实时信息)进行同时处理的特殊要求。

快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了一种解决方案，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延迟的减小，即碰撞几率大大下降。其次采用星形网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不再需要经过主干网，也不再占用其他网段内的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两对光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞几率大大降低(半双工)，因而使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。但是采用全双工交换式以太网，改变了CSMA/CD机制，网络的通信速度和效率将取决于交换机。为了减少交换机对整个网络速度和效率的影响，组网时要尽量避免跨多个交换机通信，将经常交换数据的设备放在一个网段内，这将给组网增加难度，也不利于以后系统的扩展。

有的系统对通信节点的同步性也有严格的要求，比如在运动控制中，各轴的同步性也是一个非常重要的因素。现有的解决方案为网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网。例如：Internet网络时间协议NTP(Network Time Protocal)、简单时间网络协议SNTP(Simple Network Time Protocal)、IEEE1588标准精确时间协议协议PTP(Precision Time Protocal)，周期性的通过发送带有时间戳协议的同步数据包实现通信循环的同步。在要求同步精度为微秒级的场合，想要获得如此高的同步定时，单纯靠软件是无法实现的，必须依靠网络第二层(数据链路层)中硬件的支持，即等时实时ASIC芯片。

现在很多使用以太网作现场级通信的厂商，上位机都是自己开发的专用控制网卡，以实现以太网的实时通信。很难与标准以太网兼容，也很难与别的厂商开发的设备互换，形成各自独立的一套通信系统。

现在国际上主要有几个比较流行的工业以太网络，分别是PROFINET、Ethernet/IP、PowerLink、SYNQNET、SERCOS III等。

PROFINET：是一种典型的交换式以太网络，交换机采用的是一种基于地址的信息转发机制，网络的通信速度和效率将取决于交换机。为了减少交换机对整个网络速度和效率的影响，组网时要尽量避免跨多个交换机通信，将经常交换数据的设备放在一个网段内，这将给组网增加难度，也不利于以后系统的扩展。同时系统也无法枚举和配置各设备。PROFINET通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网，通过规律的同步数据实现通信循环的同步，其精度可以达到微秒级，这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，想要获得这么高精度的同步实时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片，增加了系统成本。

Ethernet/IP：Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，也是采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，系统也无法枚举和配置各设备。最新版本的Ethernet/IP技术规范中包含了CIPSync，CIP Sync时间同步方案基于IEEE1588标准，通过主处理器(或从站)周期性的发送一个实时的时钟同步报文信号，以便其它的从处理器(或从站)能够准确地同步。这种方式将增加网络的负担，同样需要硬件的支持，即等时实时ASIC芯片。这种方式，所有站点都必须自带时钟，成本较高，用这样的通信机制对系统的编程带来很大的影响，因为控制任务必须通过时间触发的方式来启动，这提高了编程的难度，而且不符合工控工程人员的编程习惯。

PowerLink：通过使用Hub来实现任意的网络拓扑结构，通过Hub来组网，使得系统很难枚举和配置各设备。为了避免冲突，PowerLink尽量利用带宽，在时间上重新组织了网络中站点信息交互机制，在CSMA/CD基础上引入时间槽管理机制，网络上一个站点充当管理站管理网络通信，对其他站点给定同步节拍，分配给各站发布权限，各站只能在得到发布权限之后才可以发布信息。这种时间槽管理机制，虽然避免了网络上通信冲突，但也使各设备得非周期实时数据(如报警等)无法及时通知到系统。

SYNQNET：是一种环形网络结构，具有容错功能，主设备通过自己开发的一种专用控制网卡来实现实时同步网络，并修改了数据链路层MAC协议，实现了一种高性能的同步运动网络，由于是自己专用的控制网卡和修改了数据链路层MAC协议，使其很难与别的厂商和标准的以太网兼容。

SERCOS III：是一种环形或线型拓扑结构，主设备通过自己开发的专用控制网卡来实现实时同步网络，通信协议分为实时通信通道和非实时通信通道。实时通信通道传送用于显示和输入所有的控制内部参数、数据和诊断信息等实时数据。非实时通道使用标准的以太网帧来传送非实时数据。但并未提出系统中枚举和配置各设备的方法。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决目前将以太网用于现场级通信系统时，现有网络设备通信的实时性以及系统的精确同步性难以保障，而添加专用设备，又造成使用成本增高等问题，提供一种具有结构简单，成本较低，采用现有普通的通用网卡即可实现实时同步的基于标准以太网的实时同步网络及其工作方法。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种基于标准以太网的实时同步网络，在分布式控制系统中，包括至少一个主设备和至少一个从设备，在从设备中任选一个为同步信号源，各设备通过传输协议传送数据，主设备上有至少一个数据线接口，每个从设备有至少两个数据线接口，连接时彼此串行连接，即主设备的数据线接口通过数据线连接到从设备的一个数据线接口上，从设备的另一个数据接口通过数据线连接到下一个从设备的一个数据接口上，依次连接构成串行网络，进行实时同步的全双工通信。

所述各主设备有两个数据线接口，各从设备有两个数据线接口，在从设备中任选一个为同步信号源，各设备通过传输协议传送数据，主设备的一个数据线接口通过数据线连接到从设备的一个数据线接口上，从设备的另一个数据线接口通过数据线连接到下一个从设备的一个数据接口上，这样级联下去，一直连到最后一个从设备的数据线接口上，最后一个从设备的另一个数据线接口通过数据线连接到主设备的另一个数据线接口上，构成环形网络，进行实时同步的全双工通信。

所述同步信号源是在从设备中任选一个，并在其上安装同步信号线与其余的从设备连接，同步信号源负责严格的定时和同步信号的发送，周期性的发送同步信号，其他从设备负责接收同步信号，各从设备中设有一个信号延迟参数寄存器，用于设定同步信号在传输线上的时间延迟，这个信号延迟参数可以通过主设备发送配置报文的形式来设定。

所述同步信号源设定时，还可根据主设备发送命令报文的形式利用软件任意指定一个从设备为同步信号源，或者通过在任意一个从设备上设定拨码开关装置的方式确定一个从设备为同步信号源，然后用同步信号线将同步信号源与其余从设备连接。

所述数据线既包括数据发送线，也包括数据接收线，相邻的两个设备之间通信时没有冲突，实现全双工通信，数据线的传输介质既可为双绞线，也可为光纤。

所述全双工通信为，每个从设备有存储转发数据和直接转发数据的功能，主设备同从设备进行通信时，各从设备转发主设备的信息，整个系统通信没有冲突，各从设备同主设备进行通信时，从设备如果有发送给主设备的数据，将先发送自己的数据给主设备，同时接收并存储后面一个从设备发送给主设备的数据，等待自己给主设备的数据发送完成后，再转发已存储的后一个从设备发送给主设备的数据，从设备如果没有发送给主设备的数据，将直接转发后面一个从设备发送给主设备的数据，避免了通信冲突，实现了整个系统的全双工通信。

所述的串行或环形网络结构的传输协议形式可以是标准以太网传输协议，如IEEE802.3帧协议格式，包括前导符、分割符、目的地址、源地址、长度/类型字段、数据段、帧校验序列域等组成；其中数据段中包括非周期数据和周期数据，周期数据是工业控制中，任务通常按照一定的时间间隔发出，并且对任务的执行时间具有截止性要求的数据，非周期数据是只有在特定的事件触发下才出现，如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录、报警处理等；还可适用于用户自定义的或其他公知的传输协议形式。

一种基于标准以太网的实时同步网络的工作方法，

(1)首先，主设备对从设备进行自检，主设备发送一个查询报文，第一个从设备首先接收到此查询报文，第一个从设备将转发此查询报文，并发送自己的应答报文和将自己的设备号初始化为0，各从设备在收到查询报文后依次转发此查询报文，并发送自己的应答报文和将自己的设备号初始化为0，直到最后一个从设备，最后一个从设备可以通过拨码开关来确定，该最后一个从设备收到此查询报文后，发送自己的应答报文，包含为最后一个从设备的信息，并将自己的设备号初始化为0，主设备收到最后一个从设备的应答报文后，说明系统连接可靠和各设备正常工作；若主设备在发送完查询报文后，等待一段时间，此时间为正常情况下枚举最大从设备的最长时间的2倍，仍然收不到最后一个从设备的应答报文，将报告错误，说明有故障；

(2)自检通过后，主设备对从设备进行枚举和配置，即从主设备收到最后一个从设备的应答报文后，开始发送配置报文，跟主设备相连的第一个从设备，此时设备号为0，将先收到配置报文，收到此配置报文后，将不转发此配置报文到下一个从设备，第一个从设备将自己的设备号设置为1，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等，主设备在配置完第一个从设备后，将再发个下一个配置报文，第一个从设备将转发此配置报文到第二个从设备，此时设备号为0，第二个从设备在收到此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从设备，第二个从设备将自己的设备号设置为2，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等；这样依次类推，直到配置到最后一个从设备；这样每个从设备都有自己唯一的设备标号，主设备也建立一个设备表，包含各从设备的设备号、各从设备的功能和作用等；

(3)在主设备完成对各从设备的枚举和配置后，给每个从设备依次发送参数设定报文，包括同步信号延迟参数等，然后系统进入实时同步的正常运行状态。

所述步骤(1)在环形网络中自检时，主设备发送一个查询报文，第一个从设备收到之后转发到下一个从设备，同时将自己的设备号初始化为0，各从设备依次转发并将自己设备号初始化为0，直到最后一个从设备，最后一个从设备再转发此查询报文到主设备，并初始化自己设备号为0；主设备在收到此查询报文后，说明系统连接可靠和各设备工作正常；若主设备等待一段时间后，此时间为正常情况下检测最大从设备数的最长时间的2倍，仍然接收不到此查询报文，说明系统连接不可靠或某个设备不正常工作。

所述步骤(2)在环形网络中，主设备通过一个数据接口开始发送配置报文，跟主设备相连的第一个从设备，此时设备号为0，将先收到配置报文，收到此配置报文后，将不转发此配置报文到下一个从设备，第一个从设备将自己的设备号设置为1，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等，主设备在配置完第一个从设备后，将再发个下一个配置报文，第一个从设备将转发此配置报文到第二个从设备，此时设备号为0，第二个从设备在收到此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从设备，第二个从设备将自己的设备号设置为2，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等，这样依次类推，直到配置完最后一个从设备；此时主设备再发配置报文，各从设备都有自己的设备号，各从设备都将转发此配置报文，最后一个从设备将转发此配置报文到主设备的另一个数据线接口上；主设备在收到此配置报文后，说明整个系统将配置完毕，这样每个从设备都有自己唯一的设备标号，主设备也建立一个设备表，包含各从设备的设备号、各从设备的功能和作用等。

其中，主设备为负责整个系统的管理，并控制各从设备的设备，所述的从设备为负责系统的执行设备，接收主设备的命令并按命令工作。

本实用新型结合FPGA(现场可编程门阵列)技术实现了一种新的用于现场级通信的实时同步以太网络，将以太网中的设备分为主设备和从设备，适合于分布式控制系统。给出了以太网中实现全双工通信的网络拓扑结构，并给出了主设备自动枚举和配置从设备的方法，以及实现各从设备实时通信和同步动作的方法。

本实用新型的有益效果：

(1)该系统主设备采用普通标准网卡，与以太网完全兼容，实现了工厂控制网络的一致性，实现了一网到底，避免了专用网卡间不兼容的局限性。

(2)该系统采用串行结构(无容错功能)或者环形结构(有容错功能)，易于系统构建、扩展和维护。不使用集线器和交换机，避免了系统构建时的复杂问题和提高了系统通信的速度和效率。

(3)该系统提出的主设备自动检测、枚举和配置各从设备的方法，使系统具有智能性，减少了用拨码开关手工配置从设备的烦琐工作，提高了自动化水平。

(4)该系统提出的实现实时同步的方法，相比Internet网络时间协议NTP(NetworkTime Protocal)、简单时间网络协议SNTP(Simple Network Time Protocal)、IEEE1588标准精确时间协议协议PTP(Precision Time Protocal)等方法，减轻了网络负担。在实现高精度同步时，避免每个从设备站点必须自带精确时钟芯片(即等时实时ASIC)，节约了成本。

附图说明

图1为实施例1的系统串行拓扑结构图；

图2为图1的以太网连接实例结构图；

图3为系统的环形拓扑结构图；

图4为图3的以太网连接实例结构图；

图5为实现从设备精确同步的方法图

图6为数据的传输协议格式图，

其中，1.主设备，2.从设备，3.数据发送线，4.数据接收线，5.普通标准网卡，6.网络变压器，7.PHY芯片，8.带MAC IP核的FPGA，9.信号同步线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

以一个主设备和两个从设备为例来说，该系统的串行拓扑结构如图1所示。

主设备1和从设备2之间的通信分别由数据发送线3和数据接收线4来完成，从设备2之间的通信也由数据发送线3和数据接收线4来完成，这样就实现了各设备间数据的全双工通信。从设备有存储转发和直接转发的功能，主设备1发送的数据经过从设备2时，从设备2接收并直接转发给下一个从设备2，从设备2的数据发送给主设备1时，若从设备2有要发送给主设备1的数据，则从设备2先存储下一个从设备2的数据，等从设备2发送给主设备1的数据发送完后，再转发下一个从设备2的数据，若从设备2没有要发送给主设备1的数据，则从设备2直接转发下一个从设备2的数据。这样就实现了系统的全双工通信。此拓扑结构不仅适用于以太网，还可适用于用户自定义的或其他公知的传输协议形式，只是FPGA中IP核的协议不同。

举以太网为实例，详细结构如图2所示。1为主设备，2为从设备，5为主设备的数据接口，为普通标准网卡，6为网络变压器，7为PHY芯片，8为为带MAC IP核的FPGA。

在该系统的串行结构中，主设备1可以自动检测系统是否可靠连接和正常工作。在最后一个从设备2中通过一个拨码配置开关，表明为最后一个从设备。在主设备1自动检测从设备时，主设备1发送一个查询报文，第一个从设备2首先接收到此查询报文，第一个从设备2将转发此查询报文，并发送自己的应答报文和将自己的设备号初始化为0下一个从设备2也即最后一个从设备收到此查询报文后，发送自己的应答报文(包含为最后一个节点的信息)，并将自己的设备号初始化为0。主设备1收到最后一个从设备2的应答报文后，说明系统连接可靠和各设备正常工作。若主设备1在发送完查询报文后，等待一段时间(此时间为正常情况下检测最大从设备数的最长时间的2倍)，仍然收不到最后一个设备2的应答报文，将报告错误，说明有故障。

在该系统的串行结构中，主设备1可以自动枚举和配置各从设备2。在主设备1检测到系统可靠连接和正常工作后，在主设备1收到最后一个从设备2的应答报文后，开始发送配置报文，跟主设备1相连的第一个从设备2(此时设备号为0)将先收到配置报文，收到此配置报文后，将不转发此配置报文到下一个从设备2，第一个从设备2将自己的设备号设置为1，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等，主设备1在配置完第一个从设备2后，将再发下一个配置报文，第一个从设备2(此时设备号不为0)将转发此配置报文到第二个从设备2(此时设备号为0)，第二个从设备也即最后一个从设备2在收到此配置报文后将自己的设备号设置为2，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等。这样每个从设备2都有自己唯一的设备标号，主设备1也建立一个设备表，包含各设备的设备号，包含各设备的功能和作用等。

以一个主设备和两个从设备为例来说，该系统的环形拓扑结构如图3所示。1为主设备，2为从设备。主设备1和从设备2之间的通信线有两根数据发送线3和两根数据接收线4，两个从设备2之间的通信也由数据发送线3和数据接收线4来完成，这样相邻的设备间就实现了数据的全双工通信。从设备有存储转发和直接转发的功能，主设备发送的数据经过第一个从设备2时，从设备2接收并直接转发给下一个从设备2，从设备2的数据发送给主设备31时，若从设备2有要发送给主设备1的数据，则从设备2先存储下一个从设备2的数据，等从设备2发送给主设备1的数据发送完后，再转发下一个从设备2的数据，若从设备2没有要发送给主设备1的数据，则从设备2直接转发下一个从设备2的数据。主设备1也可以通过另一根数据线3、4与从设备2进行通信，方法与上面提到的主设备1通过数据线3、4与从设备2通信方法一致。即正常情况下，一根数据线是冗余的，但该拓扑结构有容错功能，即若两个从设备2之间的数据线连接有断开的时候，从设备2可以通过数据线3、4与主设备1进行通信，下一个从设备2可以通过另一根数据线3、4与主设备1进行数据通信。此拓扑结构不仅适用于以太网，还可适用于用户自定义的或其他公知的传输协议形式，只是FPGA中IP核的协议不同。

举以太网为实例，内部详细结构如图4所示。1为主设备，2为从设备，5为主设备的通信数据接口，即普通标准网卡，6为网络变压器，7为PHY芯片，8为为带MAC IP核的FPGA。

在该系统的环形结构中，主设备1可以自动检测系统是否可靠连接和正常工作。主设备1通过数据线3、4发送一个查询报文，第一个从设备2收到之后转发到下一个从设备2，同时将自己的设备号初始化为0，下一个从设备也即最后一个从设备2再通过数据线3、4转发此查询报文到主设备1，并初始化自己设备号为0。主设备1在收到此查询报文后，说明系统连接可靠和各设备工作正常。若主设备1等待一段时间(此时间为正常情况下检测最大从设备数的最长时间的2倍)后，仍然接收不到此查询报文，说明系统连接不可靠或某个设备不正常工作。

在该系统的环形结构中，主设备1可以自动枚举和配置各从设备2。主设备1检测系统可靠连接和正常工作后，主设备1通过数据线3、4开始发送配置报文，跟主设备1相连的第一个从设备2(此时设备号为0)将先收到配置报文，收到此配置报文后，将不转发此配置报文到下一个从设备2，第一个从设备2将自己的设备号设置为1，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等，主设备1在配置完第一个从设备2后，将再发个下一个配置报文，第一个从设备2将转发此配置报文到第二个从设备2(此时设备号为0)，第二个从设备2在收到此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从设备2，第二个从设备2将自己的设备号设置为2，同时发送一个应答报文，包含自己的设备号、该从设备的功能、作用等。此时主设备再发配置报文，各从设备2都有自己的设备号(此时设备号不为0)，各从设备2都将转发此配置报文，最后一个从设备2将转发此配置报文到主设备1的另一个数据线接口上。主设备1在收到此配置报文后，说明整个系统将配置完毕。这样每个从设备2都有自己唯一的设备标号，主设备1也建立一个设备表，包含各从设备2的设备号，包含各设备的功能和作用等。

在上面所说的串行和环形网络结构中，除可用Internet网络时间协议NTP(Network TimeProtocal)、简单时间网络协议SNTP(Simple Network Time Protocal)、IEEE1588标准精确时间协议协议PTP(Precision Time Protocal)协议来同步各从设备外，还提出了一种用于各从设备精确同步的方法。就是从设备之间除了数据线之外，再加一根同步信号线。以串行拓扑结构为例，如图5所示，1为主设备，2为从设备，3为数据发送线、4为数据接收线，9为同步信号线。在从设备2中可任选一个从设备为同步信号源，举以最后一个从设备2为同步信号源为例，最后一个从设备2负责严格的定时和同步信号的发送，周期性的通过同步信号线9发送同步信号。其他的从设备2接收同步信号。如果不考虑传输线的线上延迟，各从设备2将同时收到同步信号，同时动作，实现各从设备2动作的同步性。如果考虑传输线的线上延迟，各从设备2收到同步信号的线上延迟时间是固定的，在配置阶段根据各设备的传输线长给各从设备2中设置一个时间延迟参数寄存器，在收到同步信号后，每次延迟一段确定的时间再动作，这样就实现了各从设备2的精确同步动作。

在上面所说的串行和环形网络结构中，除了主设备可以与各从设备进行数据通信外，各从设备之间也可以进行数据通信。主设备与各从设备进行数据通信的传输协议和报文格式，主要包括主设备配置报文、主设备数据报文、从设备数据报文三类。主设备与从设备间以及各从设备间数据通信协议符合以太网帧协议规范，举以太网IEEE802.3帧协议格式为例，如图6所示，包括前导符、分割符、目的地址、源地址、长度/类型字段、数据段、帧校验序列域等组成。其中数据段中包括非周期数据和周期数据，周期数据是工业控制中，任务(如功能块的执行)通常按照一定的时间间隔发出，并且对任务的执行时间具有截止性要求的数据。非周期数据是只有在特定的事件触发下才出现，例如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录、报警处理等。

主设备配置(查询)报文：系统上电以后或系统重构以后，主设备发送此报文，完成系统的检测以及对各从设备的自动枚举和配置。

主设备数据报文用于向从设备发送指令数据，在一次通讯周期中，主设备发送一次主设备周期数据报文，从设备接收后从中提取自己的数据。

从设备数据报文用于向主设备反映该设备的运行状态，在一次通讯周期中，从设备都会向主设备发送一次从设备数据报文。

在系统完成从设备的自动枚举和配置过程后，以串行结构为例，如图5所示，主设备1发送周期数据报文，在保证各从设备2都收到主设备1的周期数据报文的前提下，同步信号源即最后一个从设备2周期性的通过信号同步线9发送一个同步信号，各从设备2在收到此信号后，经过设定的延迟时间值后，锁存当前的工作状态，按照收到的主设备1周期数据同时动作，并同时将当前的工作状态即从设备周期数据报文发送到主设备1。

Claims (5)

1.一种基于标准以太网的实时同步网络，其特征是：在分布式控制系统中，包括至少一个主设备和至少一个从设备，在从设备中任选一个为同步信号源，各设备通过传输协议传送数据，主设备上有至少一个数据线接口，每个从设备有至少两个数据线接口，连接时彼此串行连接，即主设备的数据线接口通过数据线连接到从设备的一个数据线接口上，从设备的另一个数据接口通过数据线连接到下一个从设备的一个数据接口上，依次连接构成串行网络，进行实时同步的全双工通信。

2.根据权利要求1所述的基于标准以太网的实时同步网络，其特征是：所述各主设备有两个数据线接口，各从设备有两个数据线接口，在从设备中任选一个为同步信号源，各设备通过传输协议传送数据，主设备的一个数据线接口通过数据线连接到从设备的一个数据线接口上，从设备的另一个数据线接口通过数据线连接到下一个从设备的一个数据接口上，这样级联下去，一直连到最后一个从设备的数据线接口上，最后一个从设备的另一个数据线接口通过数据线连接到主设备的另一个数据线接口上，构成环形网络，进行实时同步的全双工通信。

3.根据权利要求1或2所述的基于标准以太网的实时同步网络，其特征是：所述同步信号源是在从设备中任选一个，并在其上安装同步信号线与其余的从设备连接，各从设备中设有一个信号延迟参数寄存器。

4.根据权利要求3所述的基于标准以太网的实时同步网络，其特征是：所述同步信号源为在任意一个从设备上设定拨码开关装置的方式确定一个从设备为同步信号源，然后用同步信号线将同步信号源与其余从设备连接。

5.根据权利要求1所述的基于标准以太网的实时同步网络，其特征是：所述数据线既包括数据发送线，也包括数据接收线，相邻的两个设备之间通信时没有冲突，实现全双工通信，数据线的传输介质既可为双绞线，也可为光纤。

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