[發明專利]一種利用全雙工以太網帶寬的實時以太網

在審

• 申請號: 201811632830.0
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109861894A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 解潤海;高志華;曹立波;尤濤;張杰
• 申請（專利權）人: 天津市天森智能設備有限公司
• 主分類號: H04L12/40
• 分類號: H04L12/40;H04L12/931;H04L12/403;H04L12/413
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 高璇

本發明涉及一種利用全雙工以太網帶寬的實時以太網，媒體訪問控制采用主站/從站原則，主站節點發送以太網幀給從站節點，從站節點從這些幀中提取和插入數據；本方法采用以太網全雙工的功能：雙方向的通信都是獨立執行的，在主站發送的路徑上每個從站讀和寫，并且，在返回主站路徑上以太網幀再通過各中間從站時，僅執行發送到接收的時間的測量。本發明使用盡可能少的數量的不同通信技術，實現與現場總線層的外部通信和內部通信，以實現精益化設計，避免使用專有技術，而是能夠使用最廣為接受和開放的行業標準，更少的硬件意味著可以延長MTBF以及降低開發成本、單價及物流成本。同時，這些標準化使得使用的插頭連接器和電纜數量大量減少。

技術領域

本發明屬于數字式通信網絡技術領域，具體是一種利用全雙工以太網帶寬的實時以太網。

背景技術

現場總線已成為自動化技術的集成組件，通過大量的實踐試驗和測試，如今已獲得廣泛應用。正是由于現場總線技術的普及，才使基于PC的控制系統得以廣泛應用。然而，雖然控制器CPU的性能(尤其是IPC的性能)發展迅猛，但傳統的現場總線系統正日趨成為控制系統性能發展的“瓶頸”。急需技術革新的另一個因素則是由于傳統的解決方案并不十分理想。傳統的方案是，按層劃分的控制體系通常都由幾個輔助系統所組成(周期系統)：即實際控制任務、現場總線系統、I/O系統中的本地擴展總線或外圍設備的簡單本地固件周期。正常情況下，系統響應時間是控制器周期時間的3-5倍。在現場總線系統之上的層面(即網絡控制器)中，以太網往往在某種程度上代表著技術發展的水平。該方面目前較新的技術是驅動或I/O級的應用，即過去普遍采用現場總線系統的這些領域。這些應用類型要求系統具備良好的實時能力、適應小數據量通訊，并且價格經濟。EtherCAT可以滿足這些需求，并且還可以在I/O級實現因特網技術。

有許多方案力求實現以太網的實時能力。例如，CSMA/CD介質存取過程方案，即禁止高層協議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網包。這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數據包傳送給所連接的以太網節點，但是，輸出或驅動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數據所需要的時間都要受制于具體的實現方式。

如果將單個以太網幀用于每個設備，那么，理論上講，其可用數據率非常低。例如，最短的以太網幀為84字節(包括內部的包間隔IPG)。如果一個驅動器周期性地發送4字節的實際值和狀態信息，并相應地同時接收4字節的命令值和控制字信息，那么，即便是總線負荷為100％(即：無限小的驅動響應時間)時，其可用數據率也只能達到4/84＝4.8％。如果按照10μs的平均響應時間估計，則速率將下降到1.9％。對所有發送以太網幀到每個設備(或期望幀來自每個設備)的實時以太網方式而言，都存在這些限制，但以太網幀內部所使用的協議則是例外。

目前，有許多方案力求實現以太網的實時能力。例如，CSMA/CD介質存取過程方案，即禁止高層協議訪問過程，而由時間片或輪詢方式所取代的一種解決方案；另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網包。

這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數據包傳送給所連接的以太網節點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設備，因為即使是對于非常小的數據量，也必須要發送一個完整的以太網幀。而且，輸出或驅動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數據

所需要的時間都要受制于具體的實現方式。通常也需要使用一條子總線，特別是在模塊化I/O系統中，它與Beckhoff的K-bus總線一樣，傳輸可能能夠同步，且速度也較快，但它還是不可避免地會增加通訊總線傳輸的延遲。