基於epon的實時工業乙太網硬體系統的製作方法
2023-05-25 09:09:16 2
專利名稱：基於epon的實時工業乙太網硬體系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業乙太網硬體系統，尤其是一種實時工業乙太網硬體系統。
背景技術：
長期以來工業控制領域內現場總線技術難以形成統一的標準，互通與互操作問題難以解決，因而乙太網進入工業控制領域。而且隨著工業乙太網的迅速發展，寬帶工業級網絡系統可以集成數據採集、數據交換、實時閉環控制、視頻監控、信息管理，甚至企業內部網互聯，實現多網合一。為實現這些功能，要求相應的網絡系統不僅帶寬大，而且要有一定的實時性。傳統的以集線器(HUB)構網的工業網絡系統採用載波監聽多路訪問/衝突檢測(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect, CSMA/CD)通信機制，系統在網絡輕負載的時候衝突很少發生，但在重載的情況下表現不穩定，數據包傳送有時延遲很大，甚至導致數據包的丟失，而且大多數工業現場環境苛刻噪聲、電磁幹擾等容易產生誤碼，從而危 及到整個控制系統的安全，因而並不適合工業實時反饋控制的應用。實時乙太網技術通過增加帶寬，並儘量使網絡工作在輕負載下來提高網絡的實時性。但隨著工業控制網絡的發展，其無論在帶寬、實時性還是抗噪聲幹擾等複雜環境都提出了更高的要求，因此已經無法滿足工業控制的要求。
發明內容為了克服已有實時工業乙太網硬體系統的帶寬受限、實時性較差、抗幹擾能力較弱的不足，本實用新型提供一種具有更高帶寬、實時性良好、抗幹擾能力較強的基於EPON(Ethernet Passive Optical Network)的實時工業乙太網硬體系統。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，所述實時工業乙太網硬體系統包括中心節點(Optical Line Terminal, 0LT)和接入節點(Optical Network Unit』ONU),所述中心節點通過光纖與所述接入節點連接；其中，所述中心節點包括主控模塊、第一 ARM模塊、第一電源模塊、第一同步動態隨機存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)模塊、高速串並轉換模塊、第一光纖收發模塊和千兆乙太網模塊，所述主控模塊分別與千兆乙太網模塊、第一 SDRAM模塊和第一 ARM模塊連接，所述第一電源模塊均與所述主控模塊、第一 SDRAM模塊和高速串並轉換模塊連接，所述第一 SDRAM模塊與所述高速串並轉換模塊連接，所述高速串並轉換模塊與第一光纖收發模塊連接；所述接入節點包括控制器、第二 ARM模塊、第二電源模塊、第二 SDRAM模塊、串並轉換模塊、第二光纖收發模塊和十兆/百兆乙太網模塊，所述控制器分別與十兆/百兆乙太網模塊、第二 SDRAM模塊和第二 ARM模塊連接，所述第二電源模塊均與所述控制器、第二 SDRAM模塊和串並轉換模塊連接，所述第二 SDRAM模塊與所述串並轉換模塊連接，所述串並轉換模塊與第二光纖收發模塊連接。[0009]進一步，所述中心節點還包括第一輔助模塊、第一串行外圍設備接口(SerialPeripheral Interface, SPI)總線模塊、第一 RS232串口模塊和第一 JTAG模塊；所述主控模塊與所述第一輔助模塊、第一 JTAG模塊連接，所述第一 ARM模塊與所述第一 SPI總線模塊、第一 RS232串口模塊連接。更進一步，所述接入節點還包括第二輔助模塊、第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊和第二 JTAG模塊；所述控制器與所述第二輔助模塊、第二 JTAG模塊連接，所述第二ARM模塊與所述第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊連接。優選的，所述主控模塊和控制器均為現場可編程門陣列(Field — ProgrammableGate Array, FPGA)。本實用新型的技術構思為無源光乙太網(Ethernet Passive Optical Network,EPON)採用點對多點的網絡結構，在物理層採用具有傳輸頻帶寬、傳輸容量大、抗電磁幹擾能力強、保密性好、價格低廉、環保等特點的光纖連接，而且具有中繼器完全無源的優勢，並且與乙太網技術融合在一起。這種技術可以提供靈活的帶寬需求，同時組網簡單、可靠、高 性價比。因此，從乙太網無源光網絡(EPON)的角度出發，借鑑其先進的技術和多點控制的先天性優勢，將其應用於工業控制網絡，不但完全的吸收了光纖通信的優勢，而且在網絡的傳輸帶寬、實時性上亦得到了革命性的提高，使工業控制網絡再上一個臺階，應用於更加複雜的高精度運動控制場合。本實用新型的有益效果主要表現在將EPON應用於工業通信中替代工業現場中的實時乙太網，使其具有更高的實時性、帶寬和抗幹擾性。對經典的帶寬分配算法進行改進，並從MAC層著手，優化MAC協議，確保網絡通信的實時性。
圖I為本實用新型的OLT結構示意圖；圖2為本實用新型的ONU結構示意圖；圖3為本實用新型的連接示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖I 圖3，一種基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，所述實時工業乙太網硬體系統包括中心節點和接入節點，所述中心節點通過光纖與所述接入節點連接；其中，所述中心節點包括主控模塊、第一 ARM模塊、第一電源模塊、第一 SDRAM模塊、高速串並轉換模塊、第一光纖收發模塊和千兆乙太網模塊，所述主控模塊分別與千兆乙太網模塊、第一 SDRAM模塊和第一 ARM模塊連接，所述第一電源模塊均與所述主控模塊、第一 SDRAM模塊和高速串並轉換模塊連接，所述第一 SDRAM模塊與所述高速串並轉換模塊連接，所述高速串並轉換模塊與第一光纖收發模塊連接；所述接入節點包括控制器、第二 ARM模塊、第二電源模塊、第二 SDRAM模塊、串並轉換模塊、第二光纖收發模塊和十兆/百兆乙太網模塊，所述控制器分別與十兆/百兆乙太網模塊、第二 SDRAM模塊和第二 ARM模塊連接，所述第二電源模塊均與所述控制器、第二 SDRAM模塊和串並轉換模塊連接，所述第二 SDRAM模塊與所述串並轉換模塊連接，所述串並轉換模塊與第二光纖收發模塊連接。進一步，所述中心節點還包括第一輔助模塊、第一 SPI總線模塊、第一 RS232串口模塊和第一 JTAG模塊；所述主控模塊與所述第一輔助模塊、第一 JTAG模塊連接，所述第一ARM模塊與所述第一 SPI總線模塊、第一 RS232串口模塊連接。更進一步，所述接入節點還包括第二輔助模塊、第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊和第二 JTAG模塊；所述控制器與所述第二輔助模塊、第二 JTAG模塊連接，所述第二ARM模塊與所述第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊連接。優選的，所述主控模塊和控制器均為FPGA。本實施例的實時工業乙太網硬體系統由光線路終端(OLT)和光節點(ONU)構成。OLT各功能部分的作用 I、主控模塊FPGA :作為核心控制模塊主要完成高速串並轉換模塊的驅動和控制光纖收發模塊，使其能夠協調完成數據的收發，並且通過千兆乙太網接口與上聯模塊通信完成數據的傳輸。其中所有的功能採用用Verilog HDL語言實現。2、第一 ARM模塊主要作用是協助FPGA完成相應的協議的轉換。3、第一電源模塊為各個晶片提供所需的正常工作電壓。4、第一 SDRAM :數據交換緩衝晶片。5、高速串並轉換模塊將光纖收發器端的數據和FPGA端的數據進行串並轉換滿足其收發處理的需要。6、第一光纖收發模塊負責光電信號的轉換與光信號的傳輸。7、第一輔助模塊主要包括觸發開關和LED燈，主要是完成特定信號的觸發和指示以便我們查看OLT是否工作正常。8、第一 SPI總線模塊主要完成程序的初始化和調試功能。9、第一 RS232串口模塊負責串口信號的發送和接收，主要是設備的低級配置和管理。10、千兆乙太網模塊採用千兆乙太網控制晶片和RJ-45接口相連，主要接收上層現場的數據傳送給FPGA，並且將FPGA送過來的信號編碼後發送出去。11、第一 JTAG =FPGA的程序下載接口OLT各功能部分的作用I、控制器FPGA :主要完成高速串並轉換模塊的驅動和控制光纖收發模塊，使其能夠協調完成數據的收發，並且通過DM9000乙太網晶片與控制計算機進行通信。2、第二 ARM模塊作為FPGA的協處理器完成相應的協議的轉換。3、第二電源模塊為各個晶片提供所需的正常工作電壓。4、第二 SDRAM :數據交換緩衝晶片。5、串並轉換模塊將光纖收發器端的數據和FPGA端的數據進行串並轉換滿足其收發處理的需要。6、第二光纖收發模塊負責光電信號的轉換與光信號的傳輸，將從OLT端接受的數據接收到下來同時將控制端的數據發送到0LT。7、第二輔助模塊主要包括觸發開關和LED燈，主要是完成特定信號的觸發和指示以便我們查看OLT是否工作正常。[0045]8、第二 SPI總線模塊主要完成程序的初始化和調試功能。9、第二 RS232串口模塊負責串口信號的發送和接收，主要是設備的低級配置和管理。10、十兆/百兆乙太網模塊10M/100M乙太網控制晶片，與RJ-45接口相連，主要將FPGA送過來的數據發送給控制計算機和將控制計算機送過來的信號編碼後發送給FPGA。11、第二 JTAG =FPGA的程序下載接口。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並不對本實用新型做形式上的限制，凡是依據本實用新型對以上實例所做的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本實用新型技術方案的範圍內。
權利要求1.一種基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，其特徵在於所述實時工業乙太網硬體系統包括中心節點和接入節點，所述中心節點通過光纖與所述接入節點連接；其中， 所述中心節點包括主控模塊、第一 ARM模塊、第一電源模塊、第一 SDRAM模塊、高速串並轉換模塊、第一光纖收發模塊和千兆乙太網模塊，所述主控模塊分別與千兆乙太網模塊、第一 SDRAM模塊和第一 ARM模塊連接，所述第一電源模塊均與所述主控模塊、第一 SDRAM模塊和高速串並轉換模塊連接，所述第一 SDRAM模塊與所述高速串並轉換模塊連接，所述高速串並轉換模塊與第一光纖收發模塊連接； 所述接入節點包括控制器、第二 ARM模塊、第二電源模塊、第二 SDRAM模塊、串並轉換模塊、第二光纖收發模塊和十兆/百兆乙太網模塊，所述控制器分別與十兆/百兆乙太網模塊、第二 SDRAM模塊和第二 ARM模塊連接，所述第二電源模塊均與所述控制器、第二 SDRAM模塊和串並轉換模塊連接，所述第二 SDRAM模塊與所述串並轉換模塊連接，所述串並轉換模塊與第二光纖收發模塊連接。
2.如權利要求I所述的基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，其特徵在於所述中心節點還包括第一輔助模塊、第一 SPI總線模塊、第一 RS232串口模塊和第一 JTAG模塊；所述主控模塊與所述第一輔助模塊、第一 JTAG模塊連接，所述第一 ARM模塊與所述第一 SPI總線模塊、第一 RS232串口模塊連接。
3.如權利要求I或2所述的基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，其特徵在於所述接入節點還包括第二輔助模塊、第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊和第二 JTAG模塊；所述控制器與所述第二輔助模塊、第二 JTAG模塊連接，所述第二 ARM模塊與所述第二 SPI總線模塊、第二 RS232串口模塊連接。
4.如權利要求I或2所述的基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，其特徵在於所述主控模塊和控制器均為FPGA。
專利摘要一種基於EPON的實時工業乙太網硬體系統，包括中心節點和接入節點，中心節點通過光纖與接入節點連接；中心節點中，主控模塊分別與千兆乙太網模塊、第一SDRAM模塊和第一ARM模塊連接，第一電源模塊均與主控模塊、第一SDRAM模塊和高速串並轉換模塊連接，第一SDRAM模塊與高速串並轉換模塊連接，高速串並轉換模塊與第一光纖收發模塊連接；接入節點中，控制器分別與十兆/百兆乙太網模塊、第二SDRAM模塊和第二ARM模塊連接，第二電源模塊均與控制器、第二SDRAM模塊和串並轉換模塊連接，第二SDRAM模塊與串並轉換模塊連接，串並轉換模塊與第二光纖收發模塊連接。本實用新型具有更高帶寬、實時性良好、抗幹擾能力較強。
文檔編號H04L12/28GK202713341SQ201220336509
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者金燕, 何海力, 劉彥敏 申請人:浙江工業大學