专利名称：基于epon的实时工业以太网硬件系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业以太网硬件系统，尤其是一种实时工业以太网硬件系统。
背景技术：
长期以来工业控制领域内现场总线技术难以形成统一的标准，互通与互操作问题难以解决，因而以太网进入工业控制领域。而且随着工业以太网的迅速发展，宽带工业级网络系统可以集成数据采集、数据交换、实时闭环控制、视频监控、信息管理，甚至企业内部网互联，实现多网合一。为实现这些功能，要求相应的网络系统不仅带宽大，而且要有一定的实时性。传统的以集线器(HUB)构网的工业网络系统采用载波监听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect, CSMA/CD)通信机制，系统在网络轻负载的时候冲突很少发生，但在重载的情况下表现不稳定，数据包传送有时延迟很大，甚至导致数据包的丢失，而且大多数工业现场环境苛刻噪声、电磁干扰等容易产生误码，从而危 及到整个控制系统的安全，因而并不适合工业实时反馈控制的应用。实时以太网技术通过增加带宽，并尽量使网络工作在轻负载下来提高网络的实时性。但随着工业控制网络的发展，其无论在带宽、实时性还是抗噪声干扰等复杂环境都提出了更高的要求，因此已经无法满足工业控制的要求。
发明内容为了克服已有实时工业以太网硬件系统的带宽受限、实时性较差、抗干扰能力较弱的不足，本实用新型提供一种具有更高带宽、实时性良好、抗干扰能力较强的基于EPON(Ethernet Passive Optical Network)的实时工业以太网硬件系统。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于EPON的实时工业以太网硬件系统，所述实时工业以太网硬件系统包括中心节点(Optical Line Terminal, 0LT)和接入节点(Optical Network Unit’ONU),所述中心节点通过光纤与所述接入节点连接；其中，所述中心节点包括主控模块、第一 ARM模块、第一电源模块、第一同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)模块、高速串并转换模块、第一光纤收发模块和千兆以太网模块，所述主控模块分别与千兆以太网模块、第一 SDRAM模块和第一 ARM模块连接，所述第一电源模块均与所述主控模块、第一 SDRAM模块和高速串并转换模块连接，所述第一 SDRAM模块与所述高速串并转换模块连接，所述高速串并转换模块与第一光纤收发模块连接；所述接入节点包括控制器、第二 ARM模块、第二电源模块、第二 SDRAM模块、串并转换模块、第二光纤收发模块和十兆/百兆以太网模块，所述控制器分别与十兆/百兆以太网模块、第二 SDRAM模块和第二 ARM模块连接，所述第二电源模块均与所述控制器、第二 SDRAM模块和串并转换模块连接，所述第二 SDRAM模块与所述串并转换模块连接，所述串并转换模块与第二光纤收发模块连接。[0009]进一步，所述中心节点还包括第一辅助模块、第一串行外围设备接口(SerialPeripheral Interface, SPI)总线模块、第一 RS232串口模块和第一 JTAG模块；所述主控模块与所述第一辅助模块、第一 JTAG模块连接，所述第一 ARM模块与所述第一 SPI总线模块、第一 RS232串口模块连接。更进一步，所述接入节点还包括第二辅助模块、第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块和第二 JTAG模块；所述控制器与所述第二辅助模块、第二 JTAG模块连接，所述第二ARM模块与所述第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块连接。优选的，所述主控模块和控制器均为现场可编程门阵列(Field — ProgrammableGate Array, FPGA)。本实用新型的技术构思为无源光以太网(Ethernet Passive Optical Network,EPON)采用点对多点的网络结构，在物理层采用具有传输频带宽、传输容量大、抗电磁干扰能力强、保密性好、价格低廉、环保等特点的光纤连接，而且具有中继器完全无源的优势，并且与以太网技术融合在一起。这种技术可以提供灵活的带宽需求，同时组网简单、可靠、高 性价比。因此，从以太网无源光网络(EPON)的角度出发，借鉴其先进的技术和多点控制的先天性优势，将其应用于工业控制网络，不但完全的吸收了光纤通信的优势，而且在网络的传输带宽、实时性上亦得到了革命性的提高，使工业控制网络再上一个台阶，应用于更加复杂的高精度运动控制场合。本实用新型的有益效果主要表现在将EPON应用于工业通信中替代工业现场中的实时以太网，使其具有更高的实时性、带宽和抗干扰性。对经典的带宽分配算法进行改进，并从MAC层着手，优化MAC协议，确保网络通信的实时性。
图I为本实用新型的OLT结构示意图；图2为本实用新型的ONU结构示意图；图3为本实用新型的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图I 图3，一种基于EPON的实时工业以太网硬件系统，所述实时工业以太网硬件系统包括中心节点和接入节点，所述中心节点通过光纤与所述接入节点连接；其中，所述中心节点包括主控模块、第一 ARM模块、第一电源模块、第一 SDRAM模块、高速串并转换模块、第一光纤收发模块和千兆以太网模块，所述主控模块分别与千兆以太网模块、第一 SDRAM模块和第一 ARM模块连接，所述第一电源模块均与所述主控模块、第一 SDRAM模块和高速串并转换模块连接，所述第一 SDRAM模块与所述高速串并转换模块连接，所述高速串并转换模块与第一光纤收发模块连接；所述接入节点包括控制器、第二 ARM模块、第二电源模块、第二 SDRAM模块、串并转换模块、第二光纤收发模块和十兆/百兆以太网模块，所述控制器分别与十兆/百兆以太网模块、第二 SDRAM模块和第二 ARM模块连接，所述第二电源模块均与所述控制器、第二 SDRAM模块和串并转换模块连接，所述第二 SDRAM模块与所述串并转换模块连接，所述串并转换模块与第二光纤收发模块连接。进一步，所述中心节点还包括第一辅助模块、第一 SPI总线模块、第一 RS232串口模块和第一 JTAG模块；所述主控模块与所述第一辅助模块、第一 JTAG模块连接，所述第一ARM模块与所述第一 SPI总线模块、第一 RS232串口模块连接。更进一步，所述接入节点还包括第二辅助模块、第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块和第二 JTAG模块；所述控制器与所述第二辅助模块、第二 JTAG模块连接，所述第二ARM模块与所述第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块连接。优选的，所述主控模块和控制器均为FPGA。本实施例的实时工业以太网硬件系统由光线路终端(OLT)和光节点(ONU)构成。OLT各功能部分的作用 I、主控模块FPGA :作为核心控制模块主要完成高速串并转换模块的驱动和控制光纤收发模块，使其能够协调完成数据的收发，并且通过千兆以太网接口与上联模块通信完成数据的传输。其中所有的功能采用用Verilog HDL语言实现。2、第一 ARM模块主要作用是协助FPGA完成相应的协议的转换。3、第一电源模块为各个芯片提供所需的正常工作电压。4、第一 SDRAM :数据交换缓冲芯片。5、高速串并转换模块将光纤收发器端的数据和FPGA端的数据进行串并转换满足其收发处理的需要。6、第一光纤收发模块负责光电信号的转换与光信号的传输。7、第一辅助模块主要包括触发开关和LED灯，主要是完成特定信号的触发和指示以便我们查看OLT是否工作正常。8、第一 SPI总线模块主要完成程序的初始化和调试功能。9、第一 RS232串口模块负责串口信号的发送和接收，主要是设备的低级配置和管理。10、千兆以太网模块采用千兆以太网控制芯片和RJ-45接口相连，主要接收上层现场的数据传送给FPGA，并且将FPGA送过来的信号编码后发送出去。11、第一 JTAG =FPGA的程序下载接口OLT各功能部分的作用I、控制器FPGA :主要完成高速串并转换模块的驱动和控制光纤收发模块，使其能够协调完成数据的收发，并且通过DM9000以太网芯片与控制计算机进行通信。2、第二 ARM模块作为FPGA的协处理器完成相应的协议的转换。3、第二电源模块为各个芯片提供所需的正常工作电压。4、第二 SDRAM :数据交换缓冲芯片。5、串并转换模块将光纤收发器端的数据和FPGA端的数据进行串并转换满足其收发处理的需要。6、第二光纤收发模块负责光电信号的转换与光信号的传输，将从OLT端接受的数据接收到下来同时将控制端的数据发送到0LT。7、第二辅助模块主要包括触发开关和LED灯，主要是完成特定信号的触发和指示以便我们查看OLT是否工作正常。[0045]8、第二 SPI总线模块主要完成程序的初始化和调试功能。9、第二 RS232串口模块负责串口信号的发送和接收，主要是设备的低级配置和管理。10、十兆/百兆以太网模块10M/100M以太网控制芯片，与RJ-45接口相连，主要将FPGA送过来的数据发送给控制计算机和将控制计算机送过来的信号编码后发送给FPGA。11、第二 JTAG =FPGA的程序下载接口。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并不对本实用新型做形式上的限制，凡是依据本实用新型对以上实例所做的简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种基于EPON的实时工业以太网硬件系统，其特征在于所述实时工业以太网硬件系统包括中心节点和接入节点，所述中心节点通过光纤与所述接入节点连接；其中， 所述中心节点包括主控模块、第一 ARM模块、第一电源模块、第一 SDRAM模块、高速串并转换模块、第一光纤收发模块和千兆以太网模块，所述主控模块分别与千兆以太网模块、第一 SDRAM模块和第一 ARM模块连接，所述第一电源模块均与所述主控模块、第一 SDRAM模块和高速串并转换模块连接，所述第一 SDRAM模块与所述高速串并转换模块连接，所述高速串并转换模块与第一光纤收发模块连接； 所述接入节点包括控制器、第二 ARM模块、第二电源模块、第二 SDRAM模块、串并转换模块、第二光纤收发模块和十兆/百兆以太网模块，所述控制器分别与十兆/百兆以太网模块、第二 SDRAM模块和第二 ARM模块连接，所述第二电源模块均与所述控制器、第二 SDRAM模块和串并转换模块连接，所述第二 SDRAM模块与所述串并转换模块连接，所述串并转换模块与第二光纤收发模块连接。
2.如权利要求I所述的基于EPON的实时工业以太网硬件系统，其特征在于所述中心节点还包括第一辅助模块、第一 SPI总线模块、第一 RS232串口模块和第一 JTAG模块；所述主控模块与所述第一辅助模块、第一 JTAG模块连接，所述第一 ARM模块与所述第一 SPI总线模块、第一 RS232串口模块连接。
3.如权利要求I或2所述的基于EPON的实时工业以太网硬件系统，其特征在于所述接入节点还包括第二辅助模块、第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块和第二 JTAG模块；所述控制器与所述第二辅助模块、第二 JTAG模块连接，所述第二 ARM模块与所述第二 SPI总线模块、第二 RS232串口模块连接。
4.如权利要求I或2所述的基于EPON的实时工业以太网硬件系统，其特征在于所述主控模块和控制器均为FPGA。
专利摘要一种基于EPON的实时工业以太网硬件系统，包括中心节点和接入节点，中心节点通过光纤与接入节点连接；中心节点中，主控模块分别与千兆以太网模块、第一SDRAM模块和第一ARM模块连接，第一电源模块均与主控模块、第一SDRAM模块和高速串并转换模块连接，第一SDRAM模块与高速串并转换模块连接，高速串并转换模块与第一光纤收发模块连接；接入节点中，控制器分别与十兆/百兆以太网模块、第二SDRAM模块和第二ARM模块连接，第二电源模块均与控制器、第二SDRAM模块和串并转换模块连接，第二SDRAM模块与串并转换模块连接，串并转换模块与第二光纤收发模块连接。本实用新型具有更高带宽、实时性良好、抗干扰能力较强。
文档编号H04L12/28GK202713341SQ201220336509
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者金燕, 何海力, 刘彦敏 申请人:浙江工业大学