專利名稱：一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以太網(wǎng)通信的調(diào)度方法，尤其涉及一種以以太網(wǎng)+UDP/IP為基礎(chǔ)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進行確定性通信的調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
以太網(wǎng)作為一種成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有成本低、穩(wěn)定和可靠等諸多優(yōu)點，在辦公自動化和工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)前最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。目前使用的以太網(wǎng)標準，在MAC(介質(zhì)訪問控制)層大多采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問的CSMA/CD協(xié)議，其工作流程是當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)上的某一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先監(jiān)聽信道，若信道忙就持續(xù)等待，直到它一旦監(jiān)聽到信道空閑時，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果兩個或多個節(jié)點都在監(jiān)聽和等待發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)聽到信道空閑時，各節(jié)點就立即(幾乎同時)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，這時就發(fā)生沖突。如果一個節(jié)點在傳輸期間檢測出沖突，則立即停止傳輸，并向信道發(fā)出一個“擁擠”信號，以確保網(wǎng)絡(luò)上的所有其它節(jié)點也發(fā)現(xiàn)該沖突。在基于以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)中，為避免沖突，各個節(jié)點采用1堅持的二進制指數(shù)退避(BEB，Binary Exponential Back-Off)算法處理沖突，但該方法具有沖突時延不確定的缺陷，無法在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等實時網(wǎng)絡(luò)中得到有效應(yīng)用。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種典型的實時應(yīng)用系統(tǒng)，其中的任務(wù)(如功能塊的執(zhí)行)通常按照一定的時間間隔觸發(fā)，并且對任務(wù)的執(zhí)行時間具有截止期要求，這種任務(wù)稱為周期性任務(wù)。實時應(yīng)用系統(tǒng)中還有一種任務(wù)，這種任務(wù)只有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，例如設(shè)備配置、故障診斷、程序的上載/下載、運行記錄、報警處理等，這類任務(wù)稱為非周期性任務(wù)，非周期性任務(wù)是隨機觸發(fā)的。這兩種任務(wù)反映在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信上，就是兩類通信信息周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性信息是實時信息，非周期信息是非實時信息，周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的時間特性。一旦系統(tǒng)組態(tài)完成，周期性通信信息的發(fā)送就具有時間確定性。而非周期性通信信息往往是突發(fā)信息，在時間上是不確定的。
為了提高以太網(wǎng)通信的實時性和確定性，人們做了不少研究，提出各種方法來改進CSMA/CD，按照對CSMA/CD的改進方法劃分，主要有改進以太網(wǎng)MAC協(xié)議、在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制機制等。CSMA/DCR(DeterministicCollision Resolution)是最具有代表性的一種MAC協(xié)議改進方法。當(dāng)沖突發(fā)生時，采用確定性的二叉樹尋址方法，CSMA/DCR依照節(jié)點地址采取先序遍歷的方式解決沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時，低優(yōu)先級的節(jié)點停止對信道的競爭，而高優(yōu)先級的節(jié)點繼續(xù)競爭信道，直到成功傳輸。這種修改以太網(wǎng)MAC協(xié)議的方式雖然可以極大的改善以太網(wǎng)通信確定性的問題，卻是以更改以太網(wǎng)固件(以太網(wǎng)控制器硬件和軟件)為代價的，很難與標準的商用以太網(wǎng)兼容，并且增加了開發(fā)成本。
在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制機制中最典型的一種方法是時分多路獲取(TDMA)策略，TDMA為每個節(jié)點分配一定的帶寬，每個節(jié)點在固定的時間片內(nèi)發(fā)送信息，以保證每個節(jié)點的信息具有確定的發(fā)送時間。由于TDMA不需要傳輸額外的控制信息，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率比較高。但TDMA是基于節(jié)點的方法，不能反映每個節(jié)點的實際帶寬需求，無法保證非周期信息及時發(fā)送。另外一種在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制的方法是主從式傳輸控制方式，這是一種集中式的傳輸控制方式，網(wǎng)絡(luò)中至少有一個主設(shè)備和多個從設(shè)備。從設(shè)備只有在收到來自主設(shè)備的控制報文之后，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這種主從式傳輸控制方式的優(yōu)點是可以保證每個從設(shè)備都有發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，但缺點是無法處理工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)性通信，例如工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的報警信息。
因此，盡管上述方法都在一定程度上提高了以太網(wǎng)傳輸?shù)膶崟r性和確定性，卻是或者以改變以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為代價(如CSMA/DCR)，或者在較低的網(wǎng)絡(luò)層次(如MAC層的上層)實現(xiàn)，這些方法的最大不足是實現(xiàn)難度大，往往涉及到硬件，無法與傳統(tǒng)標準的以太網(wǎng)相互兼容，并且無法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中對兩類信息——周期信息(即實時信息)和非周期信息(通常為非實時信息)進行同時處理的特殊要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在不改變以太網(wǎng)原有結(jié)構(gòu)的條件下，在位于UDP之上的用戶層提供一種確定性通信的調(diào)度方法，以合理調(diào)度工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的周期和非周期信息，在以以太網(wǎng)+UDP/IP為基礎(chǔ)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)實時和確定性的通信，以滿足基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對通信的實時性和確定性的要求。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特點是，在所述以太網(wǎng)上定義至少一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，在所述以太網(wǎng)上設(shè)有至少一個時鐘服務(wù)器；將所述以太網(wǎng)中的信息分為周期信息和非周期信息，對所述周期信息采用時隙訪問的控制方式，在固定的時間片中進行周期性的數(shù)據(jù)交換；對所述非周期信息采用基于令牌的集中調(diào)度方式，在所述周期信息通信的間隙即非周期信息通信階段進行數(shù)據(jù)交換；包括以下步驟a.系統(tǒng)啟動之前，所述主設(shè)備負責(zé)對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，包括，指定傳輸周期的大??；指定各從設(shè)備在一個傳輸周期中發(fā)送周期信息的時間長度；設(shè)置每個從設(shè)備在傳輸周期中傳輸周期信息的起始時刻相對于傳輸周期起始時刻的時間偏差；并將這些信息下載到每個從設(shè)備中；b.系統(tǒng)上電后，所有設(shè)備首先與所述時鐘服務(wù)器進行時鐘同步；c.傳輸周期開始后，所述主設(shè)備對周期信息采用時隙訪問的控制方式，每個從設(shè)備在預(yù)定的時刻發(fā)送周期信息，每個從設(shè)備在發(fā)送完周期信息之后接下來的一段時間中，向主設(shè)備發(fā)送聲明報文，通知所述主設(shè)備其是否有非周期信息要發(fā)送，如果有非周期信息要發(fā)送，所述主設(shè)備將相應(yīng)從設(shè)備的IP地址、信息優(yōu)先級以及預(yù)期的信息發(fā)送時間保存在一個非周期信息發(fā)送隊列中，而從設(shè)備在接下來的非周期信息通信階段等待非周期信息調(diào)度令牌；d.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述主設(shè)備進行如下操作d1.掃描非周期信息發(fā)送隊列，判斷隊列是否空，如果隊列不空，轉(zhuǎn)d2；否則，結(jié)束；d2.根據(jù)所述隊列中的信息，向具有最高優(yōu)先級非周期信息的從設(shè)備發(fā)送非周期信息調(diào)度令牌，同時啟動定時器，定時器大小為令牌持有時間；d3.等待從設(shè)備釋放令牌；d4.判斷是否收到來自從設(shè)備的確認，如果收到，轉(zhuǎn)d1；否則，轉(zhuǎn)d5；d5.判斷定時器是否溢出，如果未溢出，轉(zhuǎn)d3；否則，轉(zhuǎn)d1；非周期信息通信階段結(jié)束后，所述主設(shè)備終止上述操作，同時保存非周期信息發(fā)送隊列中還未處理的信息；e.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述從設(shè)備進行如下操作e1.等待所述非周期信息調(diào)度令牌；e2.判斷是否接收到非周期信息調(diào)度令牌，如果還未收到，轉(zhuǎn)e1；否則，轉(zhuǎn)e3；e3.判斷信息優(yōu)先級是否不小于令牌的優(yōu)先級，如果為真，轉(zhuǎn)e4；否則，轉(zhuǎn)e6；e4.判斷令牌持有時間是否不小于信息發(fā)送時間，如果為真，轉(zhuǎn)e5；否則，轉(zhuǎn)e6；e5.發(fā)送非周期信息；e6.向所述主設(shè)備發(fā)送確認信息，釋放所述非周期信息調(diào)度令牌，然后結(jié)束。
整個網(wǎng)絡(luò)傳輸時間劃分為無限個等長的所述傳輸周期，每個所述傳輸周期包括周期信息通信階段和非周期信息通信階段，所有從設(shè)備在每個所述傳輸周期中發(fā)送和接收所述周期信息和所述非周期信息。
所述步驟c中，所述主設(shè)備對周期信息通信采用時隙訪問的控制方式網(wǎng)絡(luò)上每個設(shè)備，包括主設(shè)備和從設(shè)備均與所述時鐘服務(wù)器保持時鐘同步，所述主設(shè)備在步驟a系統(tǒng)組態(tài)時確定每個從設(shè)備在一個傳輸周期中發(fā)送周期信息的時間長度以及從設(shè)備發(fā)送周期信息的起始時間相對于傳輸周期的起始時間的偏移量。
在所述步驟c周期信息通信階段，每個從設(shè)備在預(yù)定時刻發(fā)送完周期信息之后，還留有一段時間，用于向主設(shè)備發(fā)送一個聲明報文，通知所述主設(shè)備它在接下來的時間里是否還有非周期信息要發(fā)送；如果有，還要標明該非周期信息所需要的發(fā)送時間，以及信息的優(yōu)先級，主設(shè)備收到該報文后，將有非周期信息要發(fā)送的設(shè)備的IP地址、信息的優(yōu)先級以及信息的預(yù)期發(fā)送時間保存在一個隊列中；如果所述主設(shè)備在連續(xù)三個周期內(nèi)沒有收到來自某個從設(shè)備的聲明報文，那么就認為該從設(shè)備已經(jīng)失效。
所述步驟d、e非周期信息通信基于令牌的集中調(diào)度方式，是將網(wǎng)絡(luò)中的非周期信息劃分為不同的優(yōu)先級，所述主設(shè)備根據(jù)非周期信息優(yōu)先級的高低決定哪個從設(shè)備首先發(fā)送，高優(yōu)先級的信息將首先獲得所述令牌，具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)。
所述的時鐘同步方式由設(shè)備與所述時鐘服務(wù)器之間通過簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP，Simple Network Time Protocol)實現(xiàn)。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的調(diào)度方法合理調(diào)度工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的周期和非周期信息，在以以太網(wǎng)+UDP/IP為基礎(chǔ)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了實時和確定性的通信。


圖1是網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的傳輸周期的劃分示意圖；圖2是一個傳輸周期中信息通信過程的示意圖；圖3是本發(fā)明的調(diào)度方法的一個實施例中使用的非周期信息調(diào)度令牌的一種格式；圖4是本發(fā)明的調(diào)度方法的一個實施例中主設(shè)備對非周期信息的處理流程；圖5是本發(fā)明的調(diào)度方法的一個實施例中從設(shè)備對非周期信息的處理流程；圖6是用SNTP實現(xiàn)時鐘同步的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明的調(diào)度方法在以太網(wǎng)上定義至少一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，并在在以太網(wǎng)上設(shè)有至少一個時鐘服務(wù)器；
并將以太網(wǎng)中的信息分為周期信息和非周期信息，對周期信息采用時隙訪問的控制方式，在固定的時間片中進行周期性的數(shù)據(jù)交換；對非周期信息采用基于令牌的集中調(diào)度方式，在周期信息通信的間隙即非周期信息通信階段進行數(shù)據(jù)交換；包括以下步驟a.系統(tǒng)啟動之前，主設(shè)備負責(zé)對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，包括，指定傳輸周期的大?。恢付ǜ鲝脑O(shè)備在一個傳輸周期中發(fā)送周期信息的時間長度；設(shè)置每個從設(shè)備在傳輸周期中傳輸周期信息的起始時刻相對于傳輸周期起始時刻的時間偏差；并將這些信息下載到每個從設(shè)備中；圖1是網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的傳輸周期的劃分示意圖，如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間被劃分為無限個等長的傳輸周期。每個傳輸周期由周期信息傳輸階段和非周期信息傳輸階段構(gòu)成，如圖2所示。
圖2是一個傳輸周期中信息通信過程的示意圖，圖2的示例網(wǎng)絡(luò)中有6個從設(shè)備進行通信。每個從設(shè)備發(fā)送周期信息的時間長度由主設(shè)備在系統(tǒng)組態(tài)時確定；所示各從設(shè)備發(fā)送周期信息的起始時間相對于傳輸周期的起始時間的偏移量是不同的，從而避免了多個設(shè)備同時訪問網(wǎng)絡(luò)資源時發(fā)生沖突的可能。同時，每個設(shè)備發(fā)送周期信息在時間上具有確定性，即一旦設(shè)備在某個時刻發(fā)送了一個周期信息，那么該設(shè)備下次發(fā)送同一種周期信息的時間可以通過以下方式計算而得到NextSendTime＝CurrentTime+傳輸周期其中，NextSendTime為設(shè)備下次傳輸相同周期信息的時間，CurrentTime為當(dāng)前傳輸周期信息的時刻。
b.系統(tǒng)上電后，所有設(shè)備首先與時鐘服務(wù)器進行時鐘同步；圖6是用SNTP實現(xiàn)時鐘同步的示意圖。本發(fā)明所述的保持各個設(shè)備之間嚴格的時鐘同步是通過基于UDP的SNTP協(xié)議來實現(xiàn)，如圖6所示。利用SNTP實現(xiàn)設(shè)備之間的時鐘同步，實際上就是讓每個設(shè)備定期與時鐘服務(wù)器通過交換SNTP報文，計算出設(shè)備同時鐘服務(wù)器之間的時間差，從而調(diào)整本地時鐘，使設(shè)備本地時鐘與時鐘服務(wù)器之間的時間差保持在可以允許的范圍內(nèi)。在計算設(shè)備與時鐘服務(wù)器之間的時間差時要用到四個時間戳T1，T2，T3和T4，其意義如下T1設(shè)備發(fā)送時鐘同步請求時的本地時間戳；T2時鐘服務(wù)器接收到時鐘同步請求時的時間戳(標準時間)；T3時鐘服務(wù)器發(fā)送時鐘同步應(yīng)答時的時間戳(標準時間)；T4設(shè)備接收到時鐘同步應(yīng)答時的本地時間戳。
簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議實現(xiàn)時鐘同步基于一個假定，就是設(shè)備到時鐘服務(wù)器和時鐘服務(wù)器到現(xiàn)場設(shè)備之間的傳輸延時是相等的?；谶@個假設(shè)，我們通過以下算法計算現(xiàn)場設(shè)備與時鐘服務(wù)器之間的時間偏差Td。
T2-(T1+Td)＝(T4+Td)-T3根據(jù)上式就可以計算出設(shè)備與時鐘服務(wù)器之間的時間偏差TdTd＝((T2-T1)+(T3-T4))/2設(shè)備可以根據(jù)時間偏差Td調(diào)整本地時鐘，從而與時鐘服務(wù)器實現(xiàn)同步。網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備通過相同的方式與時鐘服務(wù)器實現(xiàn)同步之后，意味著網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備之間在時間上也是同步的。
c.傳輸周期開始后，所述主設(shè)備對周期信息采用時隙訪問的控制方式，每個從設(shè)備在預(yù)定的時刻發(fā)送周期信息，每個從設(shè)備在發(fā)送完周期信息之后接下來的一段時間中，向主設(shè)備發(fā)送聲明報文，通知所述主設(shè)備其是否有非周期信息要發(fā)送，如果有非周期信息要發(fā)送，所述主設(shè)備將相應(yīng)從設(shè)備的IP地址、信息優(yōu)先級以及預(yù)期的信息發(fā)送時間保存在一個非周期信息發(fā)送隊列中，而從設(shè)備在接下來的非周期信息通信階段等待非周期信息調(diào)度令牌；在周期信息通信階段，每個設(shè)備在預(yù)定的時刻發(fā)送完周期信息之后，還留有一段時間，如圖2中虛線方框所示。在這段時間中，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送聲明報文，通知主設(shè)備其在接下來的時間里是否還有非周期信息要發(fā)送。如果有，還要標明該非周期信息所需要的發(fā)送時間，以及信息的優(yōu)先級，主設(shè)備收到該報文后，將有非周期信息要發(fā)送的設(shè)備的IP地址、信息的優(yōu)先級以及信息的預(yù)期發(fā)送時間保存在一個隊列中。通過這種方式，主設(shè)備就可以知道在一個傳輸周期內(nèi)，每個從設(shè)備是否有非周期信息要發(fā)送，同時，主設(shè)備也可以監(jiān)測每個從設(shè)備的狀態(tài)。如果主設(shè)備在連續(xù)三個周期內(nèi)沒有收到來自某個從設(shè)備的聲明報文，那么就認為該設(shè)備已經(jīng)失效。
d.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述主設(shè)備進行如下操作，圖4是本發(fā)明的調(diào)度方法的一個實施例中主設(shè)備對非周期信息的處理流程d1.掃描非周期信息發(fā)送隊列，判斷隊列是否空，如果隊列不空，轉(zhuǎn)d2；否則，結(jié)束；d2.根據(jù)所述隊列中的信息，向具有最高優(yōu)先級非周期信息的從設(shè)備發(fā)送非周期信息調(diào)度令牌，同時啟動定時器(定時器大小為令牌持有時間)；d3.等待從設(shè)備釋放令牌；d4.判斷是否收到來自從設(shè)備的確認，如果收到，轉(zhuǎn)d1；否則，轉(zhuǎn)d5；d5.判斷定時器是否溢出，如果未溢出，轉(zhuǎn)d3；否則，轉(zhuǎn)d1；非周期信息通信階段結(jié)束后，所述主設(shè)備終止上述操作，同時保存非周期信息發(fā)送隊列中還未處理的信息；在非周期信息通信階段，主設(shè)備根據(jù)在周期信息通信階段所獲得的從設(shè)備的信息(包括有非周期信息要發(fā)送的設(shè)備IP地址、信息的優(yōu)先級以及信息的預(yù)期發(fā)送時間等)，由主設(shè)備中的調(diào)度器通過特殊的控制報文來實現(xiàn)非周期信息調(diào)度令牌的發(fā)送。
圖3是該實施例中非周期信息調(diào)度令牌的一種實現(xiàn)格式。1個字節(jié)的報文類型字段用于標識此報文類型，即是否為一個非周期信息調(diào)度令牌，例如0表示非周期信息調(diào)度令牌，其它值則表示其它類型的普通報文。1個字節(jié)優(yōu)先級字段標識令牌的優(yōu)先級。最后4個字節(jié)用來表示令牌持有時間。
令牌的持續(xù)時間根據(jù)要發(fā)送非周期信息的設(shè)備所提供的非周期信息發(fā)送時間來確定，一般不小于非周期信息發(fā)送持續(xù)時間，以保證非周期信息完整發(fā)送。信息的發(fā)送持續(xù)時間可以通過以下方式進行估算信息發(fā)送持續(xù)時間(s)＝信息長度(bit)/網(wǎng)絡(luò)帶寬(Mbps)其中，信息長度由以下幾個部分構(gòu)成有效數(shù)據(jù)的長度，UDP報文頭部長度，IP報文頭部長度以及以太網(wǎng)幀頭部長度。
從設(shè)備收到來自主設(shè)備的非周期信息調(diào)度令牌后，它得到在一定時間內(nèi)發(fā)送非周期信息的權(quán)利，時間長度在令牌中指定。為了保證周期信息的正常發(fā)送，令牌持有時間(令牌持有時間是指從設(shè)備從獲得令牌到釋放令牌所經(jīng)歷的時間)不能超過非周期信息通信階段所占的總時間。如果從設(shè)備發(fā)送完成或到達最大允許發(fā)送的時間(即超過非周期信息通信階段所占的總時間)時，則向主設(shè)備發(fā)送一個確認信息，同時釋放令牌。
e.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述從設(shè)備進行如下操作，圖5是本發(fā)明的調(diào)度方法的一個實施例中從設(shè)備對非周期信息的處理流程e1.等待所述非周期信息調(diào)度令牌；e2.判斷是否接收到非周期信息調(diào)度令牌，如果還未收到，轉(zhuǎn)e1；否則，轉(zhuǎn)e3；e3.判斷信息優(yōu)先級是否不小于令牌的優(yōu)先級，如果為真，轉(zhuǎn)e4；否則，轉(zhuǎn)e6；e4.判斷令牌持有時間是否不小于信息發(fā)送時間，如果為真，轉(zhuǎn)e5；否則，轉(zhuǎn)e6；e5.發(fā)送非周期信息；e6.向所述主設(shè)備發(fā)送確認信息，釋放所述非周期信息調(diào)度令牌，然后結(jié)束。
為了保證重要而緊急的非周期信息(如報警信息)能及時發(fā)送，每個非周期信息同樣具有不同的優(yōu)先級。以三級優(yōu)先級為例，分別為0級，1級，2級，其中，0級優(yōu)先級是最高優(yōu)先級，2級優(yōu)先級是最低優(yōu)先級，1級優(yōu)先級處在兩者之間。非周期信息調(diào)度令牌也劃分為同非周期信息相同的優(yōu)先級類別。從設(shè)備收到令牌后，比較發(fā)送緩沖區(qū)中的非周期信息和令牌的優(yōu)先級，只有當(dāng)非周期信息的優(yōu)先級不低于令牌的優(yōu)先級，并且，令牌持有時間不小于信息發(fā)送時間時，才發(fā)送非周期信息，否則，直接向主設(shè)備釋放令牌。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明在位于UDP之上的用戶層提供一種確定性通信的調(diào)度方法，以合理調(diào)度工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的周期和非周期信息，在以以太網(wǎng)+UDP/IP為基礎(chǔ)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)實時和確定性的通信，以滿足基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對通信的實時性和確定性的要求。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，在所述以太網(wǎng)上定義至少一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，在所述以太網(wǎng)上設(shè)有至少一個時鐘服務(wù)器；將所述以太網(wǎng)中的信息分為周期信息和非周期信息，對所述周期信息采用時隙訪問的控制方式，在固定的時間片中進行周期性的數(shù)據(jù)交換；對所述非周期信息采用基于令牌的集中調(diào)度方式，在所述周期信息通信的間隙即非周期信息通信階段進行數(shù)據(jù)交換；包括以下步驟a.系統(tǒng)啟動之前，所述主設(shè)備負責(zé)對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，包括，指定傳輸周期的大??；指定各從設(shè)備在一個傳輸周期中發(fā)送周期信息的時間長度；設(shè)置每個從設(shè)備在傳輸周期中傳輸周期信息的起始時刻相對于傳輸周期起始時刻的時間偏差；并將這些信息下載到每個從設(shè)備中；b.系統(tǒng)上電后，所有設(shè)備首先與所述時鐘服務(wù)器進行時鐘同步；c.傳輸周期開始后，所述主設(shè)備對周期信息采用時隙訪問的控制方式，每個從設(shè)備在預(yù)定的時刻發(fā)送周期信息，每個從設(shè)備在發(fā)送完周期信息之后接下來的一段時間中，向主設(shè)備發(fā)送聲明報文，通知所述主設(shè)備其是否有非周期信息要發(fā)送，如果有非周期信息要發(fā)送，所述主設(shè)備將相應(yīng)從設(shè)備的IP地址、信息優(yōu)先級以及預(yù)期的信息發(fā)送時間保存在一個非周期信息發(fā)送隊列中，而從設(shè)備在接下來的非周期信息通信階段等待非周期信息調(diào)度令牌；d.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述主設(shè)備進行如下操作d1.掃描非周期信息發(fā)送隊列，判斷隊列是否空，如果隊列不空，轉(zhuǎn)d2；否則，結(jié)束；d2.根據(jù)所述隊列中的信息，向具有最高優(yōu)先級非周期信息的從設(shè)備發(fā)送非周期信息調(diào)度令牌，同時啟動定時器，定時器大小為令牌持有時間；d3.等待從設(shè)備釋放令牌；d4.判斷是否收到來自從設(shè)備的確認，如果收到，轉(zhuǎn)d1；否則，轉(zhuǎn)d5；d5.判斷定時器是否溢出，如果未溢出，轉(zhuǎn)d3；否則，轉(zhuǎn)d1；非周期信息通信階段結(jié)束后，所述主設(shè)備終止上述操作，同時保存非周期信息發(fā)送隊列中還未處理的信息；e.在一個傳輸周期的非周期信息通信階段，所述從設(shè)備進行如下操作e1.等待所述非周期信息調(diào)度令牌；e2.判斷是否接收到非周期信息調(diào)度令牌，如果還未收到，轉(zhuǎn)e1；否則，轉(zhuǎn)e3；e3.判斷信息優(yōu)先級是否不小于令牌的優(yōu)先級，如果為真，轉(zhuǎn)e4；否則，轉(zhuǎn)e6；e4.判斷令牌持有時間是否不小于信息發(fā)送時間，如果為真，轉(zhuǎn)e5；否則，轉(zhuǎn)e6；e5.發(fā)送非周期信息；e6.向所述主設(shè)備發(fā)送確認信息，釋放所述非周期信息調(diào)度令牌，然后結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，整個網(wǎng)絡(luò)傳輸時間劃分為無限個等長的所述傳輸周期，每個所述傳輸周期包括周期信息通信階段和非周期信息通信階段，所有從設(shè)備在每個所述傳輸周期中發(fā)送和接收所述周期信息和所述非周期信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟c中，所述主設(shè)備對周期信息通信采用時隙訪問的控制方式網(wǎng)絡(luò)上每個設(shè)備，包括主設(shè)備和從設(shè)備均與所述時鐘服務(wù)器保持時鐘同步，所述主設(shè)備在步驟a系統(tǒng)組態(tài)時確定每個從設(shè)備在一個傳輸周期中發(fā)送周期信息的時間長度以及從設(shè)備發(fā)送周期信息的起始時間相對于傳輸周期的起始時間的偏移量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，在所述步驟c周期信息通信階段，每個從設(shè)備在預(yù)定時刻發(fā)送完周期信息之后，還留有一段時間，用于向主設(shè)備發(fā)送一個聲明報文，通知所述主設(shè)備它在接下來的時間里是否還有非周期信息要發(fā)送；如果有，還要標明該非周期信息所需要的發(fā)送時間，以及信息的優(yōu)先級，主設(shè)備收到該報文后，將有非周期信息要發(fā)送的設(shè)備的IP地址、信息的優(yōu)先級以及信息的預(yù)期發(fā)送時間保存在一個隊列中；如果所述主設(shè)備在連續(xù)三個周期內(nèi)沒有收到來自某個從設(shè)備的聲明報文，那么就認為該從設(shè)備已經(jīng)失效。
5.如權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟d、e非周期信息通信基于令牌的集中調(diào)度方式，是將網(wǎng)絡(luò)中的非周期信息劃分為不同的優(yōu)先級，所述主設(shè)備根據(jù)非周期信息優(yōu)先級的高低決定哪個從設(shè)備首先發(fā)送，高優(yōu)先級的信息將首先獲得所述令牌，具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，其特征在于，所述的時鐘同步方式由設(shè)備與所述時鐘服務(wù)器之間通過簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議實現(xiàn)。
全文摘要
一種實現(xiàn)以太網(wǎng)確定性通信的調(diào)度方法，將網(wǎng)絡(luò)中的信息劃分為周期信息和非周期信息，對于周期信息，采用時隙訪問的控制方式，在固定的時間片中進行周期性的數(shù)據(jù)交換；對于非周期信息，采用基于令牌的集中調(diào)度方式，在周期信息通信的間隙即非周期信息通信階段進行；本發(fā)明的調(diào)度方法在網(wǎng)絡(luò)上定義至少有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，從設(shè)備只有在獲得來自主設(shè)備的令牌后才能發(fā)送非周期信息；同時，網(wǎng)絡(luò)上設(shè)有至少有一個時鐘服務(wù)器，用于各個設(shè)備(包括主設(shè)備和從設(shè)備)之間的時鐘同步。本發(fā)明合理調(diào)度以太網(wǎng)中的周期和非周期信息，在以以太網(wǎng)+UDP/IP為基礎(chǔ)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)實時和確定性的通信，滿足了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對通信的實時性和確定性的要求。
文檔編號H04Q3/00GK1581815SQ03142040
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月4日
發(fā)明者馮冬芹, 廖智軍, 金建祥, 褚健 申請人:浙江中控技術(shù)股份有限公司