CN114006785A - 一种单双绞线tsn无源耦合器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单双绞线TSN无源耦合器及设计方法，包括：步骤一，实现双线以太网通信；步骤二，实现双线以太网供电；步骤三，供电中继接入；步骤四，实现三端口TSN交换；步骤五，对普通以太网接口的兼容；步骤六，建立基于门控的时间调度机制；步骤七，划分数据优先级；步骤八，实施多节点混合组网；步骤九，实现集中式的网络配置。本发明的耦合器能够实现TSN网络节点分布式连接，连接采用单双绞线，通信带宽1000Mbps。本发明的双线供电耦合器使网络节点实现无源连接，使节点接入网络更加简单、方便，减少线缆。适用于网络通信、实时控制领域，具有线缆少、使用简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及分布式实时控制网络，具体涉及一种单双绞线TSN无源耦合器及设计方法。
背景技术
分布式网络通信及实时控制网络领域相对于传统以太网对网络拓扑、带宽分配及供电方面有着特殊要求。
拓扑方面，在传统的以太网中，一个节点要接入网络，需要使用交换机或集线器，网络拓扑可以是星形、环形、树形、总线形及网状结构。但是分布式网络通信、实时控制领域通常网络通信节点距离都比较远，传统网络拓扑依赖交换机互联，使用不便。为解决上述问题，在控制领域，出现了一种采用菊花链连接的网络拓扑，每个网络节点一般有2个端口，首尾相连，但这种技术仍然使用普通的4对差分线网线，这在一些对线缆成本、线缆重量及布线空间有严格要求的领域应用起来不太方便。
带宽方面，在使用交换机进行互联的传统网络***中，各节点可同时实现满带宽高速通信，但这些节点使用CSMA/CD即载波侦听多路访问/冲突检测机制规避冲突，这引入了网络传输延迟不确定，不适用于控制领域。而集线器和菊花链拓扑的网络是共享带宽的，虽然某些专用控制网络可以通过分时间片的方式，在共享带宽的网络上实现实时控制数据收发，但这些网络是专用的，不能兼容普通以太网(如办公网络)，也就是说不能在收发控制数据(OT流量)的同时，进行信息数据(IT)的收发。
供电方面，以太网经过多年的发展，形成了POE供电技术，可实现在4对双绞线上传输电能，给网线末端设备供电而不需要电源线，但就像前面提到的，在某些领域4对双绞线仍不能满足要求。
因此，在分布式实时控制网络领域，需要一种单双绞线承载，能实现控制、信息数据混合传输，且具备双线供电能力的网络技术。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种单双绞线TSN无源耦合器及设计方法，用以解决分布式时间敏感网络节点互联问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，实现双线以太网通信；
步骤二，实现双线以太网供电；
步骤三，供电中继接入；
步骤四，实现三端口TSN交换；
步骤五，对普通以太网接口的兼容；
步骤六，建立基于门控的时间调度机制；
步骤七，划分数据优先级；
步骤八，实施多节点混合组网；
步骤九，实现集中式的网络配置。
具体的，该方法包括以下步骤：
步骤一，实现双线以太网通信：
设计双线电路实现双线以太网通信，双线电路设计步骤如下：
步骤S11，使用双线PHY芯片和3端口TSN交换芯片互联，该互联分为数据互联和控制互联；所述的数据互联用于实现高速网络数据通信；所述的控制互联则使用低速接口，用于实现对物理层参数的配置；
步骤S12，信号通过连接器往双线上传输之前需经过变压器进行隔离和消除干扰；
步骤二，实现双线以太网供电：
双线供电装置放置于变压器和双线网络连接器之间，所述的双线供电装置分为电源装置和隔离两大装置；
所述的电源装置用于从一个节点向另一个节点供电，所述的电源装置包括电源、供电端、受电端和负载组成；
所述的隔离装置用于将信号和电源隔离开，保证信号和电源能够在同一介质传播；所述的隔离装置包括隔离变压器、电容及电感组成；
步骤三，供电中继接入：
多节点互联时需要设计供电中继，供电中继接入时，为避免上级耦合器电源与中继电源冲突，在每个耦合器上设计后级供电控制电路，使用切换开关能够断开对后级的供电；
步骤四，实现三端口TSN交换：
在长距离的分布式控制***中，节点之间直接互联，实现这种节点间互联功能，需要一个具有三端***换功能的网络设备，所述的三端口分别为P1端口、P2端口和P3端口；其中2个端口分别用于上行通信和下行通信，第3个端口用于给待接入网络的设备提供接口；
步骤五，对普通以太网接口的兼容：
在P3端口上设计2种物理接口，一种物理接口为双线双线接口，用于连接双线设备，另一种物理接口为普通的以太网8线接口，用于实现普通设备接入本分布式网络；
步骤六，建立基于门控的时间调度机制：
为交换输出端口建立基于门控的时间调度机制，对网络流量进行整形，给每一个交换端口设计8个队列，记为Q0～Q7，这8个队列发送数据的权限由一个门控开关控制，门控开关打开则该队列能够发送数据，门控开关关闭则则该队列可以发送数据；
把普通以太网数据使用Q0进行发送，用于实时控制的关键数据使用Q7进行发送，能够实现不通业务数据混合传输；
步骤七，划分数据优先级：
所述的8个队列中，将Q7设置为最高优先级队列，Q0为最低优先级队列；
步骤八，实施多节点混合组网：
在多节点组网时，将耦合器使用双线进行首尾互联，即使用P1端口和P2端口，要入网的通信节点，通过P3端口接入，所述的多节点为双线节点或普通8线网络节点；
步骤九，实现集中式的网络配置：
所述的集中式的网络配置的方式为：
配置计算机使用耦合器接入网络，根据实际应用需求进行网络规划，生成配置文件，然后提供网络将配置文件下发到每个节点，包括每个节点的门控开启时间、门控调度表、消息优先级以及是否对后级供电等信息；
节点接收到配置文件并正确配置自身参数后，向配置计算机返回状态信息，配置计算机根据返回状态确认每个节点是否正确配置，配置完成后，配置计算机退出网络，各网络节点能够自行运行。
本发明还具有如下技术特征：
步骤二中，所述的隔离变压器用于使交流信号提供，而阻断直流电源，使直流电源只存在于变压器次级线圈和双线介质中，既能实现双线介质传输电能，又不影响网络交流信号通过，从而实现双线通信介质上的网络供功能。
步骤三中，所述的切换开关使用IO接入TSN芯片，进而接入网络。
步骤四中，三端口TSN交换功能使用FPGA实现，在FPGA中实施时间同步功能及门控调度功能，实施端口转发逻辑，建立通信MAC地址与端口的转发关系表；
收到P1端口进来的数据后，如果MAC地址不是P3端口所接设备的MAC地址，则所有数据都转发给P2端口，如果是P3端口所接设备的MAC地址，则数据转发给P3端口；收到P2端口和P3端口进来的数据后，采用同样的方法进行处理，实现一个三端口的TSN交换功能。
本发明还保护一种单双绞线TSN无源耦合器，该单双绞线TSN无源耦合器采用如上所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法制得。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的耦合器能够实现TSN网络节点分布式连接，连接采用单双绞线，通信带宽1000Mbps。本发明的耦合器主要由单双绞线以太网PHY芯片及FPGA芯片组成，核心功能使用FPGA实现。本发明的耦合器的双线供电使耦合器节点实现无源，使节点接入网络更加简单、方便，减少线缆。适用于网络通信、实时控制领域，具有线缆少、使用简单的特点。
(Ⅱ)本发明采用非屏蔽双绞线，降低成本。使用非屏蔽双绞线连接网络节点，减少了线缆数量，降低成本的同时，也减轻了网络互联时的线缆重量，可在更狭小的空间布线，实现和普通千兆网络同等的全双工网络通信。
(Ⅲ)本发明采用无源分布式互联，降低网络使用复杂度。三端口分布式互联，带双绞线供电，节点只需要使用双线网络连接器连接到耦合器上即可接入网络，同时为节点供电，不需要额外的电源线，使用方便。
(Ⅳ)本发明支持TSN，实现控制、信息混合传输。支持TSN，有8个队列可以区分不通类型的消息，发送关键控制消息的同时，也可同时发送音频、视频等批量数据，适用面更广，可广泛应用于分布式实时控制领域。
(Ⅴ)采用本发明的设计方法设计的双线无源耦合器可实现时间敏感网络(TSN)节点的分布式布线连接，同时为节点供电，其所具备的TSN功能，可为***提供多业务融合的数据数据收发功能，实现IT(信息技术)、OT(操作技术)业务数据混合传输，非常适合分布式实时控制领域。
附图说明
图1为无源耦合器的原理框图。
图2为双线供电装置的拓扑示意图。
图3为双线供电原理示意图。
图4为耦合器电源控制原理示意图。
图5为对普通以太网接口的兼容示意图。
图6为多节点混合组网示意图。
图7为网络配置示意图。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有设备和芯片，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的设备和芯片。
需要说明的是，本发明中：
TSN，即Time Sensitive Networking，指的是时间敏感网络。
PHY，即Physical，指的是端口物理层。
FPGA，即Field-Programmable Gate Array，指的是现场可编程门阵列。
MAC，即Media Access Control，指的是媒体存取控制。
配置计算机，即网络规划、配置计算机的简称，采用本领域已知的网络规划、配置计算机。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，实现双线以太网通信：
如图2所示，设计双线电路实现双线以太网通信，双线电路设计步骤如下：
步骤S11，使用双线PHY芯片和3端口TSN交换芯片互联，为实现数据通信和网络参数配置，将该互联分为数据互联和控制互联；所述的数据互联用于实现高速网络数据通信；所述的控制互联则使用低速接口，用于实现对物理层参数的配置；
步骤S12，信号通过连接器往双线上传输之前需经过变压器进行隔离和消除干扰，提供双线信号传输可靠性。
步骤二，实现双线以太网供电：
具备双线信号传输能力后，需要实现双线供电，如图3所示，双线供电装置放置于变压器和双线网络连接器之间，双线供电装置分为电源装置和隔离两大装置；
所述的电源装置用于从一个节点向另一个节点供电，所述的电源装置包括电源、供电端、受电端和负载组成；
所述的隔离装置用于将信号和电源隔离开，保证信号和电源能够在同一介质传播；所述的隔离装置包括隔离变压器、电容及电感组成；
所述的隔离变压器用于使交流信号提供，而阻断直流电源，使直流电源只存在于变压器次级线圈和双线介质中，既能实现双线介质传输电能，又不影响网络交流信号通过，从而实现双线通信介质上的网络供功能。
步骤三，供电中继接入：
如图4所示，由于双线线径的关系，供电功率有限，多节点互联时需要设计供电中继，供电中继接入时，为避免上级耦合器电源与中继电源冲突，在每个耦合器上设计后级供电控制电路，使用切换开关，能够断开对后级的供电，该开关使用IO接入TSN芯片，进而接入网络，能够在整网统一配置后，控制耦合器是否对后级供电。
步骤四，实现三端口TSN交换：
在长距离的分布式控制***中，不需要交换机，而是节点之间直接互联，实现这种节点间互联功能，需要一个具有三端***换功能的网络设备，所述的三端口分别为P1端口、P2端口和P3端口，其中2个端口分别用于上行通信和下行通信，第3个端口用于给待接入网络的设备提供接口。
具体的，三端口TSN交换功能使用FPGA实现，在FPGA中实施时间同步功能及门控调度功能，实施端口转发逻辑，建立通信MAC地址与端口的转发关系表；
收到P1端口进来的数据后，如果MAC地址不是P3端口所接设备的MAC地址，则所有数据都转发给P2端口，如果是P3端口所接设备的MAC地址，则数据转发给P3端口；收到P2端口和P3端口进来的数据后，采用同样的方法进行处理，实现一个三端口的TSN交换功能。
步骤五，对普通以太网接口的兼容：
经过步骤一至步骤四后获得的无源耦合器具备了基本功能，可实现对TSN网络设备的分布式互联，由于TSN网络本身对普通以太网是无缝兼容的，为增强兼容性，本步骤在P3端口上设计2种物理接口，如图5所示，一种物理接口为双线双线接口，用于连接双线设备(P3)，另一种物理接口为普通的以太网8线接口(即4对双绞线)，用于实现普通设备接入本分布式网络。
步骤六，建立基于门控的时间调度机制：
为交换输出端口建立基于门控的时间调度机制，对网络流量进行整形，给每一个交换端口设计8个队列，记为Q0～Q7，这8个队列发送数据的权限由一个门控开关控制，门控开关打开则该队列能够发送数据，门控开关关闭则则该队列可以发送数据；通过合理安排每个队列门控开关在时间轴上发分布，可以使不通队列的数据分时发送到网络上，避免数据冲突。把普通以太网数据使用Q0进行发送，用于实时控制的关键数据使用Q7进行发送，能够实现不通业务数据混合传输；
步骤七，划分数据优先级：
建立了基于门控的时间调度机制后，网络上的数据经过了整形，不会发生碰撞，但是在实际应用时，会出现同一时刻既要发送Q0数据还要发送Q7数据，这时需要保证关键的控制数据优先传输，为关键数据提供时间确定性，所以还需划分数据优先级，在冲突时，优先发送优先级高的数据。
所述的8个队列中，将Q7设置为最高优先级队列，Q0为最低优先级队列(传输普通以太网数据)。
步骤八，实施多节点混合组网：
如图6所示，在多节点组网时，将耦合器使用双线进行首尾互联，即使用P1端口和P2端口，要入网的通信节点，通过P3端口接入，所述的多节点为双线节点或普通8线(4对双绞线)网络节点。
步骤九，实现集中式的网络配置：
在建立了门控调度机制，及实现数据优先级划分后，每个节点就可以实现不通优先级信息的收发，但这时每个节点是孤立的，有各自的门控时间槽，要实现分布式控制，需要整网统一规划每个节点的时间槽，形成配置文件，然后将配置文件提供网络下发至每个节点。
如图7所示，所述的集中式的网络配置的方式为：
配置计算机使用耦合器接入网络，根据实际应用需求进行网络规划，生成配置文件，然后提供网络将配置文件下发到每个节点，包括每个节点的门控开启时间、门控调度表、消息优先级以及是否对后级供电等信息；
节点接收到配置文件并正确配置自身参数后，向配置计算机返回状态信息，配置计算机根据返回状态确认每个节点是否正确配置，配置完成后，配置计算机退出网络，各网络节点能够自行运行。
实施例2：
本实施例给出一种单双绞线TSN无源耦合器，如图1所示，该单双绞线TSN无源耦合器采用实施例1中的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法制得。
Claims (6)
1.一种单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，实现双线以太网通信；
步骤二，实现双线以太网供电；
步骤三，供电中继接入；
步骤四，实现三端口TSN交换；
步骤五，对普通以太网接口的兼容；
步骤六，建立基于门控的时间调度机制；
步骤七，划分数据优先级；
步骤八，实施多节点混合组网；
步骤九，实现集中式的网络配置。
2.如权利要求1所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，实现双线以太网通信：
设计双线电路实现双线以太网通信，双线电路设计步骤如下：
步骤S11，使用双线PHY芯片和3端口TSN交换芯片互联，该互联分为数据互联和控制互联；所述的数据互联用于实现高速网络数据通信；所述的控制互联则使用低速接口，用于实现对物理层参数的配置；
步骤S12，信号通过连接器往双线上传输之前需经过变压器进行隔离和消除干扰；
步骤二，实现双线以太网供电：
双线供电装置放置于变压器和双线网络连接器之间，所述的双线供电装置分为电源装置和隔离两大装置；
所述的电源装置用于从一个节点向另一个节点供电，所述的电源装置包括电源、供电端、受电端和负载组成；
所述的隔离装置用于将信号和电源隔离开，保证信号和电源能够在同一介质传播；所述的隔离装置包括隔离变压器、电容及电感组成；
步骤三，供电中继接入：
多节点互联时需要设计供电中继，供电中继接入时，为避免上级耦合器电源与中继电源冲突，在每个耦合器上设计后级供电控制电路，使用切换开关能够断开对后级的供电；
步骤四，实现三端口TSN交换：
在长距离的分布式控制***中，节点之间直接互联，实现这种节点间互联功能，需要一个具有三端***换功能的网络设备，所述的三端口分别为P1端口、P2端口和P3端口；其中2个端口分别用于上行通信和下行通信，第3个端口用于给待接入网络的设备提供接口；
步骤五，对普通以太网接口的兼容：
在P3端口上设计2种物理接口，一种物理接口为双线双线接口，用于连接双线设备，另一种物理接口为普通的以太网8线接口，用于实现普通设备接入本分布式网络；
步骤六，建立基于门控的时间调度机制：
为交换输出端口建立基于门控的时间调度机制，对网络流量进行整形，给每一个交换端口设计8个队列，记为Q0～Q7，这8个队列发送数据的权限由一个门控开关控制，门控开关打开则该队列能够发送数据，门控开关关闭则则该队列可以发送数据；
把普通以太网数据使用Q0进行发送，用于实时控制的关键数据使用Q7进行发送，能够实现不通业务数据混合传输；
步骤七，划分数据优先级：
所述的8个队列中，将Q7设置为最高优先级队列，Q0为最低优先级队列；
步骤八，实施多节点混合组网：
在多节点组网时，将耦合器使用双线进行首尾互联，即使用P1端口和P2端口，要入网的通信节点，通过P3端口接入，所述的多节点为双线节点或普通8线网络节点；
步骤九，实现集中式的网络配置：
所述的集中式的网络配置的方式为：
配置计算机使用耦合器接入网络，根据实际应用需求进行网络规划，生成配置文件，然后提供网络将配置文件下发到每个节点，包括每个节点的门控开启时间、门控调度表、消息优先级以及是否对后级供电等信息；
节点接收到配置文件并正确配置自身参数后，向配置计算机返回状态信息，配置计算机根据返回状态确认每个节点是否正确配置，配置完成后，配置计算机退出网络，各网络节点能够自行运行。
3.如权利要求2所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，其特征在于，步骤二中，所述的隔离变压器用于使交流信号提供，而阻断直流电源，使直流电源只存在于变压器次级线圈和双线介质中，既能实现双线介质传输电能，又不影响网络交流信号通过，从而实现双线通信介质上的网络供功能。
4.如权利要求2所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，其特征在于，步骤三中，所述的切换开关使用IO接入TSN芯片，进而接入网络。
5.如权利要求2所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法，其特征在于，步骤四中，三端口TSN交换功能使用FPGA实现，在FPGA中实施时间同步功能及门控调度功能，实施端口转发逻辑，建立通信MAC地址与端口的转发关系表；
收到P1端口进来的数据后，如果MAC地址不是P3端口所接设备的MAC地址，则所有数据都转发给P2端口，如果是P3端口所接设备的MAC地址，则数据转发给P3端口；收到P2端口和P3端口进来的数据后，采用同样的方法进行处理，实现一个三端口的TSN交换功能。
6.一种单双绞线TSN无源耦合器，其特征在于，该单双绞线TSN无源耦合器采用权利要求1至5任一项所述的单双绞线TSN无源耦合器的设计方法制得。
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