专利名称：工业物联网的无线网络确定性调度实现方法及确定性调度芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于工业无线传感器网络技术领域，具体涉及工业无线网络中确定性通信调度技术的一种芯片级硬件实现方法。
背景技术：
工业物联网已经成为工业控制领域发展的一个热门方向，也是工业自动化产品未来的新增长点。目前，工业无线标准制定成为工业无线技术竞争的焦点。在工业界，如果使用有线传感器网络，成本较高且实现起来困难，工业无线传感器网络的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。工业无线传感器网络以其低功耗，低成本的特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势。工业环境下建立具有高实时性，高可靠性的无线传感器网络已成为一个迫切的需求。 ISA100. Ila标准是开放的工业无线国际标准，主要应用于实时性监测、报警、预测控制、开环控制和闭环控制等工业领域，并确保能够提供安全可靠的操作。WIA-PA标准是基于IEEE802. 15. 4-2006标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统，它是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发JirelessHART标准是一个面向工业生产和应用的、开放的、可互操作的工业无线网络规范，能够很好地兼容有线HART。ISA100. 11a、WIA-PA和WirelessHART网络数据链路层的关键技术有确定性调度技术、时间同步技术和跳信道技术等。正如申请号为200810070000. 3，名称为工业无线网络的一种确定性调度通信的中国专利文中所指出的确定性调度技术是在相互竞争的用户之间分配通信资源，从而避免冲突，提高吞吐量和带宽利用率，解决现场设备间数据通信的确定性、可靠性和实时性等问题。由于确定性调度技术在工业无线网络中均是由软件代码实现，时间开销比较大、可移植性差、可靠性低。本发明针对以上缺点设计硬件调度表和硬件调度配置寄存器，提出确定性调度的硬件实现方法。目的在于提高工业无线网络的实时性和可靠性，增强工业无线网络的支持性。
发明内容
本发明根据工业无线网络的特点，提出了一种满足工业物联网芯片的无线网络确定性调度实现方法。本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种工业物联网芯片的无线网络确定性调度实现方法。该方法包括调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块判断新的时隙是否到来，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为当连续时隙数目为1，在该连续时隙段内完成指定的任务；如果不为1，则在该连续时隙段内完成指定的任务。根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。由时隙工作模式来决定调度表工作在ISA100. Ila、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100. Ila协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时 隙号为O的时隙所对应的绝对时隙号。本发明还设计一种工业物联网确定性调度芯片，包括确定性调度表模块、调度配置模块、缓存模块、调度算法模块、射频模块，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块配置调度表模块中调度表指针、时隙工作模式、硬件调度表的循环方式、硬件调度表的循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否休眠，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。本发明的硬件实现方法考虑到工业无线网络具有高实时性、低功耗的特点，硬件监测新时隙到来，根据用户配置的超帧结构控制整个网络的通信调度，处理速度快，降低了时间开销；用户可配置设备长期处于休眠状态，发送数据的周期比较短。因此本发明的硬件实现确定性通信调度，既满足了工业无线网络的高实时性又降低了网络的功耗。
图I硬件调度模块结构图；图2本发明确定性调度表项流程图；图3硬件实现调度配置表流程；图4硬件实现WIA-PA确定性调度实例图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细说明如图I所示本发明硬件调度模块结构图。本发明物联网确定性调度芯片包括调度表模块、调度配置模块和缓存模块等，调度算法模块、射频模块，通过调度配置模块对调度表模块进行配置和管理，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块控制射频模块对数据进行发送或者接收。以下具体描述硬件调度表模块、调度配置模块和缓存模块。I.调度表模块调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度表中的域包括起始时隙号、时隙长度、信道号、动作类型、动作模板发送/接收FIFO号。根据ISA100. 11a、WIA-PA和WirelessHART三个标准的数据链路层抽象确定性调度表，实现确定性调度的参数设置调度表模块，如表I所示，该表主要包括七项序号、起始时隙号、时隙长度、信道号、动作类型、动作模板和发送/接收FIFO号。 表I
发送/接收
序号起始时隙号时隙长度信道号动作类型动作模板
FIFO 号
_- ~2 ~3
~4
~5 6根据确定性通信调度建立调度表的相关表项，主要包括调度表项号(ScheduleSN)、起始时隙号(SlotStart)、时隙数目(SlotNum)、信道号(Channel)、动作类型(Action)、动作模板(ActionTemplate)和发送/接收缓存号(TX/RXFIF0)。调度表中的起始时隙号(SlotStart)表示本次动作开始的绝对时隙号以TAI时间来计算确定或相对时隙号；时隙数目(SlotNum)是指本次从起始时隙号开始连续的时隙个数，如果本次动作采用时分多址访问(TDMA)方式，则时隙数目为1，如果本次动作采用载波监听访问(CSMA)方式，则时隙数目根据网络容量来确定的。信道号表示本次动作所采用的信道，包括2. 4GHZ中的16个信道。动作类型表示该时隙或者时隙段的动作是发送、接收、发送/接收或者休眠。表2详细描述了调度表模块中的每个域的功能和占用位数。其中，序号表示该表中的每一行的标号；起始时隙号表不本次的起始时隙号。时隙号有绝对时隙号和相对时隙号两种表示方式，其中绝对时隙号是以国际原子时(TAI)时间来计算的；时隙长度表示从起始时隙号开始的连续时隙的个数，如果该数目为1，表示在该时隙内完成指定的任务，如果不为1，表示在上述连续时隙确定个数的多个连续的时隙内完成指定的任务；信道号表示该动作的频段，在2. 4GHZ的16个信道中进行选择；动作类型是指该表项的动作是发送、接收、发送/接收或者休眠；动作模板表示本次动作所采用的时隙模板，如果本次动作采用载波监听的方式则不使用时隙模板，如果本次动作采用时分多址的方式则采用相应的时隙模板。如果时隙长度不为1，采用冲突避免载波监听多路访问(CSMA-CA)的方式工作，如果时隙长度为1，采用时分多址(TDMA)的方式工作，在单个时隙内采用对应的时隙模板(timeslot template);发送/接收FIFO号表示该动作发送或接收所涉及的FIFO号。表权利要求
1.工业物联网芯片的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层技术参数，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块判断新的时隙是否到来，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。
2.根据权利要求I所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为当连续时隙数目为1，在该时隙内完成指定的任务；如果不为1，则在连续时隙段内完成指定的任务。
3.根据权利要求I所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。
4.根据权利要求I所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，由时隙工作模式来决定调度表工作在ISA100. 11a、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100. Ila协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。
5.根据权利要求I所述的确定性调度硬件实现方法，其特征在于，调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时隙号为O的时隙所对应的绝对时隙号。
6.一种工业物联网确定性调度芯片，其特征在于，包括确定性调度表模块、调度配置模块、缓存模块、调度算法模块、射频模块，调度表模块根据工业物联网标准的数据链路层技术参数，建立确定性调度表，描述调度表中的每个域的功能和占用位数，调度算法模块对数据优先级进行排序，并装载入缓存模块中，调度配置模块配置调度表模块中调度表指针、时隙工作模式、硬件调度表的循环方式、硬件调度表的循环周期、调度表中的起始时隙号方式、调度表诞生的名义绝对时隙号和空闲时隙是否休眠，当有新时隙到来，调度配置模块查询调度表，查看调度配置表中的指针指向的调度表项序号，对比该调度表项序号中的起始时隙号是否与新时隙号相匹配，如果匹配，则查看信道号并设置信道，查看该表项号中的时隙长度，根据连续时隙数目确定动作类型，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作，控制射频模块对数据进行发送或者接收。
7.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，所述根据连续时隙数目确定动作类型具体为当连续时隙数目为1，在该时隙内完成指定的任务；如果不为1，则在连续时隙段内完成指定的任务。
8.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，根据动作类型对缓存模块进行相应控制操作进一步包括如果类型为发送，则访问缓存模块，从指定的发送缓存TXFIFO中取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内将数据发送出去；如果类型为接收，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的接收缓存RXFIFO中；如果类型为发送/接收，查询TXFIFO中是否有待发送的数据，如果有，取出要发送的数据按照规定的时隙模板在规定的时间内发送出去，如果没有，则按照规定的时隙模板在规定的时间内接收数据并将该数据转载入指定的RXFIFO中。
9.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，根据时隙工作模式确定调度表工作在ISA100. I la、WIA-PA或WirelessHART协议模式下；当工作在WIA-PA协议模式，循环时隙的个数设置为调度表循环周期；如果工作在ISA100. Ila协议模式，每250ms时隙进行硬件对时钟的自动补偿。
10.根据权利要求6所述的确定性调度芯片，其特征在于，调度表中的起始时隙号方式表示调度表中“起始时隙号”所采用的表示方式为绝对时隙号方式还是相对时隙号方式，当时隙起始号采用“相对时隙号”方式时，需指定调度表诞生的“名义”绝对时隙号，即指定最开始的相对时隙号为O的时隙所对应的绝对时隙号。
全文摘要
本发明请求保护工业物联网芯片的无线网络确定性通信调度的一种硬件实现方法，属于工业无线通信技术领域；本发明是基于工业无线ISA100.11a、WIA-PA和WirelessHART网络具有共性的确定性通信调度技术，在芯片内部建立硬件调度表机制完整支持三个标准的数据链路层调度功能。硬件调度表将三个标准数据链路层调度技术融合成为相同的硬件底层解决方案，从确定性调度技术中抽象出硬件调度表模块和硬件调度配置模块，该方法提高了工业无线网络数据通信的实时性与可靠性，满足工业无线领域的需要，同时为工业无线标准的融合奠定了基础。
文档编号H04W72/12GK102905384SQ20121041797
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者王恒, 王平, 季善洋 申请人:重庆邮电大学