CN109861894A - 一种利用全双工以太网带宽的实时以太网 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用全双工以太网带宽的实时以太网，媒体访问控制采用主站/从站原则，主站节点发送以太网帧给从站节点，从站节点从这些帧中提取和***数据；本方法采用以太网全双工的功能：双方向的通信都是独立执行的，在主站发送的路径上每个从站读和写，并且，在返回主站路径上以太网帧再通过各中间从站时，仅执行发送到接收的时间的测量。本发明使用尽可能少的数量的不同通信技术，实现与现场总线层的外部通信和内部通信，以实现精益化设计，避免使用专有技术，而是能够使用最广为接受和开放的行业标准，更少的硬件意味着可以延长MTBF以及降低开发成本、单价及物流成本。同时，这些标准化使得使用的插头连接器和电缆数量大量减少。
Description
技术领域
本发明属于数字式通信网络技术领域，具体是一种利用全双工以太网带宽的实时以太网。
背景技术
现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制***得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能(尤其是IPC的性能)发展迅猛，但传统的现场总线***正日趋成为控制***性能发展的“瓶颈”。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助***所组成(周期***)：即实际控制任务、现场总线***、I/O***中的本地扩展总线或***设备的简单本地固件周期。正常情况下，***响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线***之上的层面(即网络控制器)中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线***的这些领域。这些应用类型要求***具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。
有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。
如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节(包括内部的包间隔IPG)。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100％(即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84＝4.8％。如果按照10μs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9％。对所有发送以太网帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。
目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮询方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。
这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使是对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。而且，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据
所需要的时间都要受制于具体的实现方式。通常也需要使用一条子总线，特别是在模块化I/O***中，它与Beckhoff的K-bus总线一样，传输可能能够同步，且速度也较快，但它还是不可避免地会增加通讯总线传输的延迟。
一个标准现场总线通常用于数控***在I/O和设备间的外部通信，从而将数控***完全集成到自动化***中。然而，在一个数控***内不同组件(如驱动器和位置编码器)之间也需要进行复杂的数据传输，以便能够实施对实时性能要求较高的控制和调节任务。此外，内部设备必须为安全技术和控制基础设施进行信息交换，更不用说显示和操作。为此用驱动线材相连接的数控***中要用到不同的通信技术，从而导致使用大量不同的插头和电缆。
简言之：一般工业通讯的网络各节点传送的资料长度不长，多半都比以太网帧的最小长度要小。而每个节点每次更新资料都要送出一个帧，造成带宽的低利用率，网络的整体性能也随之下降。EtherCAT利用一种称为“飞速传输”(processing on the fly)的技术改善以上的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用全双工以太网带宽的实时以太网，旨在于最大限度地利用全双工以太网带宽的实时以太网技术。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种利用全双工以太网带宽的实时以太网，其特征在于：媒体访问控制采用主站/从站原则，主站节点发送以太网帧给从站节点，从站节点从这些帧中提取和***数据；
本方法采用以太网全双工的功能：双方向的通信都是独立执行的，在主站发送的路径上每个从站读和写，并且，在返回主站路径上以太网帧再通过各中间从站时，仅执行发送到接收的时间的测量。
而且，所述从站节点为多个不同的从站设备，能够接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网帧。
而且，当以太网帧传到一个从站设备的时候，该从站设备处理传入的以太网帧，并在把帧传到下一个从站设备之前，从中读取数据和/或***自己的数据；网段内的最后一个从站设备沿着设备链反向发送完全处理的以太网帧，并通过第一个从站设备把收集的信息返回给主站，主站接收信息作为以太网响应帧。
而且，主站节点与多个从站节点之间的不同协议通过一根线传输。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的一个重要目标是使用尽可能少的数量的不同通信技术，实现与现场总线层的外部通信和内部通信，以实现精益化设计，避免使用专有技术，而是能够使用最广为接受和开放的行业标准。此外，性能受限的硬件需要用智能软件功能取代，而这之所以成为可能，是由于现代多核PC具有很高的计算能力，更少的硬件意味着可以延长MTBF(平均无故障时间)以及降低开发成本、单价及物流成本。同时，这些标准化使得使用的插头连接器和电缆数量大量减少。
附图说明
图1为整体从站参考模型；
图2为CoE服务模型；
图3为EtherCAT数据链路参考模型；
图4为EtherCAT PDU嵌入式以太网帧；
图5为物理层通用模型。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种利用全双工以太网带宽的实时以太网，旨在最大限度地利用全双工以太网带宽的实时以太网，媒体访问控制采用主站/从站原则，主站节点(通常是控制***)发送以太网帧给从站节点，从站节点从这些帧中提取和***数据；
本方法采用以太网全双工的功能：双方向的通信都是独立执行的，在主站发送的路径上每个从站读和写，并且，在返回主站路径上以太网帧再通过各中间从站时，仅执行发送到接收的时间的测量。
从以太网的角度看，一个EtherCAT网段就是一个单个的以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC 8802-3以太网帧；然而这种以太网设备并不局限于带有下游微处理器的单个以太网控制器，也可以包含大量的EtherCAT从站设备；
当以太网帧传到这些设备的时候，它们处理传入的以太网帧，并在把帧传到下一个从站设备之前，从中读取数据和/或***自己的数据；网段内的最后一个从站设备沿着设备链反向发送完全处理的以太网帧，并通过第一个从站设备把收集的信息返回给主站，主站接收信息作为以太网响应帧。
考虑到当前以太网技术的能力能否以较高的数据传输速率满足实时和安全性，所有这些都具有IT领域所熟悉特点。此外，以太网的优点是不同的协议可以通过一根线传输，这将大大降低***中使用的电缆数量。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (4)
1.一种利用全双工以太网带宽的实时以太网，其特征在于：媒体访问控制采用主站/从站原则，主站节点发送以太网帧给从站节点，从站节点从这些帧中提取和***数据；
本方法采用以太网全双工的功能：双方向的通信都是独立执行的，在主站发送的路径上每个从站读和写，并且，在返回主站路径上以太网帧再通过各中间从站时，仅执行发送到接收的时间的测量。
2.根据权利要求1所述的利用全双工以太网带宽的实时以太网，其特征在于：所述从站节点为多个不同的从站设备，能够接收和发送标准的ISO/IEC 8802-3以太网帧。
3.根据权利要求1所述的利用全双工以太网带宽的实时以太网，其特征在于：当以太网帧传到一个从站设备的时候，该从站设备处理传入的以太网帧，并在把帧传到下一个从站设备之前，从中读取数据和/或***自己的数据；网段内的最后一个从站设备沿着设备链反向发送完全处理的以太网帧，并通过第一个从站设备把收集的信息返回给主站，主站接收信息作为以太网响应帧。
4.根据权利要求1所述的利用全双工以太网带宽的实时以太网，其特征在于：主站节点与多个从站节点之间的不同协议通过一根线传输。
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