工业以太网的配置方法与流程

本发明涉及工业以太网技术领域，特别涉及一种工业以太网的配置方法。

背景技术：

现有的高速以太网总线，以EtherCAT为例，具有高速、应用层协议丰富、同步性能高等优点，在通用工业控制现场的应用越来越广泛。

在实现本发明的过程中，本申请的发明人发现：现有的以太网总线中，主站在进行组态时，需要使用设备描述文件才能获知从站信息，而设备描述文件则可能需要用户手动添加，并且每次从站设备数量或类型发生变化时，都需要在主站设备侧手动修改组态配置才能继续使用。例如，对于EtherCAT以太网类型，在进行组态时，用户需要在上位EtherCAT主站软件中添加设备描述文件并根据当前EtherCAT网络的拓扑结构进行组态才能使总线正常工作。在《ETG_Brochure_CN.pdf》中，Page 13对上述情况有详细说明，此处不再赘述。

其他工业现场总线中，也都存在同样弊端，需要在主站软件侧手动进行组态配置，才可以进行使用。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种工业以太网的配置方法，使得无需手动添加设备描述文件，即可自动完成组态。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种工业以太网的配置方法，包括：初始化结束之后，第一协议主站将生成的检索包发送给总线；各第一协议从站按照物理连接的顺序依次从所述总线接收所述检索包；其中，前一所述第一协议从站在将设备信息写入所述检索包的对应位置之后，将所述检索包发送至下一第一协议从站；当所有第一协议从站将各自的设备信息写入检索包之后，将所述检索包返回至所述第一协议主站；从所述第一协议主站接收到的检索包中提取出各所述第一协议从站的设备信息，根据提取出的各所述第一协议从站的设备信息进行组态。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在初始化之后，第一协议主站将生成的检索包发送给总线，各第一协议从站则按照物理连接的顺序依次从总线接收检索包，其中，前一第一协议从站将设备信息写入检索包的对应位置之后，将检索包发送至下一第一协议从站，直到所有的第一协议从站均将各自的设备信息写入检索包。然后，将检索包返回至第一协议主站。从第一协议主站接收到的检索包中提取出各第一协议从站的设备信息，利用各第一协议从站的设备信息进行组态。由于本实施方式的工业以太网在进行组态时，各从站将各自的设备信息写入主站发送的检索包中，从而避免了在主站侧手动添加各从站的设备描述文件，且由于各从站是按照物理连接顺序从总线接收检索包的，因此主站可以根据各从站设备信息写入检索包的顺序得到各从站的拓扑结构。在得到各从站的设备信息以及拓扑结构之后，即可完成组态。因此，本实施方式的工业以太网的配置方法使得无需添加从站设备描述文件即可进行网络组态。

另外，在所述从所述第一协议主站接收到的检索包中提取出各所述第一协议从站的设备信息之后，还包括：根据提取的设备信息建立设备信息区以及综合数据区；其中所述设备信息区包括各所述第一协议从站的设备信息，所述综合数据区用于缓存各所述第一协议从站的状态和数据。从而使得应用程序可以直接从建立的设备信息区和综合数据区读取各第一协议从站的数据和状态，为应用层协议的简化打下基础。

另外，所述设备信息包括以下信息之一或其任意组合：第一协议从站节点类型、扩展类型、链路芯片版本号、MCU版本号、第一协议从站写长度、第一协议从站读长度。

另外，所述设备信息区中各所述第一协议从站的设备信息存储为一个数据结构体。从而便于应用程序快速读取各第一协议从站的设备信息。

另外，所述综合数据区用于缓存每个循环周期内各所述第一协议从站的状态和数据。从而可以使得各第一协议从站的状态和数据实时地更新至综合数据区。

另外，所述综合数据区用于供应用程序获取各所述第一协议从站的状态和数据。

另外，所述综合数据区用于供应用程序获取各所述第一协议从站的状态和数据。应用程序直接在设备信息区和综合数据区读取各第一协议从站的设备信息、状态和数据，从而大大简化了应用层。

另外，在所述第一协议主站还作为第二协议从站时，所述第一协议主站的主站设备还用于运行所述第二协议从站的协议。从而可以节省第一协议和第二协议之间的网关设备，并且提高数据的同步性。

另外，所述检索包采用如下任意一种数据结构：所述检索包包括M乘以N个字节；其中，M为用于存储每个第一协议从站设备信息的字节数目，N为预设的第一协议从站的数目；或者，所述检索包包括若干字节；其中，各所述第一协议从站按照前后顺序将各自的设备信息依次写入所述若干字节内。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的工业以太网的配置方法的流程图；

图2是采用本发明第一实施方式的工业以太网的配置方法的主站操作流程示例图；

图3是根据本发明第二实施方式的工业以太网的配置方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种工业以太网的配置方法，其具体流程如图1所示。图1的实施例可以应用于例如EtherCAT、Powerlink等的各种工业以太网的主从站配置。图1实施例的方法在工业以太网的通讯建立阶段，从设备(从站)根据主设备(主站)的检索包将自身设备信息告知主设备，主设备依据各从设备提供的设备信息建立整个网络的模型，从而完成组态功能，之后便切入循环通讯模式。

具体地，图1的工业以太网的配置方法包括：

步骤101：初始化结束之后，第一协议主站将生成的检索包发送给总线。

步骤101中，第一协议主站与各第一协议从站组成的工业以太网所使用的协议称为第一协议，为了描述方便，后续可将第一协议称为本协议，而第一协议主站作为从站而组成的另一上层工业以太网所使用的协议，称为第二协议。本实施方式对工业以太网的组网方式不作具体限制。

步骤101中，在第一协议的工业以太网内的主站和各从站上电之后，第一协议主站和各第一协议从站进入初始化状态，并在初始化结束后，第一协议主站准备发送自动检索包。其中，该检索包用于存储各第一协议从站的设备信息。检索包可以采用如下任意一种数据结构：例如检索包包括M乘以N个字节，M、N均为正整数，其中，M为用于存储每个第一协议从站设备信息的字节数目，N为预设的第一协议从站的数目，因此，可以采用M乘以N个固定数目的字节收集各第一协议从站的设备信息。本实施方式的检索包中，M例如取8，即为每个第一协议从站分配8个用于存储设备信息的字节，N例如取63，N通常取第一协议支持的最大负载(从站)个数。其中，M和N的取值可以依据实际需要进行设定，本实施方式对其数值不作具体限制。第一协议主站在配置出检索包之后，将检索包的数据帧交由链路层芯片，并由链路层芯片发送到总线上。

本实施方式中，各第一协议从站的设备信息例如包括以下信息之一或其任意组合：第一协议从站节点类型、扩展类型、链路芯片版本号、MCU(Main Computational Unit，主要计算单元)版本号、第一协议从站写长度、第一协议从站读长度。本实施方式中的设备信息用于替代现有技术中在第一协议主站的软件侧添加的设备描述文件，因此可以参考设备描述文件配置检索包中需要写入的设备信息。

在另一实施例中，检索包中的若干字节也可以不作分组，这样，各第一协议从站则可以按照收到检索包的顺序将各自的设备信息由前到后依次写入检索包包括的若干字节内。其中，各第一协议从站在写入各自的设备信息时，例如可以先写各第一协议从站的节点类型，而第一协议主站则可以根据节点类型判断第一协议从站的数目。

步骤102：各第一协议从站按照物理连接的顺序依次从总线接收检索包，其中，前一第一协议从站在将设备信息写入检索包的对应位置之后，将检索包发送至下一第一协议从站。

步骤103：当所有第一协议从站将各自的设备信息写入检索包之后，将检索包返回至第一协议主站。

步骤104：从第一协议主站接收到的检索包中提取出各第一协议从站的设备信息，根据提取出的各第一协议从站的设备信息进行组态。

步骤102中，第一协议主站和各第一协议从站的网络拓扑结构例如为线型结构或环形结构。各第一协议从站接收并写入各自的设备信息时，首节点(即根据物理连接顺序确定的第一个第一协议从站)先接收到检索包，首节点将自身的设备信息归纳为8个字节的数据，写入检索包中的第一个节点位置，然后将检索包通过总线发送至下一节点(即根据物理连接顺序确定的节点)。依此类推，直到网络中最后一个第一协议从站将自身的设备信息写入检索包。在步骤103中，在线型结构中，最后一个第一协议从站(节点)将写入了自身的设备信息的检索包自动转发回前一节点，各节点不再对检索包做处理，而是直接依次将检索包转发回上一节点，最后将检索包返回至主站；在环形结构中，最后一个第一协议从站(节点)将写入了自身的设备信息的检索包继续沿网络物理连接顺序，转发给主站。而主站可以根据返回检索包的第一协议从站确定网络拓扑结构，例如，当检索包是由检索包中的第一个第一协议从站返回给主站时，可以确定网络拓扑结构为线型，当检索包是由检索包中的最后一个第一协议从站返回给主站时，可以确定网络拓扑结构为环型。在实际应用中，可以根据检索包中的各第一协议从站的顺序以及返回检索包至第一协议主站的第一协议从站来确定网络拓扑结构。应当理解，本领域技术人员可以设计各种与实际的网络拓扑结构对应的网络拓扑结构的检测方法，本实施方式对网络拓扑结构的确定方法不作具体限制。

步骤104中，第一协议主站从接收到的检索包中提取出网络内各第一协议从站的设备信息。例如，按照8字节对应一个第一协议从站的结构，将各第一协议从站的设备信息提取出来。

图2为第一协议工业以太网的主站的操作流程示例图。下面结合图2说明本实施方式的工业以太网的配置方法的应用。

具体地，如图2所示，第一协议主站的操作流程包括：

步骤201：初始化。其中，在初始化阶段，第一协议主站设备用于设置时间寄存器、发送控制寄存器等，第一协议主站发送通讯复位包，复位后等待10毫秒完成初始化。

步骤202：发送自动检索包。第一协议主站准备检索包，并将检索包发送至总线。

步骤203：接收检索包。其中，网络内的各第一协议从站在将各自的设备信息填写入检索包之后，将检索包返回至主站，此时，第一协议主站可以接收到返回的检索包。

步骤204：发送板号设置包。

步骤205：接收板号设置包。

步骤206：发送时间同步包。

步骤207：接收时间同步包。

步骤208：等待10毫秒。

步骤209：进入循环通讯周期。

步骤209中，在每个循环通讯周期内，第一协议主站判断是否有串行数据包需要发送或者接收，是否有P2P数据包需要发送或者接收，并根据判断结果发送或者接收串行数据包或者P2P数据包。

综上可知，第一协议主站在初始化之后，无需从软件侧获取各从站的设备描述文件，而是通过发送检索包(配置帧)的方式，使得各从站将各自的设备信息写入检索包，从而获取各从站的设备信息，同时，由于各从站是按照物理连接顺序接收检索包的，所以主站可以据此确定网络的拓扑结构，从而完成网络的组态。因此，采用本实施方式的工业以太网的配置方法，能够简化主设备侧的操作步骤，不再需要用户在控制系统主设备上进行组态配置，只需要主设备下发配置帧(检索包)，并根据返回帧(从站返回的检索包)的信息，由主设备自动的对从设备的设备信息以及设备类型进行建模，从而达到快速配置，进而提高用户体验。

本发明的第二实施方式涉及一种工业以太网的配置方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，根据第一实施方式中提取的各从站的设备信息建立综合数据区以及设备信息区，在设备信息区中存储各从站的设备信息，在综合数据区中存储各从站的数据和状态，然后将设备信息区和综合数据区提供给应用程序访问，从而可以简化工业以太网应用层。

具体地，本实施方式的工业以太网的配置方法如图3所示，包括：

步骤301：初始化结束之后，第一协议主站将生成的检索包发送给总线。

步骤302：各第一协议从站按照物理连接的顺序依次从总线接收检索包。其中，前一第一协议从站在将设备信息写入检索包的对应位置之后，将检索包发送至下一第一协议从站。

步骤303：当所有第一协议从站将各自的设备信息写入检索包之后，将检索包返回至第一协议主站。

步骤304：从第一协议主站接收到的检索包中提取出各第一协议从站的设备信息，根据提取出的各第一协议从站的设备信息进行组态。

其中，在步骤304之后，第一协议主站和各第一协议从站进入循环通讯周期。

步骤305：根据提取的设备信息建立设备信息区、综合数据区。

步骤305中，第一协议主站将提取出的各第一协议从站的设备信息均存储于设备信息区，且设备信息区中各第一协议从站的设备信息存储为一个数据结构体。其中，该数据结构体中，每个第一协议从站的设备信息关联组织，例如，各第一协议从站的类型、输入输出长度等关联存储。同时，根据提取出的设备信息还建立各第一协议从站的综合数据区，综合数据区用于缓存各第一协议从站的状态和数据。本实施方式中，综合数据区存储的是纯粹的各节点的状态和实时数据。其可以将各从节点数据按照节点顺序、数据长度统一组织。具体地，综合数据区用于缓存每个循环周期内各第一协议从站的状态和数据。由此可知，在步骤305中，通过建立各第一协议从站的设备信息区和综合数据区，并实时更新综合数据区中各第一协议从站的状态和数据，就获取了网络中各从站的状态和数据。

并且在本实施方式中，综合数据区可以直接用于供应用程序获取各第一协议从站的状态和数据，而设备信息区可以直接用于供应用程序获取各第一协议从站的设备信息。因此，本实施方式的设备信息区和综合数据区可以用于实现开放式的应用层协议。

下面将本实施方式的工业以太网应用层的实现与现有技术进行对比以说明本实施方式的开放式应用层的特点。目前主流的工业以太网，其应用层协议多以已有工业现场总线协议为主，如CANopen，DeviceNet，Profibus等，其优点是协议成熟可靠，功能丰富，子协议完善。但也正是由于协议成熟可靠，导致其数据灵活性受限，开放性较差。因此其子设备的开发必须遵循相关协议标准，如不遵循，则可能导致设备无法正常使用，或者由于未遵循某子协议，导致该子协议功能异常等情况发生。

而根据前文的描述可知，本实施方式中，应用程序可以直接从设备信息区获取设备信息，从综合数据区获取各从站的状态和数据。并根据获取的设备信息，操作综合数据区对应的数据即可。因此，本实施方式的应用层数据十分灵活。

值得一提的是，在实际应用中，本实施方式的第一协议主站还可以复用为第二协议从站，此时，第一协议主站的主站设备还同时用于运行第二协议从站的协议。由前文描述可知，本实施方式的第一协议主站的应用层协议简洁，状态机对第一协议主站设备(例如MCU)的性能消耗很小，保证了MCU还有足够的能力运行其他协议的应用程序，由于是在同一MCU内运行两个应用层程序，所以不但不会降低其他协议(第二协议)的总线性能，而且还可以保证第一协议和第二协议间数据的同步性。因此，本实施方式可以实现将主设备作为另一主流工业以太网的从设备，从而实现两种协议的转换，譬如本协议到EtherCAT或者Powerlink的转换。

因此，本实施方式提出的应用层实现方案的应用包括但不限于以下情形：

1、主站MCU与应用程序跨子网的分布。

具体地，主站MCU既作为本高速总线系统的主站，也作为EtherCAT或者Powerlink等其他总线系统的从站。

2、主站MCU上的数据可以直接转发到EtherCAT等其他总线系统上，由其他总线系统上的应用程序处理。

3、前文描述的主站MCU用于完成两种总线系统之间的协议转换。

4、主站MCU还可以作为整个系统的主控，不需要跨协议的转换，且主站MCU上应用程序可直接操作数据。

5、在线组态信息区(设备信息区和综合数据区)。根据前文描述的主从站自配置功能的介绍，主站MCU提供的数据包含了各从站的设备信息、状态、数据等，且这些数据为循环数据区，因此可实时在线的提供给应用程序当前的组态信息，减少了人工配置的麻烦。

6、设备信息区和综合数据区还可以用于总线诊断，应用程序通过比对相邻两个周期的组态信息，可以获取当前总线的状态等。

7、综合数据区仅用于存储各从站的状态和数据，其本身连续无间隔，减少冗余信息，从而可以提高数据的利用效率。

8、应用程序根据设备信息区提供的设备信息，按照节点顺序、数据长度操作综合数据区的数据。

从上述情形可以不难看出，本实施方式的开放式应用层协议的具有如下特点：

本实施方式的应用层协议无固定映射以及对象的概念。整个系统不涉及对象、对象字典等固化概念，所有数据的组织均由两部分组成：1、设备信息区，2、综合数据区。应用程序无须做储备、解释对象字典等工作，获取设备信息区的设备信息，根据设备信息，操作综合数据区对应的数据即可。

应用层协议不受系统级拓扑结构影响。此处系统级拓扑是指整个控制系统的拓扑，而不仅是本高速总线系统的拓扑。例如本高速总线系统作为其他总线系统的一个子网时，应用层程序则可分布在其他总线系统上；若无其他总线系统，应用层程序则分布在主站MCU上。

本申请提出的开放式应用层协议，应用层没有固定协议，只需提供从节点信息，包括站号、数据长度、数据地址等等。应用层协议开发完全依照设备信息，数据区简洁，无效数据或配置数据少，提高了带宽的利用率。同时可以实现将主设备作为主流工业以太网的从设备，不会降低其他协议的总线性能，而且很好的保证了数据的同步性。

因此，本实施方式的开放式应用层协议，能够解决现有工业以太网中的，应用层程序需严格遵循各协议标准，造成应用复杂、需要采购价格高昂的标准从站的问题，同时还可以解决跨协议转换导致的总线性能损失的问题。

综上所述，采用本实施方式提供的工业以太网的配置方法，主设备通过配置帧获取从设备的信息，自行对网络拓扑进行组态，并可将应用层数据灵活展现，可适配多种其他工业以太网总线，提供了灵活、强大的跨协议转换功能。并且应用层具有灵活分布的特性，可分布在其他总线系统的应用层上，也可分布在主站MCU上，同时没有固化的对象字典等固定概念，应用程序通过操作两个设备信息和和综合数据区，即可完成对从节点的控制。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。