一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法，解决的是EPA以太网不能实时与时间敏感网络连接构建快速通道的技术问题，通过采用包括EPA端点设备、TSN端点设备；所述EPA端点设备通过TSN适配器通信连接有TSN桥接设备，所述TSN桥接设备连接TSN端点设备；TSN适配器接收来自TSN桥接设备的主时钟下发的时间数据，并在接收或传输时钟同步数据过程中添加时间戳完成时钟同步；TSN桥接设备用于提供时间同步、低延迟、低抖动和流带宽保证的技术方案，较好的解决了该问题，可用于EPA工业技术中。

An EPA industrial bus and time sensitive network adaptation system and method

【技术实现步骤摘要】
一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法
本专利技术涉及工业网络领域，具体涉及一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法。
技术介绍
工厂自动化领域基于以太网优势的基础上开始研制并应用实时通信，开始对如各类实时以太网技术的实时性进行比较分析，每个技术都有自身优点和缺点，但都有一个共同点，大部分标准都是专有性的解决方案，即通过在硬件或软件协议栈中修改标准以太网，以满足实时性要求。IEEE决定开发实时以太网音视频桥接标准(AVB)。AVB提出的解决方案主要应用在娱乐领域传输音频和视频数据，使用CBS、流预留和时钟同步机制实现A类和B类数据传输的最大延迟为毫秒级保证。其关键技术优势也同时促进着工业自动化领域的发展，为满足不同类型的需求，成立TSN工作组并开始着力于推进标准化工作，进一步提出满足工业通信需求的功能机制，其主要目的是再次将数据传输最大延迟降到微秒级。802.1Qbv时间感知调度(TAS)提出一种时间触发方法，利用驱动程序对交换机转发过程中交换端口数据进行优先级排序，以及802.1Qbu帧抢占机制，高优先级中断低优先级帧的传输，从而交换机中高优先级和关键以太网帧的延迟达到最小。同时为保证这些机制的实现，使用802.1Qca路径控制预留和802.1QccSRP增强，依靠驱动控制程序的802.1AS-rev时间敏感应用的定时与同步也起着重要的作用。为支持容错特性，TSN工作组还提出了802.1CB流的冗余，帧复制和消除，即增强可靠性。以太网工业总线(EthernetforPlantAutomation，EPA)，基于分时发送和优先级调度的特性机制。EPA把现场工业数据流量分成周期性与非周期性流量进行传输，保证了系统间通信的确定性与实时性。对于OT与IT数据融合的需求，EPA与其他实时以太网在网络通信上存在着总线复杂性、数据类型多样性、实时性等障碍，为了实现同多媒体数据链路相同的高精确和高稳定性链路质量目标，现已发布的时间敏感网络(TSN)标准用于实现高速虚拟局域网中多媒体数据和实时以太网数据满足低抖动、低时延和确定性传输。与其他的分布式系统一样，EPA相关的节点在使用这种TSN标准中，直接在节点上运行的TSN标准是需要在其系统中安装支持完整TSN的协议栈，且现有的EPA端点设备也缺少必要的TSN服务和与TSN兼容性问题。本专利技术提供一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统及方法，用于EPA桥接适配TSN，能够解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中存在的EPA以太网不能实时与时间敏感网络连接构建快速通道的技术问题。提供一种新的EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，该EPA工业总线与时间敏感网络适配系统具有EPA以太网能够实时与时间敏感网络连接构建快速通道、不同总线协议数据在一个链路进行传输、带宽效率利用好的特点。为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，所述EPA工业总线与时间敏感网络适配系统包括EPA端点设备、TSN端点设备；所述EPA端点设备通过TSN适配器通信连接有TSN桥接设备，所述TSN桥接设备连接TSN端点设备；TSN适配器接收来自TSN桥接设备的主时钟下发的时间数据，并在接收或传输时钟同步数据过程中添加时间戳完成时钟同步；TSN桥接设备用于提供时间同步、低延迟、低抖动和流带宽保证。本专利技术的方案：本专利技术的EPA工业总线与时间敏感网络适配系统包括TSN端点设备、TSN适配器、TSN桥接设备和EPA端点设备，其中TSN桥接设备为网络控制和音视频数据提供时间同步、低延迟、低抖动和保证流带宽的预留的能力。TSN是新一代AVB，向后兼容AVB。每个TSN端点设备是能够支持多种TSN相关IEEE标准的。支持TSN标准的多个TSN端点设备共同组成一个TSN域。不支持TSN服务的EPA端点设备在TSN域之外，前述EPA端点设备包括支持EPA协议的嵌入式设备、PC、EPA交换机、EPA网桥、EPA集线器、EPA现场传感器或者执行器等。为保证这些EPA设备原有的服务质量标准，并使这些EPA设备能够汇入TSN网络中并于TSN域中设备进行通信，本专利技术使用TSN适配器。TSN适配器接收来自TSN域中桥接设备主时钟的下发的时间，并在接收或传输时钟同步数据过程中加上时间戳，确保时钟同步。若当EPA端点设备需要与远程EPA设备进行通信时，经过TSN适配器，映射EPA数据帧，使得EPA数据能够在TSN域中进行转发调度。当从TSN域中流出的封装成TSN格式的数据帧时，经过TSN适配器去除掉VLAN标记的帧，使目地EPA端点设备能够识别的EPA帧字段。上述方案中，为优化，进一步地，所述EPA工业总线接入时间敏感网络的数据帧格式包括标准以太网帧格式和标签，标签用于识别区分协议，以及识别区分VLAN和非VLAN数据帧。本专利技术在MAC目标地址中定义EPA域，并与TSN域进行区分，通过目的MAC地址和VLANID来确定唯一的单向流的物理路径，确定传输所需要的时间窗口。MAC源地址后面的802.1Q标签中，TPID代表标签协议标识符，用来标识是否为VLAN和非VLAN数据帧，这里的值是0x8100。TCI代表标签控制信息，包括了3bit的EPA映射后的优先级PCP，这里取值为0～7；1bit的CFI表示是否为规范格式；12bit的VLANID指明VLAN的ID，这里能够使用4096个VLAN域；第四个字段指出以太网协议类型，EPA采用向IEEE注册分配的(0x88CB)特定值来标识是EPA报文；第五个字段是上一层的数据下发成的帧；第六个字段冗余校验是用于校验差错的循环冗余码。进一步地，所述TSN适配器包括计算处理单元、存储器、软件系统、控制应用程序及系统内核、媒体访问控制器、物理层设备以及通信模块接口；所述媒体访问控制器通过MII接口耦合连接到物理层设备；所述通信模块接口与EPA工业总线进行数据通信；所述物理层设备通过时间戳完成EPA端点设备与TSN设备之间保持时间同步。进一步地，所述系统内核包括定时与同步API接口、数据流API接口、TSN驱动API接口、EPA协议栈、TSN协议栈、用户配置管理API接口；所述媒体访问控制器包括微处理器、VLAN标签硬件、TSN控制状态机、QoS引擎以及MAC合并子层。硬件通过总线相互连接，并通过PCI接口线路与MAC控制器进行数据交换，数据链路层采用带有VLAN字节的标准以太网协议，具有对关键性的时间敏感网络数据优先级标记，实现带宽预留、精准时钟同步、流量控制以及连接管理和控制的TSN适配器的硬件，当接收来自EPA端点设备发来的数据时，根据控制应用程序配置的VLAN标记，对EPA数据帧添加VLAN标记，其中优先级通过MAC合并子层提取源端点设备发来的数据优先级，通过映射算法构成TSN域中适配的帧结构。因此，在EPA域与TSN域的适配模式中，EPA端点设备与TSN适配器进行数据交互以使接入的EPA协议数据支持TSN相关功能。进而通过TSN适配器将EPA传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，其特征在于：所述EPA工业总线与时间敏感网络适配系统包括EPA端点设备、TSN端点设备；所述EPA端点设备通过TSN适配器通信连接有TSN桥接设备，所述TSN桥接设备连接TSN端点设备；/nTSN适配器接收来自TSN桥接设备的主时钟下发的时间数据，并在接收时钟同步数据或传输时钟同步数据过程中添加时间戳完成时钟同步；/nTSN桥接设备用于提供时间同步、低延迟、低抖动和流带宽保证。/n

【技术特征摘要】
1.一种EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，其特征在于：所述EPA工业总线与时间敏感网络适配系统包括EPA端点设备、TSN端点设备；所述EPA端点设备通过TSN适配器通信连接有TSN桥接设备，所述TSN桥接设备连接TSN端点设备；
TSN适配器接收来自TSN桥接设备的主时钟下发的时间数据，并在接收时钟同步数据或传输时钟同步数据过程中添加时间戳完成时钟同步；
TSN桥接设备用于提供时间同步、低延迟、低抖动和流带宽保证。


2.根据权利要求1所述的EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，其特征在于：所述EPA工业总线的数据帧格式包括标准以太网帧格式和标签，标签用于识别区分协议，以及识别区分VLAN和非VLAN数据帧。


3.根据权利要求2所述的EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，其特征在于：所述TSN适配器包括计算处理单元、存储器、软件系统、控制应用程序及系统内核、媒体访问控制器、物理层设备以及通信模块接口；
所述媒体访问控制器通过MII接口耦合连接到物理层设备；
所述通信模块接口与EPA工业总线进行数据通信；
所述物理层设备通过时间戳完成EPA端点设备与TSN设备之间保持时间同步。


4.根据权利要求3所述的EPA工业总线与时间敏感网络适配系统，其特征在于：所述系统内核包括定时与同步API接口、数据流API接口、TSN驱动API接口、EPA协议栈、TSN协议栈、用户配置管理API接口；
所述媒体访问控制器包括微处理器、VLAN标签硬件、TSN控制状态机、QoS引擎以及M...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，李育桐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50