一种总线型实时以太网通信系统及方法

1.本发明涉及通信方法的技术领域，特别涉及一种总线型实时以太网通信系统及方法。


背景技术：

2.传统以太网(ethernet)技术是目前应用最广泛的局域网通信技术，传统以太网在经历了40余年的发展之后，伴随着传输介质和传输材料的进步，在传输速率上和传输效率上得到了很大的提升。
3.传统以太网采用的是随机访问的方式，节点可以随意地发送消息，并且同时允许多个节点同时访问总线，在传统以太网的结构下，当两个及以上的节点同时发送报文时，就会在总线上产生冲突，面对这种冲突，传统以太网采用的是载波监听多路访问/冲突检测(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection,csma/cd)方法，这种方法是通过在报文发送之前先进行载波监听、在发送的过程中同时检测总线上的冲突，然后用冲突退避算法解决冲突。随着节点的不断变多，总线上的冲突会导致报文的较大延迟，有时甚至会影响到关键信息的及时传输，传统以太网不提供延迟和带宽保证，这样系统的行为没有确定性，并且单纯的使用csma/cd方法也不支持双通道结构。但是传统以太网具有较高的开发性，能实现工业操控网络和企业信息网络的无缝衔接。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种总线型实时以太网通信方法，实时以太网避免使用带来不确定性延迟的载波监听多路访问/冲突检测(csma/cd)方法，提高系统的实时性和确定性。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种总线型实时以太网通信系统，包括：
5.多个平等且具有相互通信连接的节点，每个所述节点包括用于数据传输的数据链路层；
6.每个所述节点包括用户数据，所述用户数据包括周期性数据和随机性数据，所述用户数据通过双通道的通信模式进行访问，所述数据链路层上设置有会话层，所述会话层用于将通信时间分为持续时间相等并且循环重复的通信循环，每个所述通信循环包括静态段、动态段和网络空闲三个段。
7.优选的，每个所述节点使用两个时隙数器，两个所述时隙数器分别对应通道a和b，在静态段，通道a和b的时隙计数器是同步递增的；在动态段，它们依照动态仲裁机制独立自主地递增。
8.优选的，所述会话层下设置有数据链路层，所述数据链路层下设置有物理层，所述数据链路层包括逻辑链路控制子层与媒体介入控制子层，所述逻辑链路控制子层用于接收滤波、收发超载通知和进行恢复管理，所述媒体介入控制子层用于进行数据封装/拆装、帧编码及媒体访问管理，所述会话层用于进行节点之间数据传输过程中的协调控制，所述物
理层用于进行位编码和解码、位定时和同步。
9.优选的，所述通信循环通过时间分层的方法来定义，且所述通信循环包括通信循环层、宏节拍层和微节拍层，且所述静态段、动态段和网络空闲均由多个宏节拍组成。
10.一种总线型实时以太网通信方法，包括以下步骤：
11.s1、通过帧id指示并定义了传输所述帧的时隙，在各个通道的一个通信循环中，帧id仅可使用一次；
12.s2、通过每个网络节点维护时隙计数变量，在任何时候，所述隙计数变量始终表示时隙计数器的状态；
13.s3、通过传输时刻的时隙计数计数器(ch)值确定被发送的帧id；
14.s4、发送帧id时，节点首先发送最重要的位，然后根据重要性按降序发送其它位。
15.优选的，所述步骤s1中，在各个通道的一个通信循环中，帧id仅可使用一次。帧id的长度为11个二进制位，其数值范围为1～2047，帧id＝0为无效值，在簇内，每个被传输的帧都有一个配置给这个簇的帧id。
16.优选的，所述步骤s2中，在采用双通道传输的情况下，一个节点包括两个时隙计数器，分别用来记录通道a和通道b的时隙数，当一个通信循环开始时，两个计数器都复位至1；在时隙计数器相应的通道上，每当一个时隙结束时，无论该时隙属于静态时隙或动态时隙，计数器都要加1。
17.优选的，所述步骤s3中，在没有错误的情况下，时隙计数变量(ch)的值始终不会为0，时隙可用于传输，若接收方收到一个帧id为0的帧，则该帧被认为是错误的。
18.本发明与现有技术相比，其有益效果是：基于iso/osi参考模型的，在此基础上做出了改变，实时以太网保留了传统以太网的物理层和数据链路层，在传统以太网的数据链路层上添加了一个会话层。采用分时间段处理机制，设计了一个双通道通信堆栈结构，标准以太网通信堆栈与实时以太网通信堆栈，用以满足标准与实时数据传输的要求，既实现了实时的数据传输，同时还兼容了已有的标准以太网。
附图说明
19.图1为根据本发明的总线型实时以太网通信系统及系统的结构框图；
20.图2为根据本发明的总线型实时以太网通信系统及方法的动态段通信结构图；
21.图3为根据本发明的总线型实时以太网通信系统及方法的通信循环结构图；
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.参照图1
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3，一种总线型实时以太网通信系统，包括：多个平等且具有相互通信连接的节点，每个所述节点包括用于数据传输的数据链路层；
24.每个所述节点包括用户数据，所述用户数据包括周期性数据和随机性数据，所述用户数据通过双通道的通信模式进行访问，所述数据链路层上设置有会话层，所述会话层
用于将通信时间分为持续时间相等并且循环重复的通信循环，每个所述通信循环包括静态段、动态段和网络空闲三个段。
25.进一步的，每个所述节点使用两个时隙数器，两个所述时隙数器分别对应通道a和b，在静态段，通道a和b的时隙计数器是同步递增的；在动态段，它们依照动态仲裁机制独立自主地递增。
26.进一步的，所述会话层下设置有数据链路层，所述数据链路层下设置有物理层，所述数据链路层包括逻辑链路控制子层与媒体介入控制子层，所述逻辑链路控制子层用于接收滤波、收发超载通知和进行恢复管理，所述媒体介入控制子层用于进行数据封装/拆装、帧编码及媒体访问管理，所述会话层用于进行节点之间数据传输过程中的协调控制，所述物理层用于进行位编码和解码、位定时和同步。
27.进一步的，所述通信循环通过时间分层的方法来定义，且所述通信循环包括通信循环层、宏节拍层和微节拍层，且所述静态段、动态段和网络空闲均由多个宏节拍组成。
28.一种总线型实时以太网通信方法，包括以下步骤：
29.s1、通过帧id指示并定义了传输所述帧的时隙，在各个通道的一个通信循环中，帧id仅可使用一次；
30.s2、通过每个网络节点维护时隙计数变量，在任何时候，所述隙计数变量始终表示时隙计数器的状态；
31.s3、通过传输时刻的时隙计数计数器(ch)值确定被发送的帧id；
32.s4、发送帧id时，节点首先发送最重要的位，然后根据重要性按降序发送其它位。
33.进一步的，所述步骤s1中，在各个通道的一个通信循环中，帧id仅可使用一次。帧id的长度为11个二进制位，其数值范围为1～2047，帧id＝0为无效值，在簇内，每个被传输的帧都有一个配置给这个簇的帧id。
34.进一步的，所述步骤s2中，在采用双通道传输的情况下，一个节点包括两个时隙计数器，分别用来记录通道a和通道b的时隙数，当一个通信循环开始时，两个计数器都复位至1；在时隙计数器相应的通道上，每当一个时隙结束时，无论该时隙属于静态时隙或动态时隙，计数器都要加1。
35.进一步的，所述步骤s3中，在没有错误的情况下，时隙计数变量(ch)的值始终不会为0，时隙可用于传输，若接收方收到一个帧id为0的帧，则该帧被认为是错误的。
36.本发明实现两种网络访问的方式：通过静态段访问和通过动态段访问
37.在通信循环中，一旦静态段和动态段的分配被确定下来，要对每个段进行“切片”，以确定静态段包括的时隙(slot)数量和动态段包括的微时隙(minislot)数量。在使用两个rtethernet传输通道的情况下，两个通道上的时间切片数量必须相同，并且有必要注意rtethernet规范给出的其它限制。下图给出了这种情况的一个实例。
38.双通道通信实例
39.静态段采用的是一个完全确定性的网络访问架构，这意味着，在给定的静态时隙中，被发送的帧属于哪个节点、哪个通信循环是已知的，节点的名称、时隙的编号和期望的功能三者之间有直接关系。通信循环是rtethernet媒体访问机制的最基本要素，为了避免时隙分配错误，在循环编号和期望时隙的编号之间建立直接联系，并把它们与要发送的帧联系起来是必要的，只有这样才能保证在正确的时隙中发送正确的帧。为此，rtethernet在
被发送帧的头部引入了“帧标识符(帧id)”，并且使用了“仲裁网格(arbitration grid)”机制。
40.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
41.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。