CN112968822A - 一种基于以太网phy的一主多从实时通讯***及方法 - Google Patents

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刘文波
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Abstract

本发明涉及一种运动控制实时通讯***及方法，更具体地，涉及一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***及方法。***包括主节点和从节点，主节点包括工控计算机、NIC网卡单元，从节点包括FPGA主控单元、PHY单元、网络变压器单元、RJ45网口。主节点通过网线将网卡NIC连接至从节点输入网口，从节点输出网口连接至下一个从节点输入网口，依次构成一主多从通讯网络。借助千兆以太网PHY所提供的物理层通信链路，通过编写FPGA控制逻辑，可实现强实时性、大吞吐量、高可靠性的数据传输；实现方式简单，多节点通讯、可靠性高、实时性高，可实现强实时性、大吞吐量、高可靠性的数据传输。

Description

一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***及方法
技术领域
本发明涉及一种运动控制实时通讯***及方法，更具体地，涉及一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***及方法。
背景技术
在工业运动控制领域，设备之间通常需要高速实时地进行数据交互。当设备间距离较远时，可以采用RS485、CAN、以太网等传输介质，并结合上层协议来保证数据交互的可靠性。RS485、CAN总线一般适用于数据量较小，刷新周期要求不高的场合；而普通的以太网通讯不具有实时性，不能直接用于诸如机器人和运动控制***等工业通讯实时性要求苛刻的场合。
基于以太网传输介质衍生出了一些通讯协议，如EtherCAT、Powerlink、 PROFINET等。一方面，此类协议一般较为复杂，且对硬件有一定的要求，增加了应用的难度。另一方面，该类以太网技术具有专有性和封闭性，应用时需向其支付一定的版费。然而，在部分运动控制领域，往往不需要完整的路由机制和流量控制，但需要一种高实时的数据交互方式。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种基于以太网PHY 的一主多从实时通讯***及方法，具有高可靠性、高实时性、以及实现多节点通讯的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，包括主节点和从节点；所述的主节点包括工控计算机、 NIC网卡单元；所述的从节点包括FPGA主控芯片、第一物理层PHY芯片、第二物理层PHY芯片、第一网络变压器、第二网络变压器、第一RJ45网口和第二RJ45网口；所述的工控计算机与NIC网卡之间通过PCI或PCIe总线连接；所述的FPGA主控芯片与第一物理层PHY芯片的一端电性连接，所述的第一物理层PHY芯片的另一端与第一网络变压器的一端电性连接，所述的第一网络变压器的另一端与第一RJ45网口电性连接；所述的FPGA主控芯片同时还与第二物理层PHY芯片的一端电性连接，所述的第二物理层PHY芯片的另一端与第二网络变压器的一端电性连接，所述的第二网络变压器的另一端与第二RJ45 网口电性连接；所述的主节点与从节点之间通过网线连接。
在其中一个实施例中，所述的主节点还包括NIC驱动单元和第一数据交换格式定义单元；所述的从节点还包括从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元；所述的NIC驱动单元、第一数据交换格式定义单元均分别与工控计算机通信连接；所述的从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元均分别与 FPGA主控芯片通信连接。
在其中一个实施例中，所述的FPGA主控芯片分别通过RMII接口与第一物理层PHY芯片和第二物理层PHY芯片连接。
在其中一个实施例中，所述的第一RJ45网口和第二RJ45网口均为全双工的，通讯速率为100Mbps或1000Mbps。
在其中一个实施例中，所述的主节点NIC网卡单元通过网线与从节点的第一RJ45网口通信连接。
在其中一个实施例中，所述的从节点设有多组，多组从节点之间通过网线串联连接。
在其中一个实施例中，从节点的第二RJ45网口通过网线与另一个从节点的第一RJ45网口通信连接。
在其中一个实施例中，所述的从节点的数量小于等于65535个，且相邻两个从节点的间距小于等于100米。
在其中一个实施例中，第一RJ45网口为输入端口；第二RJ45网口为输出端口。
本发明还提供一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯方法，使用以上所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，具体包括以下步骤：当数据更新周期到来时，NIC驱动单元按照约定的数据交换格式定义将待发送的数据封装成包，由NIC驱动单元填充到数据发送缓冲区，经网络变压器发送至第一个从节点的输入网口；从节点FPGA主控芯片从输入网口接收数据流并按照约定的数据交换格式定义解析和二次封装成包后再由该从节点输出网口发送至下一从节点的输入网口，依次类推直至完成网络中所有节点的数据交换。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***及方法，借助千兆以太网PHY所提供的物理层通信链路，通过编写FPGA控制逻辑，可实现强实时性、大吞吐量、高可靠性的数据传输；本发明实现方式简单，多节点通讯、可靠性高、实时性高，可实现强实时性、大吞吐量、高可靠性的数据传输。
附图说明
图1是本发明***结构示意图。
图2是本发明从节点通讯单元框图。
图3是本发明实时通讯数据交互流程。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，包括主节点和从节点；主节点包括工控计算机、NIC网卡单元；从节点包括FPGA主控芯片、第一物理层PHY芯片、第二物理层PHY芯片、第一网络变压器、第二网络变压器、第一RJ45网口和第二RJ45网口；工控计算机与NIC网卡之间通过 PCI或PCIe总线连接；FPGA主控芯片与第一物理层PHY芯片的一端电性连接，第一物理层PHY芯片的另一端与第一网络变压器的一端电性连接，第一网络变压器的另一端与第一RJ45网口电性连接；FPGA主控芯片同时还与第二物理层 PHY芯片的一端电性连接，第二物理层PHY芯片的另一端与第二网络变压器的一端电性连接，第二网络变压器的另一端与第二RJ45网口电性连接；主节点与从节点之间通过网线连接。
在其中一个实施例中，主节点还包括NIC驱动单元和第一数据交换格式定义单元；从节点还包括从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元；NIC驱动单元、第一数据交换格式定义单元均分别与工控计算机通信连接；从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元均分别与FPGA主控芯片通信连接。
在其中一个实施例中，FPGA主控芯片分别通过RMII接口与第一物理层 PHY芯片和第二物理层PHY芯片连接。
在其中一个实施例中，第一RJ45网口和第二RJ45网口均为全双工的，通讯速率为100Mbps或1000Mbps。
在其中一个实施例中，主节点NIC网卡单元通过网线与从节点的第一RJ45 网口通信连接。
在其中一个实施例中，从节点设有多组，多组从节点之间通过网线串联连接。
在其中一个实施例中，从节点的第二RJ45网口通过网线与另一个从节点的第一RJ45网口通信连接。
在其中一个实施例中，从节点的数量小于等于65535个，且相邻两个从节点的间距小于等于100米。
在其中一个实施例中，第一RJ45网口为输入端口；第二RJ45网口为输出端口。
实施例2
本实施例提供一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯方法，使用实施例 1基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，具体包括以下步骤：当数据更新周期到来时，NIC驱动单元按照约定的数据交换格式定义将待发送的数据封装成包，由NIC驱动单元填充到数据发送缓冲区，经网络变压器发送至第一个从节点的输入网口；从节点FPGA主控芯片从输入网口接收数据流并按照约定的数据交换格式定义解析和二次封装成包后再由该从节点输出网口发送至下一从节点的输入网口，依次类推直至完成网络中所有节点的数据交换。
其中，NIC驱动单元工作在内核态模式，与实时任务层通过共享内存的方式进行数据交互；NIC驱动单元去除与上层协议栈交互的接口，增加与实时任务层的交互接口；NIC驱动单元关闭电源管理、休眠等功能，以便增强实时性； NIC驱动单元包括硬件初始化、缓存初始化、数据发送处理函数、数据接收处理函数、状态更新函数、数据封装与解析函数；数据发送流程是，数据封装与解析函数将实时任务层通过共享内存方式发送的数据按照数据交换格式进行封装，再经由数据发送处理函数根据skb赋值发送描述符，然后使能硬件发送寄存器直接将数据发送出去；数据接收流程是，初始化函数设定中断机制来接收数据包，当接收中断来时，数据接收处理函数根据skb从接收描述符拷贝出来数据，然后调用数据解析函数将有效数据通过共享内存方式传输给实时任务层；NIC驱动单元中状态更新函数可向用户层上报收发数据包的数量、网络连接状态、从节点数量、发送和接收速率等。
从节点FPGA主控芯片配置有控制程序，包括PYH初始化函数、数据收发处理函数、数据封装与解析函数；PHY初始化函数包括自协商模式配置、速率配置、RMII复位、RMII使能；从节点根据所在网络中的物理连接顺序，可自动编排地址码；数据收发处理函数从第一网口接收数据流，并进行CRC校验；从节点根据自身地址码从对应的数据段中读取数据，并***新的待发数据，数据包中计数器累加1，并对新的数据包进行整体CRC校验，将新校验数据填充数据包中；从节点将新处理完的数据包按照比特流从第二网口发送出去，直至网络中最后一个节点处理完的数据包，再经由各从节点逐一返回给主节点；如附图3所示，整个通信过程运行于全双工模式下，每个从节点使用纯硬件方式实现对数据包的更新处理。
数据交换格式协议单元包括以太网前导码、帧起始定界符、从节点地址码、数据长度、用户数据、数据包计数器、同步时钟、数据校验等；前导码为7个字节0x55，一串1和0间隔的数据流，表示信号同步；帧起始界定符为1个字节0xD5，表示有效数据的开始；从节点地址码为2个字节，根据从节点所在网络中位置自动填充；数据长度为2个字节；数据包计数器为2个字节，表示当前数据包被处理的次数，用于网络通讯诊断；同步时钟为4个字节，表示各个从节点时序同步；数据校验为4个字节，CRC32校验从帧起始界定符开始到同步时钟最后一个字节的所有数据，并填充到数据包尾部。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，包括主节点和从节点；所述的主节点包括工控计算机、NIC网卡单元；所述的从节点包括FPGA主控芯片、第一物理层PHY芯片、第二物理层PHY芯片、第一网络变压器、第二网络变压器、第一RJ45网口和第二RJ45网口；所述的工控计算机与NIC网卡之间通过PCI或PCIe总线连接；所述的FPGA主控芯片与第一物理层PHY芯片的一端电性连接，所述的第一物理层PHY芯片的另一端与第一网络变压器的一端电性连接，所述的第一网络变压器的另一端与第一RJ45网口电性连接；所述的FPGA主控芯片同时还与第二物理层PHY芯片的一端电性连接，所述的第二物理层PHY芯片的另一端与第二网络变压器的一端电性连接，所述的第二网络变压器的另一端与第二RJ45网口电性连接；所述的主节点与从节点之间通过网线连接。
2.根据权利要求1所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的主节点还包括NIC驱动单元和第一数据交换格式定义单元；所述的从节点还包括从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元；所述的NIC驱动单元、第一数据交换格式定义单元均分别与工控计算机通信连接；所述的从节点控制单元和第二数据交换格式定义单元均分别与FPGA主控芯片通信连接。
3.根据权利要求1所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的FPGA主控芯片分别通过RMII接口与第一物理层PHY芯片和第二物理层PHY芯片连接。
4.根据权利要求1所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的第一RJ45网口和第二RJ45网口均为全双工的，通讯速率为100Mbps或1000Mbps。
5.根据权利要求1所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的主节点NIC网卡单元通过网线与从节点的第一RJ45网口通信连接。
6.根据权利要求1至4任一项所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的从节点设有多组，多组从节点之间通过网线串联连接。
7.根据权利要求6所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，从节点的第二RJ45网口通过网线与另一个从节点的第一RJ45网口通信连接。
8.根据权利要求7所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，所述的从节点的数量小于等于65535个，且相邻两个从节点的间距小于等于100米。
9.根据权利要求7所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，其特征在于，第一RJ45网口为输入端口；第二RJ45网口为输出端口。
10.一种基于以太网PHY的一主多从实时通讯方法，其特征在于，使用权利要求2至9任一项所述的基于以太网PHY的一主多从实时通讯***，具体包括以下步骤：当数据更新周期到来时，NIC驱动单元按照约定的数据交换格式定义将待发送的数据封装成包，由NIC驱动单元填充到数据发送缓冲区，经网络变压器发送至第一个从节点的输入网口；从节点FPGA主控芯片从输入网口接收数据流并按照约定的数据交换格式定义解析和二次封装成包后再由该从节点输出网口发送至下一从节点的输入网口，依次类推直至完成网络中所有节点的数据交换。
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