一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法，對各從站端口設定端口超時參數(shù)；當斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設定的時間后，向主站發(fā)送返回幀；根據主站第一端口收到返回幀與否判定是否發(fā)生斷線故障；并根據主站第二端口接收到返回幀與否，判定數(shù)據幀正向傳輸是否正常；另一方面，主站發(fā)送帶時間戳報文的數(shù)據幀，并根據從站返回的數(shù)據幀的時間戳獲取從站間的傳輸延時，根據該傳輸延時對各從站進行時鐘調整，實現(xiàn)從站間的時鐘粗同步；之后主站在發(fā)送的數(shù)據幀對從站寫入補償因子，各從站根據補償因子進行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站間的時鐘精確同步；該方法可實時響應斷線故障，在一個插補周期之內實現(xiàn)時鐘同步恢復，具有高可靠性和高實時性。
【專利說明】
一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)以太網通信技術領域，更具體地，涉及一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)年來，由于工業(yè)以太網在高速數(shù)據傳輸?shù)拿黠@優(yōu)勢、技術成熟、價格低、易于組網、便于使用等特性，在工業(yè)控制領域中得到快速的發(fā)展。
[0003]在工控領域中，對于工業(yè)現(xiàn)場加工的機械振動以及可能的人為無意識舉動導致的斷線或松動故障，一般采用物理加固或采用更為結實的接線方式來防止可能出現(xiàn)的斷線或松動故障;或改變傳輸介質將電纜保護拖鏈配置為短棒的形式以防備斷線;在互聯(lián)網領域，對于設備斷線故障的響應是基于軟件層面進行恢復，響應的時間> = 5ms;對于高速高精的數(shù)控加工而言，為了保證數(shù)據的有效性及加工的可靠性和穩(wěn)定性，要求在一個插補周期(Ims)內恢復網絡通訊并將數(shù)據安全送達。因此，普通的物理加固或改變傳輸介質及互聯(lián)網僅從軟件層響應斷線故障的方法，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的高實時性要求，需尋求適用于工業(yè)以太網領域的斷線故障檢測及時鐘同步恢復的方法。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法，其目的在于提供工業(yè)以太網斷線檢測及時鐘同步恢復的實時。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測方法，基于一個由主站與若干從站冗余組建的工業(yè)以太網系統(tǒng)，主站與從站均具有兩個端口 ；具體如下:
[0006]( i)對各從站第一端口和第二端口設定端口超時參數(shù)；當斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設定的時間后，向主站發(fā)送返回幀；
[0007](2)主站第一端口判斷是否收到返回幀，若否，則判定為數(shù)據幀丟失，發(fā)生斷線故障;若是，則根據主站第一端口接收到的返回幀里的ST標識判斷數(shù)據幀所經過的從站信息，包括所流過從站的數(shù)目，流過哪幾個從站；
[0008]其中，ST為數(shù)據幀報文中的參數(shù)，定義如下:當尋址方式為順序尋址方式時，ST為順序號；當尋址方式為站地址尋址方式時為，ST為站地址；當尋址方式廣播方式時，ST為廣播號；
[0009](3)主站第二端口根據是否接收到返回幀，獲取數(shù)據幀正向傳輸方向的斷線故障信息;若主站第二端口收到返回幀，則表明由主站第一端口至從站的正向傳輸方向的無斷線故障；若主站第二端口未收到返回幀，貝lJ判定由主站至從站的數(shù)據幀正向傳輸方向發(fā)生斷線故障。
[0010]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網的斷線故障檢測方法，在步驟(3)后還包括如下步驟:根據主站第一端口與第二端口接收到返回幀的情況，及從站端口超時參數(shù)啟用狀態(tài)，判斷斷線故障位置；
[0011]具體地，當主站第一端口與第二端口均未收到返回幀，判定為主站第一端口出現(xiàn)斷線故障；
[0012]當主站第一端口接收到返回幀，但從ST標識獲取到的從站數(shù)目錯誤，且主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第一端口與第二端口之間的從站端口發(fā)生斷線故障；
[0013]當主站第一端口接收到返回幀，且從ST標識獲取到的從站數(shù)目無誤，但主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第二端口發(fā)生斷線故障；
[0014]當主站第一端接收到返回幀，且從ST標識獲取到的從站數(shù)目無誤，且主站第二端口收到返回幀，則判定網絡無斷線故障。
[0015]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網的斷線故障檢測方法，對各從站設置的端口超時參數(shù)各不相同，以保證各從站返回幀的順序性；
[0016]各從站端口的超時參數(shù)具體為:該從站端口兩次收到主站發(fā)送的數(shù)據幀之間的累積片內延時與傳輸延時之和。
[0017]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種工業(yè)以太網恢復時鐘同步的方法，具體如下:
[0018](i)主站發(fā)送帶時間戳的數(shù)據幀；當該數(shù)據幀到達各個從站時，由從站記錄時間戳;主站根據從站返回的數(shù)據幀獲取從站間的傳輸延時，根據該傳輸延時對各從站進行時鐘調整，實現(xiàn)從站的第一次時鐘同步；
[0019](ii)主站發(fā)送的數(shù)據幀對從站寫入補償因子，各從站根據補充因子進行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站的第二次時鐘同步；
[0020]其中，從站的第一次時鐘同步是粗略同步，從站的第二次時鐘同步是精確同步；
[0021]其中，數(shù)據幀傳輸?shù)倪^程中，時間戳會加上從站的片內延時;時間戳內記錄數(shù)據幀到達端口的時間信息和該數(shù)據幀離開端口的本地時間信息;離開端口的本地時間為從站收到數(shù)據幀與發(fā)出數(shù)據幀之間的片內延時。
[0022]優(yōu)選地，在上述工業(yè)以太網斷線故障情況下，所述步驟(i)中，主站根據從站返回的數(shù)據幀獲取從站傳輸延時并對從站進行時鐘調整的方法具體如下:
[0023]當主站第一端口出現(xiàn)斷線故障，則從主站第二端口發(fā)送相同的數(shù)據幀，由主站第二端口至從站的反向傳輸方向流過所有從站，根據各從站的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據該傳輸延時進行從站的時鐘同步調整；
[0024]當主站第二端口出現(xiàn)斷線故障，根據主站第一端口收到的返回幀的時間戳，獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據該傳輸延時進行從站的時鐘同步調整；
[0025]當從站端口發(fā)生斷線故障，則在主站第一端口在收到返回幀后，從主站第二端口發(fā)送增強幀;再由主站第一端口根據該增強幀對應的返回幀的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據該傳輸延時進行從站的時鐘同步調整;其中，增強幀用于準確獲取從站與參考從站間的傳輸延時。
[0026]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網時鐘同步恢復的方法中，在主站上外接帶有網口與PCIe接口的協(xié)處理器進行故障檢測和時鐘同步恢復，以增強實時性，將對斷線故障的響應時間控制在Ims之內。
[0027]優(yōu)選地，上述工業(yè)以太網時鐘同步恢復的方法中，所有從站均關閉發(fā)送端與接收端的自動協(xié)商功能。
[0028]總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0029](I)本發(fā)明提出的工業(yè)以太網斷線故障檢測的方法，通過接收到的端口返回幀狀態(tài)和端口超時參數(shù)狀態(tài)，定位判斷斷線故障所在端口，具有簡單高效的特定；
[0030](2)本發(fā)明提出的工業(yè)以太網時鐘同步恢復的方法，通過實時處理各從站的返回幀獲取傳輸時延;其優(yōu)選方案通過實時處理增強幀以及外接協(xié)處理器進行故障檢測和時鐘同步恢復，將系統(tǒng)對斷線故障的響應控制在Ims之內，進一步提高了時鐘同步恢復的實時性。
【附圖說明】
[0031]圖1是實施例采用的N2CC端口示意圖；
[0032]圖2為實施例中端口超時參數(shù)計算示意圖；
[0033]圖3為實施例中主站端口A斷線或松動示意圖；
[0034]圖4為實施例中主站端口B斷線或松動示意圖；
[0035]圖5為實施例中的工業(yè)以太網冗余連接示意圖。
【具體實施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0037]實施例所提供的工業(yè)以太網的斷線故障檢測及時鐘同步恢復方法，所基于的網絡環(huán)境為:主站采用帶有UbuntuH操作系統(tǒng)的PC機，主站采用NCUC2.0系統(tǒng)，從站節(jié)點采用帶有DC (分布式時鐘)和N2CC的3個I/O從站組成冗余連接系統(tǒng)。如圖1所示，從站芯片接收端Rx和發(fā)送端Tx選定，經過的Pdu(從站處理單元)順序決定了從站在系統(tǒng)中的邏輯順序，當斷線故障發(fā)生時，從站的邏輯順序不發(fā)生改變。
[0038]如圖2所示，在本實施例中，主站和從站節(jié)點冗余連接，測得to = 240ns，tl =280ns，t2 = 288ns，D1 = Ons，D2 = 344ns，D3 = 356ns;其中，tO是指第一從站片內延時，tl是指第二從站片內延時，t2是指第三從站片內延時;Dl、D2、D3分別是指三個從站與參考從站間的傳輸延時;實施例中，超時參數(shù)設定為100ns。
[0039]如圖3所示，當主站與第一從站間出現(xiàn)斷線故障時，主站經過端口超時參數(shù)所設定的時間收到返回幀，并將此返回幀從第二端口重新發(fā)出，發(fā)出的數(shù)據幀負向流過所有從站，主站第二端口收到返回幀并根據時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據該傳輸延時對從站進行時鐘同步。
[0040]如圖4所示，當?shù)谝粡恼九c第二從站間出現(xiàn)斷線故障時，檢測到從站I的端口I超時參數(shù)開啟，且主站端口A和端口B收到的數(shù)據幀情況，判斷從站O與從站I之間發(fā)生斷線故障，等待I OOOns，數(shù)據幀從從站端口 O發(fā)送返回幀；
[0041]當主站網口A收到返回幀，則將增強幀從網口B發(fā)出，根據增強幀的返回幀獲取傳輸延時，實現(xiàn)3個從站時鐘同步。
[0042]圖5所示，是實施例中的工業(yè)以太網冗余連接示意圖，其主站上外接有協(xié)處理器，該協(xié)處理器帶有網口與PCIe接口，輔助主站進行故障檢測和時鐘同步恢復;通過硬件處理，可增強實時性，將對斷線故障的響應時間控制在Ims之內。
[0043]將本發(fā)明所提供的故障檢測與時鐘同步恢復方法應用到具體的工業(yè)以太網中，在出現(xiàn)斷線故障時，可在Ims內可以完成約1000個從站的斷線故障響應，可滿足工業(yè)以太網斷線故障檢測與時鐘同步恢復的高實時性要求。與互聯(lián)網設備斷線后的響應恢復時間的實時性比較而言，本發(fā)明具有實時性方面的優(yōu)勢，可以很好地應用于高實時性的工業(yè)現(xiàn)場。
[0044]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種工業(yè)以太網的斷線故障檢測方法，基于一個由主站與若干從站構成的工業(yè)以太網系統(tǒng);其特征在于，包括如下步驟: (1)對各從站端口設定端口超時參數(shù)；當斷線故障發(fā)生時，等待超時參數(shù)所設定的時間后，從站向主站發(fā)送返回幀； (2)判斷主站第一端口是否收到返回幀，若否，則判定為數(shù)據幀丟失，發(fā)生斷線故障;若是，則根據主站第一端口接收到的返回幀里的ST標識判斷數(shù)據幀所經過的從站的信息； (3)根據主站第二端口是否接收到返回幀，判定數(shù)據幀正向傳輸是否正常。2.如權利要求1所述的斷線故障檢測方法，其特征在于，在所述步驟(3)后還包括如下步驟:根據主站第一端口與第二端口接收到返回幀的情況，及從站端口超時參數(shù)啟用狀態(tài)，判定斷線故障點； 當主站第一端口與第二端口均未收到返回幀，判定為主站第一端口出現(xiàn)斷線故障； 當主站第一端口接收到返回幀，但從ST標識獲取到的從站數(shù)目錯誤，且主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第一端口與第二端口之間的從站端口發(fā)生斷線故障； 當主站第一端口接收到返回幀，且從ST標識獲取到的從站數(shù)目無誤，但主站第二端口未收到返回幀，則判定主站第二端口發(fā)生斷線故障； 當主站第一端接收到返回幀，且從ST標識獲取到的從站數(shù)目無誤，且主站第二端口收到返回幀，則判定網絡無斷線故障。3.如權利要求1或2所述的斷線故障檢測方法，其特征在于，所述從站端口的超時參數(shù)為從站端口兩次收到主站發(fā)送的數(shù)據幀之間的累積片內延時與傳輸延時之和。4.一種工業(yè)以太網的時鐘同步恢復方法，其特征在于，包括如下步驟: (i)主站發(fā)送帶時間戳的數(shù)據幀；當所述數(shù)據幀到達各從站時，由從站記錄時間戳;主站根據從站返回的數(shù)據幀獲取從站的傳輸延時，根據所述傳輸延時對各從站進行時鐘調整，實現(xiàn)從站的第一次時鐘同步； (ii)主站在發(fā)送的數(shù)據幀內對從站寫入補償因子，各從站根據所述補償因子進行漂移補償與偏移補償，實現(xiàn)從站的第二次時鐘同步。5.如權利要求4所述的時鐘同步恢復方法，其特征在于，當工業(yè)以太網發(fā)生斷線故障時，所述步驟(i)中，主站根據從站返回的數(shù)據幀獲取從站傳輸延時并對從站進行時鐘調整的方法具體如下: 當主站第一端口出現(xiàn)斷線故障，則從主站第二端口發(fā)送相同的數(shù)據幀，由主站第二端口至從站的反向傳輸方向流過所有從站，根據各從站的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據所述傳輸延時進行從站的時鐘同步調整； 當主站第二端口出現(xiàn)斷線故障，根據主站第一端口收到的返回幀的時間戳，獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據所述傳輸延時進行從站的時鐘同步調整； 當從站端口發(fā)生斷線故障，則在主站第一端口在收到返回幀后，從主站第二端口發(fā)送增強幀;再由主站第一端口根據該增強幀對應的返回幀的時間戳獲取各從站與參考從站間的傳輸延時，主站根據所述傳輸延時進行從站的時鐘同步調整。6.如權利要求5所述的時鐘同步恢復方法，其特征在于，在主站上外接帶有網口與PCIe接口的協(xié)處理器進行時鐘同步恢復，將對斷線故障的響應時間控制在Ims之內。7.如權利要求6所述的時鐘同步恢復方法，其特征在于，所有從站均關閉發(fā)送端與接收端的自動協(xié)商功能。
【文檔編號】H04L12/24GK105847050SQ201610167903
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】陳吉紅, 華臻, 吳棋, 楊立志, 方凡濤, 肖佩, 王軼鍇
【申請人】華中科技大學