ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР ДЛЯ СЕТЕЙ ETHERNET POWERLINK

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области промышленных систем связи реального времени и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании устройств управления, распределенных систем ввода/вывода, электроприводов, модульных реконфигурируемых роботов.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известны сетевые концентраторы и коммутаторы для сетей Ethernet [Loeser J. et al. Low-latency hard real-time communication over switched Ethernet / Proceedings. 16th Euromicro Conference on Real-Time Systems, 2004. - ECRTS 2004. - IEEE, 2004, pp. 13-22; Marau R. et al. Enhancing real-time communication over cots ethernet switches / WFCS, 2006, V. 6, рр. 295-302]. Стандарт IEEE 61158 допускает использование обоих типов устройств для коммутации узлов и ретрансляции пакетов в сетях реального времени Ethernet POWERKINK.
Недостатком известных коммутаторов для сетей Ethernet в Ethernet POWERLINK являются высокие задержки при ретрансляции каждого пакета, которые составляют до 121 мкс [Loeser J. et al. Low-latency hard real-time communication over switched Ethernet / Proceedings. 16th Euromicro Conference on Real-Time Systems, 2004. - ECRTS 2004. - IEEE, 2004, pp. 13-22] и связаны с необходимостью декодирования заголовка Ethernet пакета. Недостатком известных концентраторов являются невозможность организации топологий, содержащих кольцевые связи и дублированные соединения между концентраторами, что ограничивает возможности повышения отказоустойчивости сетей на их основе. Общим недостатком концентраторов и коммутаторов является невозможность определения, какие из узлов Ethernet POWERLINK подключены непосредственно к ним, что не позволяет автоматически определять текущую топологию в сети и ограничивает возможности применения данных устройств при создании информационных сетей модульных реконфигурируемых роботов.
Раскрытие сущности полезной модели
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению указанных недостатков уровня техники.
Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении задержек ретрансляции пакетов Ethernet POWERLINK не более 2 мкс, возможности построения функционирующих сетей Ethernet POWERLINK с топологиями, включающими кольцевые связи и дублированные соединения между полезными моделями, и возможности автоматического определения текущей топологии сети Ethernet POWERLINK.
Технический результат достигается тем, что интеллектуальный концентратор для сетей Ethernet POWERLINK включает в себя несколько микросхем физического уровня Ethernet, входы которых являются входами для подключения сетей Ethernet к интеллектуальному концентратору для сетей Ethernet POWERLINK, а выходы микросхем физического уровня Ethernet подключены к десериализаторам Ethernet, выходы которых подключены к приоритетному селектору, выход данных которого подключен к детектору пакетов Ethernet POWERLINK и буферу входящих пакетов, а также является выходом для подключения внешнего приемного устройства интеллектуального концентратора для сетей Ethernet POWERLINK, при этом выход детектора пакетов Ethernet POWERLINK подключен к блоку оценки межпакетных интервалов, к которому также подключен выход номера активного порта приоритетного селектора, а выход блока оценки межпакетных интервалов является выходом интеллектуального концентратора для сетей Ethernet POWERLINK, причем выход буфера входящих пакетов подключен к блоку отправки пакетов, выход которого подключен к селектору исходящих пакетов, второй вход которого подключен к входу внешнего передатчика интеллектуального концентратора для сетей Ethernet POWERLINK, а выход подключен к сериализатору Ethernet, выход которого подключен к входу коммутатора сигналов передатчика, второй вход которого подключен к выходу номера активного порта приоритетного селектора, а выходы подключены к входам микросхем физического уровня Ethernet, выходы которых являются выходами для подключения сетей Ethernet интеллектуального концентратора для сетей Ethernet POWERLINK.
Указанные признаки полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
Описание чертежей и осуществление полезной модели
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемой полезной модели. Она содержит микросхемы физического уровня Ethernet 1, десериализатор Ethernet 2, приоритетный селектор 3, детектор пакетов Ethernet POWERLINK 4, блок оценки межпакетных интервалов 5, буфер входящих пакетов 6, блок отправки пакетов 7, коммутатор сигналов передатчика 8, сериализатор Ethernet 9, селектор исходящих пакетов 10.
Работает устройство следующим образом. Входящий пакет поступает на одну из микросхем физического уровня Ethernet 1 и по интерфейсу Reduced Media Independent Interface (RMII) передается на соответствующей ей десериализатор Ethernet 2. Выходы всех десериализаторов Ethernet 2 поступают на приоритетный селектор 3, который имеет два состояния «ожидание» и «ретрансляция». Приоритетный селектор 3 находится в режиме «ожидание» до поступления данных нового пакета с одного из десериализаторов Ethernet 2, далее десериализатор Ethernet 2, с которого пришел пакет, выбирается как активный, и приоритетный селектор 3 переходит в режим «ретрансляция». Если данные новых пакетов поступили одновременно с нескольких десериализаторов Ethernet 2, то активным выбирается тот десериализатор Ethernet 2, который имеет наибольший порядковый номер. В режиме «ретрансляция» приоритетный селектор 3, ретранслирует данные активного десериализатора Ethernet на вход детектора пакетов Ethernet POWERLINK 4, на выход интеллектуального концентратора для сетей Ethernet POWERLINK, а также записывает в буфер входящих пакетов 6, начиная с 9 байта. После завершения обработки данных пакета, поступающих с активного десериализатора Ethernet, приоритетный селектор 3 переходит в режим «ожидание». Если к этому моменту еще продолжается прием пакетов с других десериализаторов Ethernet 2, кроме активного, то до окончания приема ни один из этих десериализаторов Ethernet 2 не будет выбран как активный, а приоритетный селектор 3 не перейдет в режим «ретрансляция» для ретрансляции получаемых с этих десериализаторов Ethernet 2 данных. Детектор пакетов Ethernet POWERLINK 4 определяет, является ли пакет, данные которого поступают с активного десериализатора Ethernet, пакетом PollRequest или PollResponse стандарта Ethernet POWERLINK версии 2.0, и передает эту информацию на блок оценки межпакетных интервалов 5. Блок оценки межпакетных интервалов 5 измеряет интервал времени между пакетом PollRequest и соответствующим ему пакетом PollResponse и сравнивает его с заданным пороговым значением. Если измеренный интервал оказывается меньше заданного порога, то на выходе предлагаемого интеллектуального концентратора для сетей Ethernet формируется сигнал о том, что узел Ethernet POWERLINK, приславший последний пакет PollResponse, подключен непосредственно к микросхеме физического уровня Ethernet 1, связанной с активным десериализатором Ethernet без промежуточных коммутаторов и концентраторов. Данные о порядковом номере активного десериализатора поступают на вход блока оценки межпакетных интервалов 5 из соответствующего выхода приоритетного селектора 3. Первые 8 байт буфера входящих пакетов 6 содержат преамбулу Ethernet пакета. Данные, поступающие с приоритетного селектора 3, записываются в буффер входящих пакетов 6, начиная с 9-го байта. Вычитка данных блоком отправки пакетов 7, включая премабулу Ethernet, хранящуюся в первых 8 байтах, из буфера входящих пакетов 6, начинается через 24 цикла приема пакета активным десериализатором по протоколу RMII и продолжается параллельно с записью данных в буфер входящих пакетов 6 до тех пор, пока не будут вычитаны все данные, поступившие от приоритетного селектора 3 за один цикл его нахождения в режиме «ретрансляция». Селектор исходящих пакетов 10 осуществляет коммутацию входа сериализатора Ethernet 9 на один из двух источников данных: выход блока отправки пакетов 7 и вход внешнего передатчика интеллектуального концентратора для сетей Ethernet. Селектор исходящих пакетов 10 переключает свой выход на тот вход, с которого раньше начали поступать данные отправляемого пакета и не меняет направление коммутации до завершения отправки Ethernet пакета. В случае, если данные начали поступать на селектор исходящих пакетов 10 одновременно с обоих входов, приоритет отдается входу внешнего передатчика интеллектуального концентратора для сетей Ethernet. Выход сериализатора Ethernet 9 представляет из себя интерфейс RMII, который при помощи коммутатора сигналов передатчика 8 распределяется на все микросхемы физического уровня Ethernet 1, кроме той, которая связана с активным десериализатором. Входы и выходы стандарта Ethernet микросхем физического уровня Ethernet 1 являются входами и выходами предлагаемого интеллектуального концентратора для сетей Ethernet.
Работоспособность полезной модели была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата. Предложенное устройство было реализовано при помощи отладочной платы Terasic DEO-Nano на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) Altera Cyclon IV и четырех микросхем физического уровня Ethernet Microchip LAN8720. На макете было проведено несколько экспериментов.
Схема подключения оборудования в первом эксперименте представлена на фиг. 2. Фиг. 2 содержит следующие обозначения: 11 - ведущее устройство сети Ethernet POWERLINK на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) B&R Х20СР1485-1; 12 - 8-ми портовый концентратор B&R 0АС8080; 13 - интеллектуальный концентратор для сетей Ethernet (в соответствии с настоящей полезной моделью); 14 - блоки дискретных входов/выходов с интерфейсом Ethernet POWERLINK; 15 - блок измерения временных параметров Ethernet POWERLINK B&R Х20ЕТ8819.
В ходе эксперимента фиксировались и анализировались временные параметры информационного обмена в сети Ethernet POWERLINK, включающей предлагаемый в настоящей полезной модели интеллектуальный концентратор для сетей Ethernet. После загрузки ведущего устройства сети Ethernet POWERLINK на базе ПЛК 11 между ним и блоками дискретных входов/выходов с интерфейсом Ethernet POWERLINK 14 был установлен циклический информационный обмен, что говорит о роботоспособности используемого в полезной модели механизма ретрансляции пакетов. Период времени между пакетами PollResponse и соответствующими им пакетами PollRequest, зарегестрированный при помощи блока измерения временных параметров Ethernet POWERLINK 15, варьировался в диапазоне 8000-8040 нс для блока дискретных входов/выходов с интерфейсом Ethernet POWERLINK 14, подключенного к 8-ми портовому концентратору B&R 0АС8080 12, и в диапазоне 10380-10420 нс для блока дискретных входов/выходов с интерфейсом Ethernet POWERLINK 14, подключенного к интеллектуальному концентратору для сетей Ethernet 13. Разница между измеренными временами задержки представляет двухкратную задержку ретрансляции пакетов Ethernet POWERLINK полезной модели. Таким образом, можно сделать вывод, что задержка ретрансляции пакетов Ethernet POWERLINK полезной модели варьируется в диапазоне 1,17-1,21 мкс, что говорит о достижении соответствующего технического результата.
Во втором и третьем экспериментах было задействовано четыре идентичных макета предлагаемого в настоящей полезной модели интеллектуального концентратора для сетей Ethernet, которые были подключены в топологиях, включающих кольцевые связи и дублированные соединения между указанными интеллектуальными концентраторами. Топологии подключения, использованные во втором и третьем экспериментах представлены на фиг. 3 и фиг. 4 соответственно. Фиг. 3 и фиг. 4 содержат следующие обозначения: 11 - ведущее устройство сети Ethernet POWERLINK на базе ПЛК B&R Х20СР1485-1; 13 - интеллектуальный концентратор для сетей Ethernet (в соответствии с настоящей полезной моделью). Во втором и третьем экспериментах на базе ПЛИС макетов предлагаемого интеллектуального концентратора для сетей Ethernet были реализованы подчиненные устройства Ethernet POWERLINK [патент RU185051 U1, опубл. 19.11.2018], которые были подключены к входам/выходам предлагаемого интеллектуального концентратора для сетей Ethernet и передавали на ведущее устройство сети Ethernet POWERLINK на базе ПЛК информации о том, какие из узлов Ethernet POWERLINK подключены к какому макету интеллектуального концентратора для сетей Ethernet.
По результатам второго и третьего эксперимента все макеты интеллектуального концентратора для сетей Ethernet успешно функционировали в сетях Ethernet POWERLINK, топологии которых включали кольцевые связи и дублированные соединения между указанными интеллектуальными концентраторами, а совокупность данных о взаимных подключениях, полученных от указанных интеллектуальных концентраторов, была достаточной для автоматического определения использованной топологии сети Ethernet POWERLINK.
Совокупность результатов всех проведенных экспериментов говорит о том, что использование предлагаемой полезной модели позволило обеспечить задержки ретрансляции пакетов Ethernet POWERLINK не более 2 мкс, возможность построения функционирующих сетей Ethernet POWERLINK с топологиями, включающими кольцевые связи и дублированные соединения между полезными моделями, возможность автоматического определения текущей топологии сети Ethernet POWERLINK, что говорит о достижении заявленного технического результата.