[发明专利]一种利用全双工以太网带宽的实时以太网

说明书

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插入数据；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。

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的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能(尤其是IPC的性能)发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“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系统所组成(周期系统)：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面(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系统的这些领域。这些应用类型要求系统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系统中，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。