數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備基于以太網(wǎng)的同步并發(fā)板間通信方法
【專利摘要】本發(fā)明采用以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備的主控單元與采集單元間形成以主控單元為核心的星型以太網(wǎng)，主控單元同時(shí)向采集單元周期性發(fā)送采集指令以太網(wǎng)報(bào)文，采集單元收到指令報(bào)文后同步本地時(shí)鐘，進(jìn)行同步采集并將采集數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)報(bào)文回給主控單元，實(shí)現(xiàn)了主控單元與采集單元的時(shí)鐘同步和主從式同步采集。
【專利說明】數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備基于以太網(wǎng)的同步并發(fā)板間通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]屬于數(shù)據(jù)通信【技術(shù)領(lǐng)域】和工業(yè)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備的主控單元和采集單元間需要通過背板的高速通信總線聯(lián)系，通常使用物理層的某種技術(shù)，例如serdes或local bus等。本方法采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單元間通信，開放性好，方便板間互聯(lián)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化；性價(jià)比高，可以降低設(shè)備成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]工業(yè)控制的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備通常由主控單元、AD (模擬量到數(shù)字量)轉(zhuǎn)換單元、DO (開關(guān)量輸出)單元和DI (開關(guān)量輸入)單元組成以及傳感器單元組成，完成對開關(guān)量、模擬量的同步采集、采集量的計(jì)算、控制算法處理和動(dòng)作指令的輸出功能。這類設(shè)備的上述組成單元通常通過背板使用某種總線進(jìn)行通信。本發(fā)明使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單元間并發(fā)同步采集。
[0004]本發(fā)明使用從主控單元到其他單元間星型以太網(wǎng)通信方式，每個(gè)采集單元(AD、DI> D0)到主控使用單獨(dú)的以太網(wǎng)通道。以太網(wǎng)物理層可以是任何符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的全雙工以太網(wǎng)技術(shù)，例如100baseT、1000baseT、1000FX等。主控單元與采集單元將需要通信的信息封裝在以太網(wǎng)報(bào)文中通過上述以太網(wǎng)進(jìn)行傳遞。如圖1所示。
[0005]本發(fā)明采用從主控單元到采集單元的主從式采集控制機(jī)制和主從時(shí)鐘同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。
[0006]時(shí)鐘同步是利用主控單元到采集單元以太網(wǎng)傳送鏈路時(shí)延固定的原理和主控單元周期性向采集單元發(fā)送報(bào)文對采集單元進(jìn)行授時(shí)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。所有單元的本地時(shí)鐘最大計(jì)時(shí)長度采用采集周期T，在主控時(shí)鐘為O時(shí)刻時(shí)，主控單元同時(shí)向所有采集單元發(fā)送采集指令報(bào)文，如果到某個(gè)采集單元的以太網(wǎng)鏈路的時(shí)延是為t，該采集單元在接收這個(gè)采集命令報(bào)文時(shí)本地時(shí)鐘時(shí)間為τ，則本地時(shí)鐘與主控時(shí)鐘的誤差為(τ-t)。修正這個(gè)誤差，就可實(shí)現(xiàn)該采集單元本地時(shí)鐘與主控時(shí)鐘的同步。
[0007]測量以太網(wǎng)的鏈路時(shí)延可以采用專門的以太網(wǎng)測試儀器，也可以使用動(dòng)態(tài)測量方法。動(dòng)態(tài)測量方法:主控單元向采集單元發(fā)送專門的時(shí)延測量報(bào)文，采集單元接到該報(bào)文立即返回該報(bào)文，并將接收和發(fā)送的時(shí)間差tl放在該報(bào)文中，主控單元接收到返回的報(bào)文，計(jì)算發(fā)出和接收的時(shí)間差t2，則(t2-tl)的一半就是改以太網(wǎng)鏈路的延時(shí)。這里計(jì)算時(shí)間都以接收到報(bào)文的第一個(gè)bit為準(zhǔn)。
[0008]主從式周期性采集控制機(jī)制:只有當(dāng)采集單元收到主控的采集指令報(bào)文，采集單元才回應(yīng)采集回應(yīng)報(bào)文；采集指令報(bào)文中可以攜帶主控單元下發(fā)的控制動(dòng)作信息(D O)及管理信息；采集回應(yīng)報(bào)文中攜帶采集數(shù)據(jù)(A D或D I信息)及該采集單元運(yùn)行狀態(tài)信息。當(dāng)采集單元接收到采集指令報(bào)文后，采用其本地時(shí)鐘，在設(shè)定的時(shí)刻(該時(shí)刻應(yīng)該設(shè)定在所有的采集單元都收到采集指令報(bào)文后)，進(jìn)行同步A D或D I數(shù)據(jù)采集，并將采集來的數(shù)據(jù)封裝進(jìn)采集回應(yīng)報(bào)文發(fā)回給主控單元。主控單元收到所有采集單元回應(yīng)的采集回應(yīng)報(bào)文后，將采集的數(shù)據(jù)從報(bào)文中取出，在設(shè)定的時(shí)刻交付給控制算法和數(shù)據(jù)分析、計(jì)算單元。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1主控單元到各個(gè)采集單元形成星型以太網(wǎng)
[0010]圖2主控單元實(shí)現(xiàn)說明

【具體實(shí)施方式】
[0011]采用10baseT以太網(wǎng)技術(shù)，在主控單元到8個(gè)采集單元間通過設(shè)備背板形成8路以太網(wǎng)。
[0012]主控單元上使用FPGA加8 口以太網(wǎng)支持10baseT的PHY芯片實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的技術(shù)。FPGA完成以太網(wǎng)mac層功能以及時(shí)鐘、時(shí)間同步和周期采集召喚功能；PHY芯片與FPGA通過MII接口相連，主要實(shí)現(xiàn)10baseT物理層功能，并通過10baseT技術(shù)的每路以太網(wǎng)2對差分信號連接到背板。
[0013]背板提供滿足IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)要求的8路以太網(wǎng)的10baseT差分信號線(每路2對差分線)，分別連接主控單元到8個(gè)采集單元。
[0014]每個(gè)采集單元通過一個(gè)FPGA(或CPLD)與一個(gè)單口支持10baseT的PHY芯片實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述技術(shù)。FPGA實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC層功能以及時(shí)鐘、時(shí)間同步和周期采集功能；PHY芯片與FPGA通過標(biāo)準(zhǔn)Mil (media independent interface)接口相連,主要完成主要實(shí)現(xiàn)10baseT物理層功能，并同過10baseT差分信號連接到背板。如圖2所示。
[0015]主控單元和采集單元的FPGA利用本地晶振驅(qū)動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器作為時(shí)鐘。對于采集周期為T，時(shí)鐘的最大計(jì)時(shí)時(shí)間也設(shè)置成T。利用事先通過以太網(wǎng)測試儀表測量的主控單元到采集單元的以太網(wǎng)鏈路傳輸時(shí)間t(為了簡化實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施方法沒有采用動(dòng)態(tài)鏈路時(shí)延測量辦法)。主控單元按周期T在時(shí)鐘時(shí)刻為O時(shí)，定時(shí)同步向每個(gè)采集單元發(fā)送采集召喚報(bào)文；當(dāng)采集單元收到該報(bào)文時(shí)，本地時(shí)鐘時(shí)刻為τ，通過計(jì)算(τ -t)得到與本地時(shí)鐘與主控時(shí)鐘的誤差，修正本地時(shí)鐘的這個(gè)誤差，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘與主控時(shí)鐘的同步；同時(shí)如果測控單元收到了主控的采集召喚報(bào)文，就通過本地的時(shí)鐘在設(shè)定的同步采集時(shí)刻進(jìn)行AD或DI數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)放到采集回應(yīng)報(bào)文指定的位置發(fā)送給主控單元。主控單元收到所有采集單元回應(yīng)的采集回應(yīng)報(bào)文后，將采集的數(shù)據(jù)從報(bào)文中取出，在設(shè)定的時(shí)刻交付給控制算法和數(shù)據(jù)分析、計(jì)算單元。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明在數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備內(nèi)主控單元和采集單元間采用以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了所有單元間時(shí)間同步和周期性同步數(shù)據(jù)采集功能。
2.權(quán)利要求1所述以太網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)為以主控單元為核心到各個(gè)采集單元的星型拓?fù)?，每個(gè)采集單元到主控單元都有獨(dú)立的全雙工以太網(wǎng)鏈路。主控單元通過這樣的以太網(wǎng)可以同時(shí)與各個(gè)采集單元發(fā)送和接收以太網(wǎng)報(bào)文。
3.權(quán)利要求基于主控單元與各個(gè)采集單元間周期性發(fā)送報(bào)文進(jìn)行主控單元到采集單元對時(shí)的方法和2所述的以太網(wǎng)鏈路傳輸時(shí)延固定的原理，實(shí)現(xiàn)所有采集單元與主控單元的時(shí)間同步的機(jī)制。
4.權(quán)利要求主從式周期性采集控制機(jī)制:只有當(dāng)采集單元收到主控的采集指令報(bào)文，采集單元才回應(yīng)采集回應(yīng)報(bào)文；采集指令報(bào)文中可以攜帶主控單元下發(fā)的控制動(dòng)作信息(00)及管理信息；采集回應(yīng)報(bào)文中攜帶采集數(shù)據(jù)(八0或0 I信息)及該采集單元運(yùn)行狀態(tài)信息。當(dāng)采集單元接收到采集指令報(bào)文后，采用其本地時(shí)鐘，在設(shè)定的時(shí)刻(該時(shí)刻應(yīng)該設(shè)定在所有的采集單元都收到采集指令報(bào)文后)，進(jìn)行同步八0或0 I數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)封裝進(jìn)采集回應(yīng)報(bào)文發(fā)回給主控單元。
5.權(quán)利要求2所描述的以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量以太網(wǎng)鏈路傳輸時(shí)延的機(jī)制:主控單元向采集單元發(fā)送專門的時(shí)延測量報(bào)文，采集單元接到該報(bào)文立即返回該報(bào)文，并將接收和發(fā)送的時(shí)間差放在該報(bào)文中，主控單元接收到返回的報(bào)文，計(jì)算發(fā)出和接收的時(shí)間差七2，則“2-0的一半就是改以太網(wǎng)鏈路的延時(shí)。這里計(jì)算的時(shí)間都以接收到報(bào)文的第一個(gè)時(shí)刻為準(zhǔn)。
【文檔編號】H04L12/46GK104348692SQ201310328552
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月23日
【發(fā)明者】王健 申請人:深圳市信橋科技有限公司