一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法与流程

本发明属于电子通信，尤其涉及一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法。

背景技术：

1、网络数控技术即是一种将制造单元通过网络技术互联，从而实现在制造过程中共享所需资源的技术。基于嵌入式处理器设计的电路板，可用于数据采集、数据转发、开关控制等多个领域。很多嵌入式处理器如低端dsp或单片机由于硬件资源限制无法运行大型操作系统驱动网卡设备完成网络通信，若要实现网络通信就需要借助硬件协议栈网络协议芯片。具体来说，就是嵌入式处理器通过软件直接操作网络协议芯片的内部公共寄存器实现网络数据的收发。在一些较复杂的环境下，如外部电源波动、电源噪声、电磁干扰等异常情况，网络协议芯片可能因干扰出现失效情况，或者外部网线意外受损出现故障导致通信中断。

2、现有技术中，提高网络通信可靠性的双网口冗余技术多数依赖于操作系统与网卡硬件，例如《一种服务器集群环境中网络冗余的设计方法》，基于嵌入式处理器的网络接口则不考虑多通道冗余的情况，多使用单通道通信，对网络通信接口的冗余设计与支持较少。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，解决了网络冗余依赖高性能处理器和操作系统与网卡硬件配合才能实现的问题，通过增加少量代码和一片网络协议芯片，实现了在公共寄存器层面的网络冗余设计，提高了网络通信的可靠性。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，包括：嵌入式处理器、网络自检电路、网络协议芯片、网络端口和交换机；

3、交换机，用于实现冗余网络控制装置与外部设备的通信；

4、网络端口，用于将从交换机接收到的输入数据发送给网络协议芯片；以及，将从网络协议芯片接收到的输出封装数据通过交换机发送给外部设备；

5、网络协议芯片，用于按照tcp/udp协议对接收到的输入数据进行解析封装，得到输入封装数据，将输入封装数据发送给嵌入式处理器；以及，按照tcp/udp协议对接收到的输出数据进行解析封装，得到输出封装数据，将输出封装数据发送给网络端口；其中，网络协议芯片采用双冗余设计，包括：主份网络协议芯片和备份网络协议芯片；

6、嵌入式处理器，用于对接收到的输入封装数据进行解析处理，得到输出数据，将输出数据发送给网络协议芯片；以及，根据网络自检电路发送来的检测结果进行网络协议芯片的切换；

7、网络自检电路，用于对网络协议芯片的通信工作状态进行实时检测，将检测结果发送给嵌入式处理器。

8、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，嵌入式处理器通过并行总线连接主份网络协议芯片和备份网络协议芯片，通过并行总线读写主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的内部存储器和公共寄存器，从而使实现在公共寄存器层控制数据的收发。

9、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，默认状态下，主份网络协议芯片上电工作；当根据网络自检电路发送来的检测结果确定主份网络协议芯片的通信工作状态异常时，切换至备份网络协议芯片，备份网络协议芯片上电工作。

10、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，网络端口包括两个独立的端口，独立发送/接收数据，互不影响。

11、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，网络自检电路通过对网络协议芯片的引脚的电平变化，判断网络协议芯片的通信工作状态；若电平不变，则确定网络协议芯片的通信工作状态正常；若电平跳变，则确定网络协议芯片的通信工作状态异常。

12、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，网络协议芯片为w5100芯片。

13、在上述基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置中，嵌入式处理器、网络自检电路和网络协议芯片位于机箱内；网络端口位于机箱壳体上，交换机位于机箱外。

14、相应的，本发明还公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制方法，包括：

15、装置开机上电后，嵌入式处理器使能主份网络协议芯片和备份网络协议芯片；

16、嵌入式处理器通过并行总线操作主份网络协议芯片和备份网络协议芯片中的公共寄存器，初始化主份网络协议芯片和备份网络协议芯片，复位主份网络协议芯片和备份网络协议芯片；配置主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的网关地址、mac地址、socket的和ip地址；

17、在工作时，主份网络协议芯片和备份网络协议芯片均处于使能状态；嵌入式处理器记录主备份芯片，在查询是否有网络消息时，首先查询到当前的主份网络协议芯片，工作时只读写主份芯片的公共寄存器。

18、在上述控制方法中，还包括：

19、通过嵌入式处理器以固定周期监测网络自检电路输出的检测结果；

20、根据检测结果判定主份网络协议芯片是否出现故障，在确定主份网络协议芯片出现故障时，切换至备份网络协议芯片。

21、在上述控制方法中，在配置主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的网关地址、mac地址、socket和ip地址地址时：主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的网关地址、mac地址和socket的配置参数一致；主份网络协议芯片的ip地址配置为工作网段的ip地址；备份网络协议芯片的ip地址配置为其他网段的ip地址。

22、本发明具有以下优点：

23、(1)本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，通过监测通信的物理层电平状态获取网络状态，响应迅速，软件层面完成切换在微秒级完成，硬件层面完成切换在毫秒级内完成。

24、(2)本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，不依赖操作系统，对嵌入式处理器的硬件要求低，嵌入式处理器的类型可以为fpga、dsp、mcu等低端处理器。

25、(3)本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，网络通信可靠性高，可以在单根网线或单个网络协议芯片失效的情况下维持通信功能。

26、(4)本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，需要的代码量少，对资源的要求低，仅需要增加一片网络协议芯片即可完成。

27、(5)本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，备对网络通信状态自检测和自恢复功能。

技术特征：

1.一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，包括：嵌入式处理器、网络自检电路、网络协议芯片、网络端口和交换机；

2.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，嵌入式处理器通过并行总线连接主份网络协议芯片和备份网络协议芯片，通过并行总线读写主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的内部存储器和公共寄存器，从而使实现在公共寄存器层控制数据的收发。

3.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，默认状态下，主份网络协议芯片上电工作；当根据网络自检电路发送来的检测结果确定主份网络协议芯片的通信工作状态异常时，切换至备份网络协议芯片，备份网络协议芯片上电工作。

4.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，网络端口包括两个独立的端口，独立发送/接收数据，互不影响。

5.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，网络自检电路通过对网络协议芯片的引脚的电平变化，判断网络协议芯片的通信工作状态；若电平不变，则确定网络协议芯片的通信工作状态正常；若电平跳变，则确定网络协议芯片的通信工作状态异常。

6.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，网络协议芯片为w5100芯片。

7.根据权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置，其特征在于，嵌入式处理器、网络自检电路和网络协议芯片位于机箱内；网络端口位于机箱壳体上，交换机位于机箱外。

8.一种如权利要求1所述的基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在配置主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的网关地址、mac地址、socket和ip地址地址时：主份网络协议芯片和备份网络协议芯片的网关地址、mac地址和socket的配置参数一致；主份网络协议芯片的ip地址配置为工作网段的ip地址；备份网络协议芯片的ip地址配置为其他网段的ip地址。

技术总结
本发明公开了一种基于软操作的高可靠性的冗余网络控制装置和方法，该装置包括：交换机，用于与外部设备通信；网络端口，用于将输入数据发送给网络协议芯片；将输出封装数据发送给外部设备；网络协议芯片，用于对输入数据进行解析封装后发送给嵌入式处理器；对输出数据进行解析封装后发送给网络端口；嵌入式处理器，用于对输入封装数据进行解析处理；根据检测结果进行网络协议芯片切换；网络自检电路，用于对网络协议芯片进行实时检测，输出检测结果。本发明解决了网络冗余依赖高性能处理器和操作系统与网卡硬件配合才能实现的问题，通过增加少量代码和一片网络协议芯片，实现了在公共寄存器层面的网络冗余设计，提高了网络通信的可靠性。

技术研发人员：殷珂,覃辉,张小满,徐武欣,薛晨,陈志鸿,程凌霄,李新阳
受保护的技术使用者：中国航天科技创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17