工业以太网的通信网络的动态重构方法及系统技术方案

本发明专利技术提供的工业以太网的通信网络的动态重构方法,包括区域划分，将FPGA划分为静态区域和重构区域，其中，静态区域至少包括重构主机以及重构控制模块；重构辨识，辨识当前网络中的通信协议；重构规划，将辨识结果与协议类型进行映射，产生协议标志，若与设备当前协议不一致，启动重构，获取重构配置文件；重构配置，配置FPGA的模式，建立外部动态配置文件库；重构评估，主站设备以重构设备是否能建立与主站的通信，来对本次重构结果进行评估，判断重构结果是否满足系统需求；本发明专利技术根据当前网络中的通信的以太网帧能正确的区分出网络中的协议，从而触发对重构区域的重配置，缩短了单次重构时间，并且减少了在线资源的开销。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种工业以太网的通信网络的动态重构方法及系统。
技术介绍
现场总线技术一直都是工业控制技术的重要组成部分，随着现场通信的数据量急速增长，以及现场总线互联、互通与互操作性等问题难以解决，所以现场总线需要寻求新的决方案。以太网有着开放性好、应用广泛、价格低廉以及通信速率高等特点，但是其采用的CDMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波监听多路访问及冲突检测)机制带来了传输延迟的不确定性，不能满足工业网络的实时性要求，为了将其应用到工业领域，必须进行改造，各大商家纷纷提出了自己的工业以太网，给出了实时性的技术解决方案。目前，基于实时以太网的高速现场总线标准主要有Powerlink、EtherCAT、SERCOS、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT、MECHATROLINK等，其中Powerlink以及EtherCAT就是主流工业以太网的代表，它们都对以太网协议层次进行简化，并且修改了以太网的数据链路层，避免了报文冲突，简化通信数据处理，达到了实时性的要求。Powerlink和EtherCAT具有相似性，也有不同的地方，对于物理层，它们可采用与普通以太网相同的收发器及其他的物理层器件，对于应用层，两者也没有什么差别，同样使用CANOPEN等应用层协议，两者主要的差别在于对数据链路层通信机制的修改。在实际的工业以太网系统中，可能存在不同的通信协议。利用Powerlink和EtherCAT的特点，可使单一
设备同时支持这两种通信协议，增强其可复用性和互换能力，提升其使用便捷性。为了达到上述目的，目前有两种解决方法：一种是通过硬件实现静态全局重构，另一种是通过软件冗余实现协议切换。静态全局重构将整体的工程文件烧写到外部存储器当中，每次需要重构时，都需要对器件的整体进行重构，造成了器件资源的浪费以及重构时间的增加，并且还需要一个外部的重构控制器，增加了电路设计复杂度。软件冗余的方式是将所有通信协议都放到一起，通过链路检测协议类型，实现协议切换。但随着协议数量的增多，硬件资源和软件资源也会成倍增加，所以这种方式造成了极大的资源浪费，因此，亟需一种新的工业以太网的通信网络的重构方法，在能够正确的识别当前网络中的协议并实现稳定的配置的基础上，提高重配置的速度，同时减少在线资源的浪费。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种工业以太网的通信网络的动态重构方法及系统，以解决上述问题。本专利技术提供的工业以太网的通信网络的动态重构方法，包括a.区域划分，将FPGA划分为静态区域和重构区域；b.重构辨识，通过所述静态区域对当前网络中的通信协议进行检测识别；c.重构配置，配置FPGA的模式，选择扩展的外部存储器，存放动态配置文件,建立动态配置文件资源库；进行重构时,静态区域通过存储器控制模块与扩展外部存储器进行数据交互，获得重构的动态配置文件；d.重构规划，根据重构辨识结果，进行协议映射，产生协议标志，若该协议标志与设备中的协议不一致，则发起重构请求，同时发送重构时钟信号，重构主机确认重构控制模块准备完成后，开始从外部存储器中读取第一个数据，并在之后每个重构时钟周期下降沿到来之前，依次读取数据，重复上述步骤直至重构完成；e.重构评估，根据主站设备是否能与重构设备建立通信，对本次重构结果
进行评估，判断重构结果是否满足系统需求。进一步，所述静态区域包括检测模块，用于检测并识别当前网络中的通信协议；重构控制模块，用于重构控制和CRC校检；重构主机模块，用于与外部存储器通信、发起重构请求以及对重构区域的重新配置；协议物理层驱动模块，对物理层接口的接口信号进行连接及处理；协议应用层实现模块，用于实现CANOPEN通信协定。进一步，步骤b具体包括s1.从站设备通过物理层接口的接收数据有效信号上升沿，判断通信帧的开始，接收数据有效信号由低电平变为高电平时，激活计数器；s2.建立数据缓存区，将物理层接口的连续两个四位接收数据拼接成一个字节数据，所述数据缓存区在每个系统时钟周期输出一个字节数据。s3.通过激活的计数器对每个系统时钟周期进行累加计数，对输出端的字节值按规约的对应协议类型进行标识，然后对UDP端口号字段进行标识。进一步，步骤c中，所述静态区域通过存储器控制模块与外部存储器之间进行数据通信，所述外部存储器存储有重构区域的配置文件，重构主机模块向外部存储器发送读取命令，同时将读取起始地址发送至存储器，所述外部存储器将数据按照重构时钟周期节拍传送至存储器控制块，然后通过重构主机模块存放至重构控制模块的数据总线。进一步，步骤d中，通过重构完成信号判断重构过程是否完成，当重构完成信号由高电平变成低电平时，表示重构过程完成。进一步，所述重构规划中，当通过重构控制模块发起重构请求时，冻结重构区域的局部输入信号，使重构区域的所有局部输入信号相同。进一步，步骤d中，当重构过程发生错误时，所述重构控制模块向重构主机模块发送重构错误信号，重构主机模块解除重构请求信号，错误信号保持二十个重构时钟周期，当错误信号由高电平变成低电平，重新发起重构请求信号；当重构请求信号解除后，所述重构控制模块向重构主机输出局部复位信号，将重构区域复位。本专利技术还提供一种工业以太网的通信网络的动态重构系统，包括将FPGA划分为静态区域和重构区域，所述静态区域包括检测模块，用于检测并识别当前网络中的通信协议；重构控制模块，用于重构控制和CRC校检；重构主机模块，用于与外部存储器通信、发起重构请求以及对重构区域的重新配置；协议物理层驱动模块，用于对物理层接口的接口信号进行连接及处理；协议应用层实现模块，用于实现CANOPEN通信协定；所述重构区域包括重构模块，所述重构模块用于以EtherCAT和Powerlink从站IP核构建数据链路层；将FPGA划分为静态区域和重构区域；通过所述静态区域对当前网络中的通信协议进行检测识别；配置FPGA的模式，选择扩展的外部存储器，存放动态配置文件,建立动态配置文件资源库；进行重构时,静态区域通过存储器控制模块与扩展外部存储器进行数据交互，获得重构的动态配置文件；根据重构辨识结果，进行协议映射，产生协议标志，若该协议标志与设备中的协议不一致，则发起重构请求，同时发送重构时钟信号，重构主机确认重构控制模块准备完成后，开始从外部存储器中读取第一个数据，并在之后每个重构时钟周期下降沿到来之前，依次读取数据，重复上述步骤直至重构完成；根据主站设备是否能与重构设备建立通信，对本次重构结果进行评估，判断重构结果是否满足系统需求。本专利技术的有益效果：本专利技术中的工业以太网的通信网络的动态重构方法，可以根据当前网络中的通信的以太网帧正确的区分出网络中的协议，从而触发对重构区域的重配置，并且将FPGA划分成静态区域与重构区域，进行重配置时，只需要配置重构区域的硬件逻辑，从而缩短了单次重构时间，提高重配置的速度，并且减少了在线资源的开销，避免了资源的浪费。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1是本专利技术的系统框架示意图。图2是本专利技术的流程示意图。图3是本专利技术的具体实施流程示意图。图4是本专利技术的检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业以太网的通信网络的动态重构方法,其特征在于：包括a.区域划分，将FPGA划分为静态区域和重构区域；b.重构辨识，通过所述静态区域对当前网络中的通信协议进行检测识别；c.重构配置，配置FPGA的模式，选择扩展的外部存储器，存放动态配置文件,建立动态配置文件资源库；进行重构时,静态区域通过存储器控制模块与扩展外部存储器进行数据交互，获得重构的动态配置文件；d.重构规划，根据重构辨识结果，进行协议映射，产生协议标志，若该协议标志与设备中的协议不一致，则发起重构请求，同时发送重构时钟信号，重构主机确认重构控制模块准备完成后，开始从外部存储器中读取第一个数据，并在之后每个重构时钟周期下降沿到来之前，依次读取数据，重复上述步骤直至重构完成；e.重构评估，根据主站设备是否能与重构设备建立通信，对本次重构结果进行评估，判断重构结果是否满足系统需求。

【技术特征摘要】
1.一种工业以太网的通信网络的动态重构方法,其特征在于：包括a.区域划分，将FPGA划分为静态区域和重构区域；b.重构辨识，通过所述静态区域对当前网络中的通信协议进行检测识别；c.重构配置，配置FPGA的模式，选择扩展的外部存储器，存放动态配置文件,建立动态配置文件资源库；进行重构时,静态区域通过存储器控制模块与扩展外部存储器进行数据交互，获得重构的动态配置文件；d.重构规划，根据重构辨识结果，进行协议映射，产生协议标志，若该协议标志与设备中的协议不一致，则发起重构请求，同时发送重构时钟信号，重构主机确认重构控制模块准备完成后，开始从外部存储器中读取第一个数据，并在之后每个重构时钟周期下降沿到来之前，依次读取数据，重复上述步骤直至重构完成；e.重构评估，根据主站设备是否能与重构设备建立通信，对本次重构结果进行评估，判断重构结果是否满足系统需求。2.根据权利要求1所述的工业以太网的通信网络的动态重构方法,其特征在于：所述静态区域包括检测模块，用于检测并识别当前网络中的通信协议；重构控制模块，用于重构控制和CRC校检；重构主机模块，用于与外部存储器通信、发起重构请求以及对重构区域的重新配置；协议物理层驱动模块，对物理层接口的接口信号进行连接及处理；协议应用层实现模块，用于实现CANOPEN通信协定。3.根据权利要求2所述的工业以太网的通信网络的动态重构方法,其特征在于：步骤b具体包括s1.从站设备通过物理层接口的接收数据有效信号上升沿，判断通信帧的开始，接收数据有效信号由低电平变为高电平时，激活计数器；s2.建立数据缓存区，将物理层接口的连续两个四位接收数据拼接成一个字节数据，所述数据缓存区在每个系统时钟周期输出一个字节数据。s3.通过激活的计数器对每个系统时钟周期进行累加计数，对输出端的字节值按规约的对应协议类型进行标识，然后对UDP端口号字段进行标识。4.根据权利要求2所述的工业以太网的通信网络的动态重构方法,其特征在于：步骤c中，所述静态区域通过存储器控制模块与外部存储器之间进行数据通信，所述外部存储器存储有重构区域的配置文件，重构主机模块向外部存储器发送读取命令，同时将读取起始地址发送至存储器，所述外部存储器将数据按照重构时钟周期节拍传送至存储器控制块...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟，赵亦欣，何飞，夏吴斌，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50