數據采集和控制設備基于以太網的同步并發板間通信方法
【專利摘要】本發明采用以太網在數據采集和控制設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，主控單元同時向采集單元周期性發送采集指令以太網報文，采集單元收到指令報文后同步本地時鐘，進行同步采集并將采集數據用以太網報文回給主控單元，實現了主控單元與采集單元的時鐘同步和主從式同步采集。
【專利說明】數據采集和控制設備基于以太網的同步并發板間通信方法
【技術領域】
[0001]屬于數據通信【技術領域】和工業控制【技術領域】。
技術背景
[0002]數據采集和控制設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系，通常使用物理層的某種技術，例如serdes或local bus等。本方法采用以太網實現單元間通信，開放性好，方便板間互聯和設備標準化；性價比高，可以降低設備成本。
【發明內容】
[0003]工業控制的數據采集和控制設備通常由主控單元、AD (模擬量到數字量)轉換單元、DO (開關量輸出)單元和DI (開關量輸入)單元組成以及傳感器單元組成，完成對開關量、模擬量的同步采集、采集量的計算、控制算法處理和動作指令的輸出功能。這類設備的上述組成單元通常通過背板使用某種總線進行通信。本發明使用以太網實現單元間并發同步采集。
[0004]本發明使用從主控單元到其他單元間星型以太網通信方式，每個采集單元(AD、DI> D0)到主控使用單獨的以太網通道。以太網物理層可以是任何符合IEEE802.3標準的全雙工以太網技術，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報文中通過上述以太網進行傳遞。如圖1所示。
[0005]本發明采用從主控單元到采集單元的主從式采集控制機制和主從時鐘同步機制實現數據同步采集。
[0006]時鐘同步是利用主控單元到采集單元以太網傳送鏈路時延固定的原理和主控單元周期性向采集單元發送報文對采集單元進行授時的機制實現的。所有單元的本地時鐘最大計時長度采用采集周期T，在主控時鐘為O時刻時，主控單元同時向所有采集單元發送采集指令報文，如果到某個采集單元的以太網鏈路的時延是為t，該采集單元在接收這個采集命令報文時本地時鐘時間為τ，則本地時鐘與主控時鐘的誤差為(τ-t)。修正這個誤差，就可實現該采集單元本地時鐘與主控時鐘的同步。
[0007]測量以太網的鏈路時延可以采用專門的以太網測試儀器，也可以使用動態測量方法。動態測量方法:主控單元向采集單元發送專門的時延測量報文，采集單元接到該報文立即返回該報文，并將接收和發送的時間差tl放在該報文中，主控單元接收到返回的報文，計算發出和接收的時間差t2，則(t2-tl)的一半就是改以太網鏈路的延時。這里計算時間都以接收到報文的第一個bit為準。
[0008]主從式周期性采集控制機制:只有當采集單元收到主控的采集指令報文，采集單元才回應采集回應報文；采集指令報文中可以攜帶主控單元下發的控制動作信息(D O)及管理信息；采集回應報文中攜帶采集數據(A D或D I信息)及該采集單元運行狀態信息。當采集單元接收到采集指令報文后，采用其本地時鐘，在設定的時刻(該時刻應該設定在所有的采集單元都收到采集指令報文后)，進行同步A D或D I數據采集，并將采集來的數據封裝進采集回應報文發回給主控單元。主控單元收到所有采集單元回應的采集回應報文后，將采集的數據從報文中取出，在設定的時刻交付給控制算法和數據分析、計算單元。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1主控單元到各個采集單元形成星型以太網
[0010]圖2主控單元實現說明
【具體實施方式】
[0011]采用10baseT以太網技術，在主控單元到8個采集單元間通過設備背板形成8路以太網。
[0012]主控單元上使用FPGA加8 口以太網支持10baseT的PHY芯片實現本發明所述的技術。FPGA完成以太網mac層功能以及時鐘、時間同步和周期采集召喚功能；PHY芯片與FPGA通過MII接口相連，主要實現10baseT物理層功能，并通過10baseT技術的每路以太網2對差分信號連接到背板。
[0013]背板提供滿足IEEE802.3標準要求的8路以太網的10baseT差分信號線(每路2對差分線)，分別連接主控單元到8個采集單元。
[0014]每個采集單元通過一個FPGA(或CPLD)與一個單口支持10baseT的PHY芯片實現本發明所述技術。FPGA實現以太網MAC層功能以及時鐘、時間同步和周期采集功能；PHY芯片與FPGA通過標準Mil (media independent interface)接口相連,主要完成主要實現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利用本地晶振驅動一個計數器作為時鐘。對于采集周期為T，時鐘的最大計時時間也設置成T。利用事先通過以太網測試儀表測量的主控單元到采集單元的以太網鏈路傳輸時間t(為了簡化實現，本實施方法沒有采用動態鏈路時延測量辦法)。主控單元按周期T在時鐘時刻為O時，定時同步向每個采集單元發送采集召喚報文；當采集單元收到該報文時，本地時鐘時刻為τ，通過計算(τ -t)得到與本地時鐘與主控時鐘的誤差，修正本地時鐘的這個誤差，實現本地時鐘與主控時鐘的同步；同時如果測控單元收到了主控的采集召喚報文，就通過本地的時鐘在設定的同步采集時刻進行AD或DI數據采集，并將采集的數據放到采集回應報文指定的位置發送給主控單元。主控單元收到所有采集單元回應的采集回應報文后，將采集的數據從報文中取出，在設定的時刻交付給控制算法和數據分析、計算單元。
【權利要求】
1.本發明在數據采集和控制設備內主控單元和采集單元間采用以太網通信，實現了所有單元間時間同步和周期性同步數據采集功能。
2.權利要求1所述以太網物理結構為以主控單元為核心到各個采集單元的星型拓撲，每個采集單元到主控單元都有獨立的全雙工以太網鏈路。主控單元通過這樣的以太網可以同時與各個采集單元發送和接收以太網報文。
3.權利要求基于主控單元與各個采集單元間周期性發送報文進行主控單元到采集單元對時的方法和2所述的以太網鏈路傳輸時延固定的原理，實現所有采集單元與主控單元的時間同步的機制。
4.權利要求主從式周期性采集控制機制:只有當采集單元收到主控的采集指令報文，采集單元才回應采集回應報文；采集指令報文中可以攜帶主控單元下發的控制動作信息(00)及管理信息；采集回應報文中攜帶采集數據(八0或0 I信息)及該采集單元運行狀態信息。當采集單元接收到采集指令報文后，采用其本地時鐘，在設定的時刻(該時刻應該設定在所有的采集單元都收到采集指令報文后)，進行同步八0或0 I數據采集，并將采集的數據封裝進采集回應報文發回給主控單元。
5.權利要求2所描述的以太網中實現動態測量以太網鏈路傳輸時延的機制:主控單元向采集單元發送專門的時延測量報文，采集單元接到該報文立即返回該報文，并將接收和發送的時間差放在該報文中，主控單元接收到返回的報文，計算發出和接收的時間差七2，則“2-0的一半就是改以太網鏈路的延時。這里計算的時間都以接收到報文的第一個時刻為準。
【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 優先權日:2013年7月23日
【發明者】王健 申請人:深圳市信橋科技有限公司