一种用于工业以太网的数据通道系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于工业以太网的数据通道系统，包括集成于一颗可编程逻辑器件内的通信控制模块、写控制模块、数据缓存模块、读控制模块和中断模块；构成了一个包括物理层、数据链路层、应用层的三层模型，简化了网络传输的五层模型；并采用高速双口RAM作为数据帧解析、验证和通知读出数据时的缓存区，在提高数据传输可靠性的同时提高了数据传输的效率，具有高吞吐量的优点；并且，在通道控制模块及中断模块的控制下，对于读和写均形成了滑动窗口访问机制；可有效防止数据污染，避免暂存于通道中但还未读出的数据被新的数据覆盖，提高了传输数据的可靠性。
【专利说明】
一种用于工业以太网的数据通道系统
技术领域
[0001]本实用新型属于工业现场总线技术领域，更具体地，涉及一种用于提高工业以太网传输效率的数据通道系统。
【背景技术】
[0002]工业以太网实现了办公自动化系统与工业自动化系统之间的无缝连接，由于工业以太网由传统的商用以太网进行改进而成，可以利用其丰富的软硬件资源进行节点设备的开发。但是，传统的以太网机制并不能满足工业控制的可靠性要求，尽管其可以通过通信协议在一定程度上提供数据验证的机制，但会因此降低网络数据的处理速度，达不到工业自动化系统数据产生所需的实时性要求和可靠性要求。
[0003]现有实现工业以太网的可靠性传输保证的技术如EtherCAT的SyncManager，包括Buffered模式和MaiIBox模式，分别应用于不同类型的数据传输;其中，Buffered模式用于工业以太网周期过程数据传输;MailBox模式用于MailBox通信协议传输，使用读写-验证_读写的方式来防止数据污染、重复与丢失。
[0004]该技术存在以下缺陷-Buffered模式采取三块不同的内存区域来匹配读写双发数据速率上的不匹配;一块内存区域用于接收写入方的数据;一块内存区域存储接收的写入收据;一块内存区域备用，当数据写满后，则往备用内存区域写入，而写满数据那块内存区域则等待读取方读出数据;该模式下，当写入速度大于读取速度，会造成数据溢出，新写入的数据覆盖掉部分未读出的数据;而MailBox模式虽然进行简单的可靠性验证来防止数据污染、重复与丢失，但并不能保证传输效率。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于工业以太网的数据通道系统，其目的在于提高工业以太网的传输实时性和传输效率。
[0006]为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于工业以太网的数据通道系统，包括集成于一颗可编程逻辑器件内的通信控制模块、写控制模块、数据缓存模块、读控制模块和中断模块；
[0007]其中，写控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第一输出端，写控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第一输出端;读控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第三输出端，读控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第二输出端;数据缓存模块的控制信号输入端连接通道控制模块的第二输出端；中断模块的第一输入端连接通道控制模块的第四输出端，第三输入端连接通道控制模块的第五输出端，第二输入端连接数据缓存模块的控制信号输出端；
[0008]数据缓存模块的数据输入端连接写控制模块的数据输出端，读控制模块的数据输入端连接数据缓存模块的数据输出端。
[0009]优选的，上述用于工业以太网的数据通道系统，写控制模块在通道控制模块的控制下输出写控制信号；该写控制信号用于控制向通道内写入数据的权限，通道中每一个字节的写权限仅在前一个字节被写后才变为有效，在该字节写完成后，其所对应的写权限则变为无效;形成滑动窗口访问机制。
[0010]优选的，上述用于工业以太网的数据通道系统，在通道控制模块的控制下，读控制模块在通道被填满后开始读取数据;在数据读取过程中，写控制模块在中断模块的作用下，停止向通道写入数据，直到通道内所有数据被读出。
[0011]优选的，上述用于工业以太网的数据通道系统，读控制模块在通道控制模块的控制下输出读控制信号，所述读控制信号用于对通道内的数据分配读取权限；对通道内数据按照顺序读取，只有在当前字节被读出后，才对其下一个字节开放读取权限，直至通道内的所有数据被读出;并且，已被读出的数据变为不可读;形成滑动窗口访问机制。
[0012]优选的，上述用于工业以太网的数据通道系统，采用高速双口 RAM(随机存取存储器，Random access memory)作数据缓存模块。
[0013]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0014](I)本实用新型提供的用于工业以太网的数据通道系统，采用可编程逻辑器件实现，采用硬件实现再很大程度上保证了数据传输可靠性，并使得该数据通道系统对数据传输具有更快的响应速度，以满足工业以太网实时性要求；
[0015](2)本实用新型提供的用于工业以太网的数据通道系统，构成了一个三层模型，包括物理层、数据链路层、应用层，简化了网络传输的五层模型;并采用高速双口 RAM作为数据帧解析、验证和通知读出数据时的暂存区，在提高数据传输可靠性的同时提高了数据传输的效率，具有高吞吐量的优点；
[0016](3)本实用新型提供的用于工业以太网的数据通道系统，在通道控制模块及中断模块的控制下，对于读和写均形成了滑动窗口访问机制;对于写操作而言，通道中每一个字节的写权限仅在前一个字节被写后才开放，在该字节被写后，该字节的写权限被收回；且在通道内所有数据被读出之前，整个通道区域不可写;对于读操作而言，通道内的字节顺序读出，只有当前字节被读出后，采对下一个字节开放读权限，直至整个通道的内容被读出；而已经被读出的字节也变为不可读；由此可有效的防止数据污染，避免暂存于通道中但还未读出的数据，被新的数据覆盖，提高了数据传输的可靠性。
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统的架构示意图；
[0018]图2是实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统作为服务请求与应答通道传输数据的机制示意图；
[0019]图3是实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统作为过程数据通道传输数据的机制不意图；
[0020]图4是实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统作为服务数据通道传输数据的机制不意图；
[0021]图5是实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统作为FIFO通道的数据传输机制不意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023]实施例提供的用于工业以太网的数据通道系统，其功能架构如图1所示意的，包括集成于一颗FPGA内的通信控制模块、写控制模块、数据缓存模块、读控制模块和中断模块；
[0024]写控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第一输出端，写控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第一输出端;读控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第三输出端，读控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第二输出端;数据缓存模块的控制信号输入端连接通道控制模块的第二输出端；中断模块的第一输入端连接通道控制模块的第四输出端，第三输入端连接通道控制模块的第五输出端，第二输入端连接数据缓存模块的控制信号输出端；
[0025]数据缓存模块的数据输入端连接写控制模块的数据输出端，读控制模块的数据输入端连接数据缓存模块的数据输出端。
[0026]将实施例提供的上述用于工业以太网的数据通道系统作为服务请求与应答通道，其传输数据的机制如图2所示意的，具体如下:
[0027](I)由主站在控制器中开辟一块内存区域，区域长度为L，用于缓存协调发送方和接收方的数据交互；
[0028](2)当发送方要发送长度为Ld的数据，根据拟发送数据的长度确定发送的数据帧；
[0029]若拟发送的数据长度(字节数)Ld<(L_2)，则在拟发送数据之前填充一个值为Ld的16位数据后，将填充后的数据作为数据帧发送到通道；
[0030]若拟发送的数据长度Ld>(L_2)，则将拟发送数据进行分片，每片数据的长度不超过(L-2)，并在每片数据前填充一个16位的数据，填充数据的值为本片数据的长度，将填充后的数据作为数据帧发送到通道；
[0031](3)当通道接收完一次数据后，对读取方产生读出中断，并以中断信号的方式通知发送方不可再写入新数据；
[0032](4)从站通过前16位数据获取欲读取数据的长度，然后将其后续的数据读出；
[0033](5)清除读出中断，并以中断信号的方式通知写入方可写入新的数据；
[0034](6)重复步骤(I)?(5)，直到数据传输完成。
[0035]将实施例提供的上述用于工业以太网的数据通道系统作为过程数据通道传输数据的机制如图3所示；
[0036]传输数据时，用一块缓存来接收写入方的数据，当该缓存被填满，则将其中的数据交换给读取方将数据读出；并将空闲的缓存区域用于接收写入方写入的新数据；由此，实现在保证数据吞吐量的同时对数据进行连续写入和读出；
[0037]将实施例提供的上述用于工业以太网的数据通道系统作为服务数据通道传输数据的机制如图4所示，具体如下:
[0038](I)配置服务数据通道，包括通道内存区长度、起始地址、传输方向、运行模式、启动/停止、中断设置；
[0039](2)判定发送数据的长度，若发送数据长度超过通道内存区的长度，则对数据进行分片，每片数据的大小不超过内存区的长度；
[0040](3)数据传输时，数据帧的数据域部分依次填入到内存区；
[0041]当通道设置成运行模式，则在数据填入内存但未填满通道时，以任意值写入通道内存区的最后一个字节，强制通道对读出方产生中断，读取方在接收到中断信号后读出数据；
[0042]当通道未设置成运行模式时，则在数据填入内存但未填满通道时，等待后续数据填入通道，直到整个内存区被填满后产生对读取方的中断；
[0043](4)读取方根据通道隐藏的内部指针获知填入内存区的数据长度，并将其内容读出；
[0044](5)重复步骤(I)?(4)，直到数据传输完成；
[0045]服务数据通道主要用于协议数据的传输，在工业现场总线中，需要在链路层之上以独有的协议进行传输数据，这部分数据需要可靠性保证，采用本实用新型提供的这种数据通道可确保无数据丢失。
[0046]将实施例提供的上述用于工业以太网的数据通道系统作为FIFO通道的数据传输机制如图5所不意的，具体如下:
[0047](I)配置通道长度、起始地址、通道控制寄存器以及通道开关；
[0048](2)判定发送数据长度，若发送数据长度超过数据报文能够承载的数据容量，则对拟发送的数据进行分片，使得单片数据长度不大于数据报文能够承载的数据长度，且不大于FIFO通道当前可写与可读字节数；由此保证单片数据可以被数据报文承载，且数据报文的所有内容可以写入与读出通道的字节数；
[0049](3)将分片内容逐次写入、读出通道;接收方将被分片的数据进行组合，恢复出原始的完整数据；
[0050](4)待新的数据到来，重复步骤(I)?(3);直到数据传输完成;FIFO通道在保证传输速率的情况下提高了传输的可靠性。
[0051]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于工业以太网的数据通道系统，其特征在于，包括集成于一颗可编程逻辑器件内的通信控制模块、写控制模块、数据缓存模块、读控制模块和中断模块； 所述写控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第一输出端，写控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第一输出端;所述读控制模块的第一控制信号输入端连接通信控制模块的第三输出端，读控制模块的第二控制信号输入端连接中断模块的第二输出端;所述数据缓存模块的控制信号输入端连接通道控制模块的第二输出端;所述中断模块的第一输入端连接通道控制模块的第四输出端，第三输入端连接通道控制模块的第五输出端，第二输入端连接数据缓存模块的控制信号输出端； 所述数据缓存模块的数据输入端连接写控制模块的数据输出端，读控制模块的数据输入端连接数据缓存模块的数据输出端。2.如权利要求1所述的数据通道系统，其特征在于，所述数据缓存模块采用高速双口RAM0
【文档编号】H04L29/08GK205545323SQ201620216528
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】陈吉红, 吴棋, 杨立志, 王轶锴, 方凡涛, 肖佩, 华榛
【申请人】华中科技大学