一种实时以太网共享环组网模块的制作方法

本实用信息属于有线通信技术领域，尤其涉及一种实时以太网共享环组网模块。

背景技术：

近年来，时间敏感网络技术的发展逐渐引起工业界的广泛关注，时间敏感网络以底抖动、低延时、确定性传输为主要特点，适用于对传输时延有较高要求的应用场景，特别是对工业互联网的应用。而现有工业实时网络还处于发展初期，相关标准也在逐步推进中，工业的快速发展，对整个制造工艺、控制精细化都提出了更高的要求，故此需要一个能够快速实时通讯网络来的支持整个工业领域的发展。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足之处，本实用新型提供一种实时以太网共享环组网模块，满足对产品的高可靠性和低成本小型化网络的快速铺设要求。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种实时以太网共享环组网模块，包括多个连接的传输节点，每个传输节点含一个实时共享环模块，其中一个实时共享环模块为主节点，其它实时共享环模块为从节点，主节点上设有主端口和从端口，主节点与从节点连接，该从节点与另一个从节点连接，以此类推，最后一个从节点与主节点的从端口连接，组成一个环型。

在上述技术方案中，所述共享环模块包括FPGA(现场可编程门阵列)和多个PHY(与外部信号接口的芯片)及接口，FPGA与多个PHY电连接，接口包括2路以太网接口、一路本地以太网接口、2路RS422接口、2路RS232接口和1路CAN接口。

在上述技术方案中，所述传输节点之间通过网线或光线连接。

本实用新型的有益效果是：

1、免去了交换机/集线器的采购成本；

2、带宽共享独特的包处理流程降低了点点间数据包的转发时延；

3、Powerlink的FPGA时分处理技术缩短了了系统的刷新相应时间；

4、环路保护技术提高整体系统的可靠性；

5、对于已铺设了传统工业以太网的工业环境，可用兼顾原有的线缆资源进行改造，进一步降低组网成本；

6、组网互联可选光纤，极大增强了设备间的组网半径。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型中单个实时共享环模块的结构框图。

图3为本实用新型中FPGA内部功能原理实现框图。

图4为本实用新型中共享环报文处理流程图。

图5为本实用新型中Powerlink协议栈结构示意图。

图6为本实用新型中Powerlink实时通信原理图。

图7为本实用新型的结构示意图。

图8为图7的左视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示一种实时以太网共享环组网模块，包括多个连接的传输节点，每个传输节点包括一个实时共享环模块，其中一个实时共享环模块为主节点，其它实时共享环模块为从节点，所述主节点上设有主端口和从端口，主端口与其中一个从节点连接，该从节点与另一个从节点连接，以此类推，最后一个从节点的与主节点的从端口连接，组成一个环型。

如图2和图7所示，所述共享环模块包括FPGA(现场可编程门阵列)和多个PHY(与外部信号接口的芯片)及接口，FPGA与多个PHY电连接，接口包括2路以太网接口、一路本地以太网接口、2路RS422接口、2路RS232接口和1路CAN接口。模块核心器件为FPGA器件，选用Xlinx公司ZYNQ7000系列，型号为XC7Z020-2CLG484C芯片，ZYNQ芯片的PS系统集成了两个ARM Cortex^TM-A9处理器，互连，内部存储器，外部存储器接口，内部含有丰富的可编程逻辑单元，DSP和内部RAM。

FPGA内部实现了共享环处理栈、CPU核，POWERLINK协议栈及实时时钟动态分配等部分，具体实现如图3所示；

在上述技术方案中，所述传输节点之间通过网线或光线连接。

主节点在主端口上定时传送特定hello报文，当主节点在从端口上收到自己发出的特定hello报文时，则认为环网稳定，此时将从端口阻塞，防止出现数据环路；如果在规定时间内，从端口收不到主端口发出的hello报文，则认为环网故障。依靠上述机制确保了网络的高可靠性，其链路倒换时间可以保障在50ms以内。

整个环路依站点分段，相邻站点之间的带宽等于环路总带宽，采用点对点通信，逐段转发。业务层面需要识别报文，如果目的地是本站则下环，否则送回环上，交由下一级站点判断。通过报文中的DMAC识别目的地，另外通过站点ID和TTL字段实现异常保护。报文格式和物理接口兼容IEEE802.3以太网标准，与业务应用完全解耦。用户接口采用标准10/100/1000M以太网电接口或1000M光接口，即插即用。

主要处理流程如下图4所示。

实现原理：

1)异常报文保护措施

为防止无法匹配的报文在环路上永久循环，增加了站点ID和TTL两个字段，通过本站ID终结和TTL丢弃两种机制终结异常报文。

本站ID终结：每个站点用户接口报文上环时，在报文中加入本站ID。每个站点接收环路报文时，检查站点ID，如果与本站ID一致，则丢弃，否则按正常流程处理。这样每个报文最多绕一圈就可终结。另外，站点ID可标识报文来源，方便应用处理。

TTL丢弃：每个站点用户接口报文上环时，报文中TTL初始设置为0。报文每经过一个站点，TTL加1。如果TTL值小于门限就按正常流程处理，超过限定值则丢弃。

2)带宽分配及优先级调度

站点上行流量与总带宽的比例可配置，支持1/2，1/4，1/8，1/16、1/32等多种模式。上行流量与环路输入流量采用灵活的调度机制。在带宽资源宽松时，任何一路都可以占用最大带宽；而当带宽资源紧张时，又遵从带宽限制及RR轮询机制，保证任何一路都有流量通过，不会完全停止。

与Powerlink实时工业以太网技术整合技术，如图5所示：

共享环技术与Powerlink实时工业以太网技术整合成为实时共享环。其主要特点包括，链路层采用或兼容IEEE802.3Ethernet技术，网络层包括IP协议和特有协议2套结构，应用层保持支持工业自动化应用。

其物理层PHY和链路层MAC完全借用了IEEE802.3标准。网络层及以上融合了IP协议和CAN协议。在网络层和链路层之间有一个单独的协议层，实现Powerlink报文封装，以及周期性的实时访问控制。

如图6所示，其访问由管理节点(MN)发起，控制节点(CN)作为从节点，对MN作出回应，即请求(Req)-应答(Res)模式。

主节点(MN)依次对所有的从节点发起轮询访问，实现数据双向传递，此阶段为"等时同步阶段"，报文长度，应答时间都需要精确控制。其后是异步阶段，主节点可对特定从节点访问，或者从节点之间互相访问，其持续时间可变。再后是空闲阶段。三个阶段组成一个访问周期，其大小是恒定的，是衡量实时性的一个关键指标。

共享环技术提供了环路保护功能及以太网通信架构，由于其通信线路可选用光纤，具有高带宽、抗干扰、高可靠的优点。非常适合作为工业自动化控制的基础网络架构。在实时共享环网络中，环站点通过FPGA可编程器件可直接实现共享环及Powerlink技术的整合，改变了传统网络的功能固定，无法扩展和修改的特性。

实时共享环组网特点：

1)基础宽带网。利用共享环组网提供50ms冗余保护和宽带IP业务通道，提高网络的可靠性，确保用户业务的快速恢复；

2)硬件实时承载。无论是共享环站点接入实时终端(以太网接口)从节点，还是控制器主节点都采用硬实时设备，采用FPGA的硬实时技术，对FPGA设计进行重构，实现软核Powerlink协议处理和逻辑处理时间资源的分配，可极大提高实时刷新时间，从而提高整体实时性能，刷新率小于200us；

3)设备集成度高，体积小，组网灵活便捷，且成本不高。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。