專利名稱：工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路。
背景技術(shù)：
工業(yè)以太網(wǎng)是一種工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)，利用這種網(wǎng)絡(luò)可以在監(jiān)控中心與分布在工業(yè)現(xiàn)場各站點的設(shè)備之間提供以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸及交換，以實現(xiàn)工業(yè)自動化控制，其通信協(xié)議采用TCP/IP。
光纖已是當(dāng)今主要通信媒介。工業(yè)以太網(wǎng)一般是由光纖將工業(yè)以太網(wǎng)交換機設(shè)備連接在一起的，用來傳輸交換工業(yè)自動化控制信息。光纖通信網(wǎng)有多種拓撲結(jié)構(gòu)，其中環(huán)網(wǎng)是常用的一種。人們?yōu)榱朔乐弓h(huán)上其中一段光纖中斷引起整個環(huán)網(wǎng)通信中斷的情況發(fā)生，往往采用冗余備份來進行保護。即當(dāng)主用通道的某段光纖中斷時，自動切換到備用的光纖環(huán)上繼續(xù)傳送。但是關(guān)鍵是切換的時間長短，標志對通信影響的程度。
普通的以太網(wǎng)冗余保護技術(shù)是依賴于RSTP協(xié)議，采用重建以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，這種冗余技術(shù)所要的恢復(fù)時間較長。大概是300ms以上。在這么長的時間內(nèi)完成切換，意味著網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大的中斷。因此，當(dāng)主用通道的某段光纖中斷時，如何實現(xiàn)快速恢復(fù)是本專利研究的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，其目的是要解決冗余保護的快速恢復(fù)時間問題，即當(dāng)一段光纖中斷時，環(huán)上所有節(jié)點都能得知故障發(fā)生，同時自動切換到備用的光纖環(huán)路上，快速形成新的以太網(wǎng)通信環(huán)網(wǎng)。
為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，基于總線式的以太環(huán)網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，在每個以太網(wǎng)交換節(jié)點處設(shè)有FPGA可編程控制器，該FPGA可編程控制器通過編程包含數(shù)據(jù)分離模塊、控制信息處理模塊、以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)組裝模塊，控制信息處理模塊由狀態(tài)機制檢查判斷子模塊和切換控制子模塊構(gòu)成；數(shù)據(jù)分離模塊的輸入端口經(jīng)接口電路連接上一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口；數(shù)據(jù)分離模塊的輸出端口一方面通過控制信息通道與狀態(tài)機制檢查判斷子模塊連接，另一方面通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道與以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端口連接；當(dāng)控制信息處于正常狀態(tài)時，狀態(tài)機制檢查判斷子模塊將控制信息直接輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，當(dāng)控制信息處于異常狀態(tài)時，狀態(tài)機制檢查判斷子模塊將控制信息輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，同時，輸出信息到切換控制子模塊，切換控制子模塊輸出備用鏈路切換信號；以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，數(shù)據(jù)組裝模塊的輸出端口經(jīng)接口電路連接下一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口。
本實用新型設(shè)計原理是本方案通過在現(xiàn)場各節(jié)點處(站點)設(shè)置FPGA可編程控制器，而可編程控制器通過編程構(gòu)成數(shù)據(jù)分離模塊、控制信息處理模塊、以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)組裝模塊，同時，將以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)設(shè)計成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)+控制信息的格式。當(dāng)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)從上一交換節(jié)點傳來時，首先經(jīng)過數(shù)據(jù)分離模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制信息分離，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道送到以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊，而控制信息通過控制信息通道送到狀態(tài)機制檢查判斷子模塊進行判斷，當(dāng)控制信息處于正常狀態(tài)時，直接輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，再送往下一交換節(jié)點，當(dāng)處于異常狀態(tài)時，在輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，再送往下一交換節(jié)點，同時，輸出信息到切換控制子模塊，切換控制子模塊再輸出備用鏈路切換信號，以此實現(xiàn)一套狀態(tài)機制冗余保護技術(shù)。
所謂狀態(tài)機制就是在傳輸鏈路接通的情況我們定義為一種正常狀態(tài)，假如說傳輸鏈路處于非接通狀態(tài)我們定義為異常狀態(tài)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)的傳輸鏈路上有任意一段鏈路斷開，我們的設(shè)備會在瞬間將其傳輸鏈路切換到備用鏈路，這種切換方式是完全采用硬件實現(xiàn)的，所以倒換時間只有幾個μs。整個以太環(huán)網(wǎng)在極短的時間內(nèi)快速的建立起備用的傳輸鏈路，達到快速冗余保護的目標。
由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型采用該狀態(tài)機制冗余保護技術(shù)后，使以太環(huán)網(wǎng)的冗余保護恢復(fù)時間小于50ms。符合了工業(yè)自動化控制領(lǐng)域?qū)σ蕴W(wǎng)快速冗余保護的要求。


附圖1為本實用新型以太網(wǎng)快速冗余保護原理圖，圖中ESM表示申請人工業(yè)以太網(wǎng)型號，下同；附圖2為本實用新型FPGA可編程控制器內(nèi)部邏輯框圖；附圖3為本實用新型以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖；附圖4為本實用新型工業(yè)以太網(wǎng)交換機站點原理圖；附圖5為本實用新型工業(yè)以太網(wǎng)交換機站點簡圖；
附圖6為傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)圖；附圖7為傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機站點簡圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例參見附圖1，一種工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，基于總線式的以太環(huán)網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)(圖1所示有A、B、C、D、E、F，6個站點，站點之間用雙尾光纖連接)，在每個以太網(wǎng)交換節(jié)點處設(shè)置一個FPGA可編程控制器，見圖5所示，型號為EP1C6，同時，將以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)設(shè)計成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)+控制信息的格式，見圖3所示。該FPGA可編程控制器通過編程包含數(shù)據(jù)分離模塊、控制信息處理模塊、以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)組裝模塊，控制信息處理模塊由狀態(tài)機制檢查判斷子模塊和切換控制子模塊構(gòu)成，見圖2所示。數(shù)據(jù)分離模塊的輸入端口經(jīng)接口電路連接上一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口，所述接口電路由型號為RTL8201CL的PHY接口芯片和光收發(fā)模塊構(gòu)成，見圖4所示。數(shù)據(jù)分離模塊的輸出端口一方面通過控制信息通道與狀態(tài)機制檢查判斷子模塊連接，另一方面通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道與以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端口連接。當(dāng)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)從上一交換節(jié)點傳來時，首先經(jīng)過數(shù)據(jù)分離模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制信息分離，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道送到以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊，而控制信息通過控制信息通道送到狀態(tài)機制檢查判斷子模塊進行判斷，當(dāng)控制信息處于正常狀態(tài)時，直接輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，再送往下一交換節(jié)點。當(dāng)環(huán)網(wǎng)的傳輸鏈路上有任意一段鏈路斷開，控制信息處于異常狀態(tài)，在經(jīng)數(shù)據(jù)組裝模塊送往下一交換節(jié)點同時，切換控制子模塊輸出備用鏈路切換信號，整個以太環(huán)網(wǎng)在極短的時間內(nèi)快速的建立起備用的傳輸鏈路。從圖3的角度看，比如光傳輸線路上數(shù)據(jù)包的總長度為900個，由于在光傳輸線路上，數(shù)據(jù)包的格式是固定的，所以可以分離出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制信息數(shù)據(jù)，此兩種數(shù)據(jù)是相互獨立的?？刂菩畔⒃诠饫w網(wǎng)絡(luò)上實時傳輸，將網(wǎng)絡(luò)上的狀態(tài)及故障信息實時傳輸?shù)礁鱾€交換機站點，快速啟動備用線路，實現(xiàn)快速冗余保護。
以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，數(shù)據(jù)組裝模塊的輸出端口經(jīng)接口電路連接下一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口，所述接口電路由型號為RTL8201CL的PHY接口芯片和光收發(fā)模塊構(gòu)成，見圖4所示。另外，本實施例還包括型號為W77E58的MCU微處理器，MCU微處理器經(jīng)總線接口與型號為EP1C6的可編程控制器連接，MCU微處理器經(jīng)SPI接口與以太網(wǎng)交換機芯片連接，MCU微處理器由型號為MAX3222的網(wǎng)管接口與另一操控的電腦連接。所述以太網(wǎng)交換機芯片的型號為BCM5328，該芯片通過MII接口與FPGA可編程控制器連接；MCU微處理器由I2C接口接一FLASH快閃存儲器；EP1C6的可編程控制器通過接口與型號為IS61LV6416的DRAM存儲器連接。
從以上描述可以看出，假設(shè)A至F順時針發(fā)送，當(dāng)B至C的鏈路中斷，C設(shè)備能夠主動的將鏈路的中斷狀態(tài)(即異常狀態(tài))通過控制信息通道實時發(fā)送給鏈路上的每個站點，同時C站點啟用備用鏈路。當(dāng)D站點收到C站點發(fā)送過來的異常狀態(tài)的告警信號后，同樣的把這個告警信號繼續(xù)的傳給下一個站點，同時啟用備用鏈路。以此類推，告警信號傳到B站點后，備用鏈路已經(jīng)形成了。雖然也要經(jīng)過這樣的每一級傳輸，但是這種重要的告警信號是采用微秒級周期的廣播方式發(fā)送的，所以它的傳輸速度非?？臁?br> 上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，其特征在于基于總線式的以太環(huán)網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，在每個以太網(wǎng)交換節(jié)點處設(shè)有FPGA可編程控制器，該FPGA可編程控制器通過編程包含數(shù)據(jù)分離模塊、控制信息處理模塊、以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)組裝模塊，控制信息處理模塊由狀態(tài)機制檢查判斷子模塊和切換控制子模塊構(gòu)成；數(shù)據(jù)分離模塊的輸入端口經(jīng)接口電路連接上一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口；數(shù)據(jù)分離模塊的輸出端口一方面通過控制信息通道與狀態(tài)機制檢查判斷子模塊連接，另一方面通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道與以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端口連接；當(dāng)控制信息處于正常狀態(tài)時，狀態(tài)機制檢查判斷子模塊將控制信息直接輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，當(dāng)控制信息處于異常狀態(tài)時，狀態(tài)機制檢查判斷子模塊將控制信息輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，同時，輸出信息到切換控制子模塊，切換控制子模塊輸出備用鏈路切換信號；以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)組裝模塊，數(shù)據(jù)組裝模塊的輸出端口經(jīng)接口電路連接下一交換節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，其特征在于所述以太網(wǎng)傳輸線路采用光纖，數(shù)據(jù)分離模塊的數(shù)據(jù)輸入端口與上一交換節(jié)點數(shù)據(jù)輸出端口之間由型號為RTL8201CL的PHY接口芯片和光收發(fā)模塊構(gòu)成接口電路；數(shù)據(jù)組裝模塊的輸出端口與下一交換節(jié)點數(shù)據(jù)輸入端口由型號為RTL8201CL的PHY接口芯片和光收發(fā)模塊構(gòu)成接口電路；FPGA可編程控制器的型號為EP1C6。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，其特征在于還包括型號為W77E58的MCU微處理器，MCU微處理器經(jīng)總線接口與型號為EP1C6的可編程控制器連接，MCU微處理器經(jīng)SPI接口與以太網(wǎng)交換機芯片連接，MCU微處理器由型號為MAX3222的網(wǎng)管接口與另一操控的電腦連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，其特征在于所述以太網(wǎng)交換機芯片的型號為BCM5328，該芯片通過MII接口與FPGA可編程控制器連接；MCU微處理器由I2C接口接一FLASH快閃存儲器；EP1C6的可編程控制器通過接口與型號為IS61LV6416的DRAM存儲器連接。
專利摘要一種工業(yè)以太網(wǎng)冗余保護快速恢復(fù)電路，基于總線式的以太環(huán)網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，在每個交換節(jié)點處設(shè)置FPGA可編程控制器，該可編程控制器通過編程包含數(shù)據(jù)分離模塊、控制信息處理模塊、以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)組裝模塊，控制信息處理模塊由狀態(tài)機制檢查判斷子模塊和切換控制子模塊構(gòu)成。當(dāng)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)從上一交換節(jié)點傳來時，首先經(jīng)過數(shù)據(jù)分離模塊將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制信息分離，控制信息通過控制信息通道送到狀態(tài)機制檢查判斷子模塊進行判斷，當(dāng)控制信息處于正常狀態(tài)時，直接經(jīng)數(shù)據(jù)組裝模塊送往下一交換節(jié)點，當(dāng)環(huán)網(wǎng)的傳輸鏈路上有任意一段鏈路斷開，控制信息處于異常狀態(tài)，在經(jīng)數(shù)據(jù)組裝模塊送往下一交換節(jié)點同時，切換控制子模塊輸出備用鏈路切換信號，整個以太環(huán)網(wǎng)在極短的時間內(nèi)快速的建立起備用的傳輸鏈路，達到快速冗余保護的目的。
文檔編號H04L12/26GK2927527SQ200620075099
公開日2007年7月25日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月11日
發(fā)明者沈安珍, 孔慶運 申請人:蘇州市震旦電力科技有限公司