一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置的製作方法

2023-05-30 14:12:06

專利名稱：一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在乙太網鏈狀網絡結構中實現各網絡節點間精確同步動作的裝置， 尤其涉及一種在離性能集中式控制網絡系統中，控制器採用標準網卡，即可實現乙太網鏈狀 網絡節點間同步的裝置。
技術背景在現場級通侑中，有的系統對通信節點間的同步性有嚴格的要求，比如在運動控制中， 各軸的同步性就是一個非常重要的因素。在某一時刻，各軸必須同時鎖存當前的狀態，控制 器根據當前各軸的狀態作規劃、插補運算，在下一個周期時各軸根據規劃數據作同步控制運 動，各軸的運動是嚴格同步的。現有的解決方案為網絡上的所有站點必須通過精確的時鐘同步以實現同步乙太網。例如Internet網絡時間協議NTP (Network Time Protocal)、簡單時間網絡協議SNTP (Simple Network Time Protocal) 、 IEEE1588標準精確時間協議PTP (Precision Time Protocal)， 周期性的通過發送帶有時間戳協議的同步數據包實現通信循環的同步。Internet網絡時間協 議NTP、簡單時間網絡協議SNTP精度較低，只能達到幾十ms的精度要求。IEEE1588將整個網絡內的時鐘分為普通時鐘0C和邊界時鐘BC，只有一個PTP通信埠 上的時鐘為普通時鐘，每個PTP埠提供獨立的PTP通信。其中邊界時鐘通常用在確定性較 差的網絡設備如交換機和路由器上。從通信關係上又把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任 何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP通信子網內只能有一個主時鐘。整個系 統中的最優時鐘為最髙級時鐘GMC，有著最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上 時鐘的精度和級別以及UTC (通用協調時間)的可追溯性等特性，由最佳主時鐘算法來自動 選擇各子網內的主時鐘。在只有一個子網的系統中，主時鐘就是GMC。每個系統只有一個GMC, 且每個子網內只有一個主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。PTP通信中的報文包括同步報文， 跟隨報文，延遲請求報文，延遲應答報文和管理報文等。PTP協議基於同步數據包被傳播和 接收時的最精確的匹配時間，每個從時鐘通過與主時鐘達到同步。這個同步過程分為兩個階 段偏移測i階段和延遲測量階段。第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為偏 移測量。在修正偏移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間周期性地向相應的從時鐘發出 唯一的同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值，主時鐘測量傳遞的精 確時間TM1，從時鐘測量接收的準確時間TS1。之後主時鐘發出第二條報文一跟隨報文 (Follow—Up Message)，此報文與同步報文相關聯，且包含同步報文放到PTP通信路徑上得 更為精確&估計值。這樣，對傳遞和接收的測量與標準時間戳的傳播可以分離開來。從時鐘 根據同步報文和屎隨報文中的信息來計算偏移量，然後按照偏移量來修正從時鐘的時間，如 果在傳輸路徑中沒有延遲，那麼兩個時鐘就會同步。為了提高修正精度，可以把主時鐘到從 時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二階段，從時鐘向 主時鐘發送一個"延遲請求"數據包，在這個過程中決定該報文傳輸準確時間TS3。主時鐘 對接收數據包打上一個時間戳TM3送回到從時鐘。根據傳遞時間戳TS3和主時鐘提供的接收 時間戳TM3，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進 行的，其測量間隔時間(預設4到60秒之間的隨機值)比偏移值測量間隔時間大。這樣使得 網絡尤其是設備終端的負荷不會太大。採用這種同步過程，消減PTP協議棧中的時間波動和 主從時鐘間的等待時間。在要求同步精度為微秒級的場合，想要獲得如此高的同步定時，單 純靠軟體是無法實現的，必須依靠網絡第二層(數據鏈路層)中硬體的支持，即等時實時ASIC 晶片。這種方式在周期性實時通信中，將嚴重增加傳輸的負擔，依靠等時實時ASIC晶片，又 增加了系統成本。
美國專利"Reduced pin-count應ase-T MAC to transceiver interface"，專禾U號為 5953345，提供了一種乙太網中實現時鐘同步的技術，該技術利用一個公共時鐘信號和同步脈 衝，利用單獨的線來連接到網絡節點的PHY收發器和MAC控制器中。在實際應用中，該方法 不適用，因為採用單獨的線增加了系統成本。美國專利'CLOCK SYNCHRONIZING METHOD OVER FAULT-TOLERANT ETHERNET'，公開號為 US 2003/235216A1,公開了一種在控制系統中同步各網絡節點的方法，每個網絡節點包括一個 主計算機和一個收發器。方法為監視一個包含時間戳信息的主時間數據包。在主模式下，主 計算機提供一個數據報到收發器，在監聽模式下，收發器保存一個帶時間戳的數據包並通知 到主計算機，在主時間模式時，用當地計時器中的值替代監視到的時間戳的值，主計算機把 己替換時間戳的數據包發送到接收器。該方案提供了在PHY收發器和MAC控制層間增加一個 處理時間戳的電路，以實現時鐘的同步性。在SERC0Siii中，提供了一種在環形網絡結構中實現節點間時鐘同步的方式，控制器發 送一個特定的同步報文，第一個節點收到該報文後修正自己的定時器，並轉發該同步報文到 下一個節點，這樣每個節點都收到轉發的同步報文，並修正自己的定時器。時鐘同步的整個 過程是以最後一個節點收到該同步報文並修正定時器為結束的，這樣，由於在報文傳輸過程 中的延時，使得備節點的定時器不夠準確。美國專利"Systera for motion control, method of using the system for motion control, and computer readable instructions for use with the system for motion control", 專利號為7024257，提供了每個網絡節點上有存儲器，用來配置保存控制器與節點間相應的 傳輸延遲，主控制器發送一個時間信息給各節點，各節點利用延遲修正電路，實現接收數據 和動作的同步性，這種方法要求控制器具有嚴格的定時功能，但僅靠標準網卡是做不到的， 必須靠專用設備，這就造成了控制器的封閉性，不能兼容別的廠家的產品，並提高了成本。 發明內容本實用新型的目的就是為了解決目前在乙太網鏈狀網絡結構中實現各網絡節點間精確同 步動作時成本較離，不能兼容不同廠家產品，增加使用成本等問題，提供一種實現乙太網鏈 狀網絡節點間同步的裝置，它具有結構簡單，使用方便，解決了目前乙太網鏈狀網絡結構中 網絡節點間同步依賴主控制器，造成各廠家控制系統封閉、不兼容的問題。為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置，它包括至少一個控制器和若干個網絡節點， 控制器能枚舉和配置各網絡節點，控制器分配給各網絡節點一個單獨的節點號，所述控制器 具有至少一個通信接口，各節點具有至少兩個通信接口，控制器的通信接口通過數據線連接 到某節點的一個通信接口上，然後該節點的另一個通信接口通過數據線連接到下一個節點的 一個通信接口上，這樣彼此連接下去，形成一個鏈狀網絡結構；在各節點上還設有定時器。所述控制器為標準網卡，其發送的控制報文為IEEE802.3協議規範的報文結構；各節點 採用dual PHY和帶MAC IP核的FPGA作為網絡通信接口；在各網絡節點中均設有一個PLL電 路，各晶振信號經過該PLL電路後再產生時鐘信號，以消除各網絡節點間的時鐘信號抖動的 影響。該裝置的工作方法為，(1)系統上電後，控制器對各網絡節點進行自檢，控制器發送一個査詢報文，第一個網 絡節點首先接收到此査詢報文，然後轉發此査詢報文，並發送自己的應答報文，將自己的設 備號初始化為0;各網絡節點在收到查詢報文後依次轉發此査詢報文，並發送自己的應答報 文和將自己的設備號初始化為0，直到最後一個網絡節點；最後一個網絡節點可以通過撥碼 開關或者其他的裝置來確定，該最後一個網絡節點收到此査詢報文後，發送自己的應答報文， 包含為最後一個網絡節點的信息，並將自己的設備號初始化為0，控制器收到最後一個網絡 節點的應答報文後，說明系統連接可靠和各設備正常工作；若控制器在發送完査詢報文後， 在設定時間內收不到最後一個網絡節點的應答報文，將報告錯誤，說明有故障；(2) 自檢iiH後，控制器對各網絡節點進行枚舉和配置；(3) 然後，控制器發送一個測量網絡時間延遲的控制報文通知各網絡節點，第一個網絡 節點發送一個特定的報文，各網絡節點轉發該特定報文，測量自己與最後一個網絡節點間的 網絡時間延遲；(4) 進入網絡周期性工作階段，第一個網絡節點周期性地發送一個同步報文，各網絡節 點在接收到該同步報文後將轉發此同步報文到下一個網絡節點，各網絡節點收到該同步報文 後，延遲一定的時間以補償網絡時間延遲，然後動作，實現網絡節點間動作同步性；(5) 其他的各網絡節點的定時器也設定初始參數值，該初始參數為測量網絡節點間網絡 時間延遲中測得的該網絡節點相對於最後一個網絡節點的網絡時間延遲；各網絡節點在收到 同步報文後，觸發定時器，該定時器在時鐘信號的驅動下，開始計時，到設定的初時參數後， 產生一個中斷信號，網絡節點根據該中斷信號鎖存當前的狀態並按照控制報文的命令動作， 並將當前的狀態儐息以報文的形式發送到控制器；控制器收到各網絡節點的狀態信息後，然 後作數據規劃，並將規劃的數據以數據報文的形式在該周期發送到各網絡節點；各網絡節點 在收到數據報文後，在下一周期按照同樣的方式動作；這樣周期往復下去，實現系統正常的 周期數據交換和同步動作。所述步驟3)中獮量網絡時間延遲的控制報文結構為IEEE802. 3協議規範，其組成包括 前導符7bytes、分割符lbyte、目的地址6bytes、源地址6bytes、長度/類型欄位2bytes、 數據段46-1500bytes、幀校驗序列域4bytes，其中數據段又分為兩個bytes的控制器報文標 志，緊跟著的一個byte用來區分控制報文的不同控制信息的控制類型標誌，其餘為控制報文所^^i 3)中測量網絡節點間網絡時間延遲方法為，各節點收到控制報文後，將定時 器清零，第一個網絡節點向下一個網絡節點發送一個特定的報文，並觸發自己的定時器開始計時；第二個網絡節點收到該特定報文後向下一個網絡節點轉發此報文，並觸發自己的定時器開始計時；這樣向下轉發下去，直到最後一個網絡節點；最後一個網絡節點收到該特定報 文後將向上一個網絡節點轉發該特定報文，上一個網絡節點收到該特定報文後再向上轉發該 特定報文，並觸發自己的定時器停止計時，這樣向上轉發並觸發自己的定時器停止計時，直 到第一個網絡節點；第一個網絡節點收到該特定報文後將觸發自己的定時器停止計時，並不 再轉發該特定報文；這樣，每個網絡節點即可獲得自己與最後一個網絡節點間的網絡時間延 遲，即定時器計時的一半，該定時器的計時將以寄存器參數的形式保存在各網絡節點上，最 後一個網絡節點該參數設為0。所述步驟4)的周期性工作階段中，各網絡節點在動作的同時鎖存當前網絡節點的當甜 狀態，並按照上一個周期收到的控制器的命令報文同時動作，將該節點的狀態信息以報文的 形式發送到控制癱，控制器分析各節點的狀態信息，並統一規劃下一周期各節點的動作，並 將該動作信息以命令報文的形式在該周期傳送到各網絡節點上，實現各網絡節點動作的同步 性。所述步驟4)中，周期性的發送一個同步報文是指第一個節點的定時器設定初始參數後， 該初始參數就是周期性通信的通信周期，定時器在第一個網絡節點時鐘信號的驅動下，開始 計時，當計時值到達設定的初始參數時，該定時器產生一個中斷信號並將定時器清零並重新 開始計時，第一個網絡節點收到該中斷信號，將向下發送一個特定的同步報文，這樣周期往復，實現了周期性發送同步報文的方法。所述步驟4)中網絡節點延遲一定的時間，然後動作的方法為各網絡節點中都包括一個 定時器，各定時器可設定初始參數值，該初始參數該網絡節點相對於最後一個網絡節點的網 絡時間延遲，各網絡節點在收到同步報文後，觸發定時器，該定時器在時鐘信號的驅動下， 開始定時，到設定的初始參數後，產生一個中斷信號，網絡節點根據該中斷信號鎖存當前的 狀態並按照控制報文的命令動作，並將當前的狀態信息以報文的形式發送到控制器。 所述步驟4)中，同步報文在各網絡節點間傳送，用兩個字節0XAA55來表示。 本實用新型維合FPGA (現場可編程門陣列)技術實現了一種在乙太網鏈狀網絡結構中實 現各網絡節點間糖確同步動作的方法，尤其是在高性能的集中式控制網絡系統中，控制器不 採用專用設備，實現各網絡節點精確同步動作的方法與裝置。該方法解決了目前乙太網鏈狀 網絡結構中網絡節點間同步依賴主控制器，造成各廠家控制系統封閉、不兼容的問題。 本實用新型的有益效果(1) 本實用新型提出一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的方法與裝置，尤其適用於 集成式控制網絡系統中，控制器採用普通標準網卡，與乙太網完全兼容，實現了 工廠控制網絡的一致性，實現了一網到底，避免了控制器採用專用設備時不兼容 的局榮性。(2) 本實用新型提出一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的方法與裝置，相比 Internet網絡時間協議NTP (Network Time Protocal)、簡單時間網絡協議SNTP(Si印le Network Time Protocal) 、 IEEE1588標準精確時間協議協議PTP (Precision Time Protocal)等方法，減輕了網絡負擔。在實現高精度同步時， 避免毎個從設備站點必須自帶精確時鐘晶片(即等時實時ASIC)，節約了成本。


圖1為實施倆1的系統的內部結構圖； 圖2為控制審的控制報文結構；圖3為系統鶬工作流程圖c其中，1、控齣器，2、網絡節點，3、標準網卡，4、變壓器，5、 dual PHY, 6、帶MAC IP 核的FPGA, 7、定時器。
具體實施方式
下面結合附,與實施例對本實用新型作進一步說明。本實用新型來用了乙太網鏈狀網絡，它包括控制器1和若干個網絡節點2,控制器1能 枚舉和配置各網維節點2,控制器1分配給各網絡節點2 —個單獨的節點號。控制器1發送 一個測量網絡節點間時間延遲的控制報文後，各網絡節點2測量自己與最後一個網絡節點2 間的網絡時間延遮。在網絡周期性工作階段，第一個網絡節點2周期性地發送一個同步報文， 各網絡節點2在接收到該同步報文後將轉發此同步報文到下一個網絡節點2,各網絡節點2 收到該同步報文後，延遲一定的時間以補償網絡時間延遲，然後動作，這樣實現了網絡節點 2間動作同步性。控制器1選用標準網卡3作為網絡通信接口，各節點採用dual PHY5和帶MAC IP核的 FPGA6作為網絡通信接口，這樣，控制器l具有一個通信接口，而各節點具有兩個通信接口， 控制器1的通信接口通過數據線連接到節點的一個通信接口上，節點的另一個通信接口通過 數據線連接到下一個節點的一個通信接口上，這樣彼此連接下去，形成一個鏈狀網絡結構。控翻器1發遂的控制報文結構符合IEEE802. 3報文結構協議規範，為了與控制器1所發 的TCP/IP等報文格式區別，在IEEE802. 3報文結構數據區域中前兩個字節用0X55AA表示為 控制報文的格式，緊跟著的一個字節用來區分控制報文的不同控制信息，例如0X11表示測量 網絡節點間時間延遲的控制報文，剩下的為控制報文的數據區域。整個報文組成包括前導符 7bytes、分割符lbyte、目的地址6bytes、源地址6bytes、長度/類型欄位2bytes、數據段 46-1500bytes、幀校驗序列域4bytes，其中數據段又分為兩個bytes的控制器報文標誌，緊 跟著的一個byte用來區分控制報文的不同控制信息的控制類型標誌，其餘為控制報文的數據 信息。口'第一個網絡節點2周期性發送的同步報文，該同步報文是在各網絡節點2間傳送，其結 構協議不必符合IEEE802. 3這種長的報文結構協議規範，由於同步報文關係到同步的精度，因 此該同步報文應儘量短。該同步報文的用兩個字節0XM55來表示.由於各晶振在製造時都有一定的偏差，這也是允許的，為了消除各網絡節點間的時鐘信 號抖動，各網絡節點中都設有一個PLL電路，各晶振信號經過該PLL電路後再產生時鐘信號， 該相位鎖定迴路電路消除了各網絡節點間的時鐘信號抖動的影響。本實用新型的工作方法為(1) 系統上電後，控制器對各網絡節點進行自檢，控制器發送一個查詢報文，第一個網 絡節點首先接收到此査詢報文，第一個網絡節點將轉發此査詢報文，並發送自己的應答報文 和將自己的設備號初始化為0,各網絡節點在收到査詢報文後依次轉發此査詢報文，並發送 自己的應答報文和將自己的設備號初始化為0,直到最後一個網絡節點，最後一個網絡節點 可以通過撥碼開關或者其他的裝置來確定，該最後一個網絡節點收到此查詢報文後，發送自 己的應答報文，包含為最後一個網絡節點的信息，並將自己的設備號初始化為0，控制器收 到最後一個網絡節點的應答報文後，說明系統連接可靠和各設備正常工作；若控制器在發送 完查詢報文後，等待一段時間，此時間為正常情況下枚舉最大網絡節點數的最長時間的2倍， 仍然收不到最後一個網絡節點的應答報文，將報告錯誤，說明有故障；(2) 自檢通過後，控制器對各網絡節點進行枚舉和配置，即從控制器收到最後一個網絡 節點的應答報文後，開始發送配置報文，跟控制器相連的第一個網絡節點，此時設備號為O， 將先收到配置報文，收到此配置報文後，將不轉發此配置報文到下一個網絡節點，第一個網 絡節點將自己的設備號設置為1，同時發送一個應答報文，包含自己的設備號、該網絡節點 的功能、作用等，控制器在配置完第一個網絡節點後，將再發個下一個配置報文，第一個網 絡節點(此時設備號為0)將轉發此配置報文到第二個網絡節點，第二個網絡節點在收到此 配置報文後將不轉發此配置報文到下一個網絡節點，第二個網絡節點將自己的設備號設置為 2，同時發送一個應答報文，包含自己的設備號、該從設備的功能、作用等；這樣依次類推， 直到配置到最後一個網絡節點；這樣每個網絡節點都有自己唯一的設備標號，控制器也建立 一個設備表，包含各網絡節點的設備號、各網絡節點的功能和作用等；(3) 然後，控制器發送一個渕量網絡時間延遲的控制報文，各網絡節點上包括一個定時 器，第一個網絡節點在收到測量網絡時間延遲的控制報文後，將自己的定時器清零，並轉發 該測量網絡時間磁遲的控^報文，各網絡節點收到此控制報文後，將定時器清零。第一個網 絡節點向第二個網絡節點發送一個特定的控制報文，並觸發自己的定時器開始計時，第二個 網絡節點收到該特定報文後向第三個網絡節點轉發此報文，並觸發自己的定時器開始計時， 這樣向下轉發下去，直到最後一個網絡節點，最後一個網絡節點收到該特定報文後將向上一 個網絡節點轉發該特定報文，上一個網絡節點收到該特定報文後將上轉發該特定報文後，並 觸發自己的定時蕃停止計時，這樣各網絡節點向上轉發下去並觸發自己的定時器停止定時， 直到第一個網絡節點，第一個網絡節點收到該特定報文後將觸發自己的定時器停止定時，並 不再轉發該特定報文。這樣，每個網絡節點就能知道自己跟最後一個網絡節點間的網絡時間 延遲，即定時器計時的一半，該定時器的計時將以寄存器參數的形式保存在各網絡節點上， 最後一個網絡節點該參數設為0。(4) 系統進入周期性通信階段，第一個網絡節點周期性地發送一個同步報文，第一個節點中包括一個定時器，該定時器可設定初始參數，該初始參數就是周期性通信的通信周期， 定時器在第一個兩絡節點時鐘信號的驅動下，開始計數，當計數值到達設定的初始參數時， 該定時器產生一個中斷信號並將定時器清零，第一個網絡節點收到該中斷信號，將向下發送 一個特定的同步報文。定時器在時鐘信號的驅動下，開始計數，到達初始參數值後，產生一
個中斷信號並將計時器淸零。這樣周期往復，實現了周期性發送同步報文的方法。(5)其他的各網絡節點中都包括一個定時器，該定時器可設定初始參數值，該初始參數 為測量網絡節點間網絡時間延遲中測得的該網絡節點相對於最後一個網絡節點的網絡時間延 遲。各網絡節點在收到同步報文後，觸發定時器，該定時器在時鐘信號的驅動下，開始計數， 到設定的初時參敷後，產生一個中斷信號，網絡節點根據該中斷信號鎖存當前的狀態並按照 控制報文的命令動作，並將當前的狀態信息以報文的形式發送到控制器。控制器收到各網絡 節點的狀態信息後，然後作數據規劃，並將規劃的數據以數據報文的形式在該周期發送到各 網絡節點。各網絡節點在收到數據報文後，在下一周期按照同樣的方式動作。這樣周期往復 下去，實現系統正常的周期數據交換和同步動作。步驟4)中，網絡周期性通信階段是指，第一個網絡節點周期性的發送一個同步報文， 各網絡節點收到該同步報文後，延遲一定時間以補償報文傳輸過程中的網絡時間延遲，同時 動作，鎖存當前陶絡節點上傳感器的當前狀態，並按照上一個周期收到的控制器的命令報文 同時動作，將該節點的狀態信息以報文的形式發送到控制器，控制器分析各節點的狀態信息， 並統一規劃下一用期各節點的動作，並將該動作信息以命令報文的形式在該周期傳送到各網 絡節點上，實現了各網絡節點動作的同步性。各網絡節點薄遲一定的時間，然後動作的方法為，各網絡節點中的定時器可設定初始參 數值，該初始參敷為該網絡節點相對於最後一個網絡節點的網絡時間延遲。各網絡節點在收 到同步報文後，觸發定時器，該定時器在時鐘信號的驅動下，開始計時，到設定的初時參數 後，產生一個中斷信號,網絡節點根據該中斷信號鎖存當前的狀態並按照控制報文的命令動 作，並將當前的狀態信息以報文的形式發送到控制器。下面以一個挫制器1和3個網絡節點2組成的鏈狀網絡結構來說明。其中控制器1包括 標準網卡3，網絡節點2則包括變壓器4、 dual PHY5、帶MAC IP核的FPGA6和定時器7。其工作過程為:(l)系統上電後，控制器1對各網絡節點2進行自檢，控制器l發送一個査詢報文，第 一個網絡節點2首先接收到此査詢報文，第一個網絡節點2將轉發此査詢報文，並發送自己 的應答報文和將自己的設備號初始化為0,第二個網絡節點2收到此查詢報文將轉發此査詢 報文，並發送自3的應答報文和將自己的設備號初始化為0，直到最後一個網絡節點2，最後 一個網絡節點2可以通過撥碼開關或者其他的裝置來確定，該最後一個網絡節點2收到此査 詢報文後，發送自己的應答報文，包含為最後一個網絡節點的信息，並將自己的設備號初始 化為O，控制器l收到最後一個網絡節點2的應答報文後，說明系統連接可靠和各設備正常 工作；若控制器1在發送完査詢報文後，等待一段時間，此時間為正常情況下枚舉最大網絡 節點數的最長時間的2倍，仍然收不到最後一個網絡節點2的應答報文，將報告錯誤，說明 有故障；6)自檢通過後，控制器1對各網絡節點2進行枚舉和配置，即控制器1收到最後一個 網絡節點2的應答報文後，開始發送配置報文，跟控制器1相連的第一個網絡節點2，此時 設備號為0,將先收到配置報文，收到此配置報文後，將不轉發此配置報文到下一個網絡節 點2，第一個網絡節點2將自己的設備號設置為1，同時發送一個應答報文，包含自己的設備 號、該網絡節點的功能、作用等，控制器1在配置完第一個網絡節點後，將再發個下一個配 置報文，第一個網絡節點2 (此時設備號不為0)將轉發此配置報文到第二個網絡節點2，第 二個網絡節點2在收到此配置報文後將不轉發此配置報文到下一個網絡節點2，第二個網絡 節點2將自己的設備號設置為2，同時發送一個應答報文，包含自己的設備號、該網絡節點 的功能、作用等；這樣依次類推，直到配置到最後一個網絡節點2;這樣每個網絡節點2都 有自己唯一的設備標號，控制器1也建立一個設備表，包含各網絡節點的設備號、各網絡節 點的功能和作用等；(3) 控制器1然後發送一個測量網絡時間延遲的控制報文，各網絡節點上2包括一個定 時器7,第一個網絡節點2在收到測量網絡時間延遲的控制報文後，將自己的定時器7清零， 並轉發該測i網絡時間延遲的控制報文，各網絡節點收到此控制報文後，也將自己的定時器 7清零。(4) 第一個網絡節點2向第二個網絡節點2發送一個特定的控制報文，並觸發自己的定 時器7開始計時，第二個網絡節點2收到該特定報文後向第三個網絡節點2轉發此報文，並 觸發自己的定時器7開始計時，最後一個網絡節點2收到該特定報文後將向上一個網絡節點 2轉發該特定報文，上一個網絡節點2收到該特定報文後將上轉發該特定報文後，並觸發自 己的定時器7停止計時，直到第一個網絡節點，第一個網絡節點2收到該特定報文後將觸發 自己的定時器7停止定時，並不再轉發該特定報文。這樣，每個網絡節點2就能知道自己跟 最後一個網絡節點2間的網絡時間延遲，即定時器7計時的一半，該定時器的計時將以寄存 器參數的形式保存在各網絡節點上，最後一個網絡節點該寄存器參數設為0。(5) 系統進入周期性通信階段，第一個網絡節點2周期性地發送一個同步報文，第一個 節點2中包括一個定時器7,該定時器可設定初始參數，該初始參數就是周期性通信的通信 周期，定時器7在第一個網絡節點2時鐘信號的驅動下，開始計數，當定時期的值到達設定 的初始參數時，該定時器7產生一個中斷信號並將定時器7清零，並再開始定時，第一個網 絡節點2收到該中斷信號，將向下發送一個特定的同步報文，各網絡節點將轉發此同步報文。 這樣周期往復，實現了周期性發送同步報文的方法。(6) 各網絡節點2中都包括一個定時器7，該定時器7可設定初始參數值，該初始參數 為測量網絡節點間網絡時間延遲中測得的該網絡節點相對於最後一個網絡節點的網絡時間延 遲。網絡節點2發送該同步報文、網絡節點3轉發完同步報文和網絡節點4收到同步報文後, 觸發定時器7，該定時器7在時鐘信號的驅動下，開始定時，到設定的初時參數後，產生一 個中斷信號，網絡節點2根據該中斷信號鎖存當前的狀態並按照控制報文的命令動作，並將 當前的狀態信息以報文的形式發送到控制器1。控制器1收到各網絡節點的狀態信息後，然 後作數據規劃,並將規劃的數據以數據報文的形式在該周期發送到各網絡節點2。這樣周期 往復下去，實現系統正常的周期數據交換和同步動作。各節點2包括變壓器4、 DUAL PHY5和帶MAC IP核的FPGA6、兩個定時器7。
權利要求1、一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置，它包括至少一個控制器和若干個網絡節點，控制器能枚舉和配置各網絡節點，控制器分配給各網絡節點一個單獨的節點號，其特徵是所述控制器具有至少一個通信接口，各節點具有至少兩個通信接口，控制器的通信接口通過數據線連接到某節點的一個通信接口上，然後該節點的另一個通信接口通過數據線連接到下一個節點的一個通信接口上，彼此連接下去，形成一個鏈狀網絡結構；在各節點上還設有定時器。
2、 根據權利要求l所述的實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置，其特徵是所述控制 器為標準網卡，其發送的控制報文為IEEE802.3協議規範的報文結構；各節點採用dual PHY 和帶MAC IP核的FPGA作為網絡通信接口；在各網絡節點中均設有一個PLL電路，各晶振信 號經過該PLL電路後再產生時鐘信號。
專利摘要本實用新型公開了一種實現乙太網鏈狀網絡節點間同步的裝置。它解決了目前乙太網鏈狀網絡結構中實現各網絡節點間精確同步動作時成本較高，不能兼容不同廠家產品，增加使用成本等問題，它具有結構簡單，使用方便，兼容性好等優點。其結構為它包括至少一個控制器和若干個網絡節點，控制器能枚舉和配置各網絡節點，控制器分配給各網絡節點一個單獨的節點號，所述控制器具有至少一個通信接口，各節點具有至少兩個通信接口，控制器的通信接口通過數據線連接到某節點的一個通信接口上，然後該節點的另一個通信接口通過數據線連接到下一個節點的一個通信接口上，這樣彼此連接下去，形成一個鏈狀網絡結構；在各節點上還設有定時器。
文檔編號H04J3/06GK201054597SQ200720020688
公開日2008年4月30日 申請日期2007年4月29日 優先權日2007年4月29日
發明者張承瑞, 王金江 申請人:山東大學