一种基于标准以太网的实时同步方法及同步网络 技术领域
本发明涉及一种用于工业现场级通信的实时同步通信网络， 尤其涉及一种基于标准以太 网的实时同步方法及同步网络， 用于解决现场级通信系统中通信问题， 即如何解决以太网用 于现场级通信系统时， 实现通信的实时性和以及系统的精确同歩性。
背景技术
目前在工厂自动化和过程自动化领域中 ,现场总线是现场级通信系统中的主流解决方案。 不过， 随着技术的不断进步和发展， 传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局限性。 ― 方面， 随着现场设备智能程度的不断提高， 控制变得越来越分散， 分布在工厂各处的智能设 备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据， 这使得现场设备之间数据 的交换量飞速增长； 另一方面， 随着计算机技术的发展， 企业希望能够将底层的生产信息整 合到统一的全厂信息管理系统中， 于是企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据， 并通 过工业通信网络实现远程服务和维护， 因此， 纵向一致性也成为热门的话题， 用户希望管理 层和现场级能够使用统一的、 与办公自动化技术兼容的通信方案， 这样可以大大简化工厂控 制系统的结构， 节约系统实施和维护的成本。.
基于这样的需求， 以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透， 以太网 技术开始广泛地应用于工厂的控制级通信。 在自动化世界中使用以太网解决方案有几方面显 著的优势： 统一的架构、 集成的通信以及强大的服务和诊断功能。 从目前工业自动化控制领 域的情况来看， 以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。 '
基于总线的控制是当前控制系统的发展方向， 而工业以太网总线被人们普遍认为是未来 控制网络的最佳解决方案， 工业以太网取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势。 工业 以太网的推广应用将大大简化工厂控制系统的结构， 节约系统实施和维护的成本。
在将以太网技术引入到控制级通信的过程中， 为了满足工业控制系统的特殊需求， 如现 场环境、 拓扑结构、 可靠性等要求， 必须对普通的办公室以太网做出调整和补充， 以保证以 太网技术在工业现场应用的可靠性， 即我们常说的工业以太网。 目前， 在控制级通信网络领 域中， 工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受， 企业和工厂也充分享受到了高性 能通信网络带来的便利和收益。 尽管如此， 工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗 透时遇到了难以克服的障碍——通信的实时性和确定性。 由于以太网采用 CSMA/CD碰撞检测 方式， 即： 当一个网络上的某一个从节点需要发送数据时， 它首先监听信道， 若信道忙就持 续等待， 直到它一旦监听到信道空闲时， 就将数据发送出去。 如果两个或多个从节点都在监 听和等待发送数据， 当监听到信道空闲时， 各从节点就立即 （几乎同时）开始发送数据， 这 时就发生冲突。 如果一个从节点在传输期间检测到冲突， 就立即停止传输， 并向信道发出一 个 "拥挤"信号， 以确保网络上的所有其它从节点也发现冲突。 在基于以太网的通信中， 为 避免冲突， 各从节点采用二进制指数退避 （BEB, Binary Exponential Back-Off)算法处理 冲突， 但该方法具有冲突时延不确定性的缺陷。 当网络负荷较大时， 网络传输的不确定性不 能满足工业控制的实时性要求， 因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的 实时性要求， 一直被视为非确定性网络。
工业控制网络是一种典型的实时应用系统， 其中的任务 （如功能块的执行） 通常按照一 定的时间间隔出发， 并且对任务的执行时间具有截止性要求， 这种任务称为周期性任务。 实 时应用系统中还有一种任务， 这种任务只有在特定的事件触发下才出现， 例如设备配置、 故 障诊断、 程序的上载 /下载、运行记录、报警处理等， 这种任务称为非周期性任务， 非周期性 任务是随机触发的。 这两种任务反映在工业控制网络通信中， 就是两类通信信息： 周期性通 信信息和非周期性通信信息。 周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的时间特性。 周 期性通信信息是实时信息， 一旦系统组态完成， 周期性通信信息的发送就具有时间确定性。
确认本 而非周期性通信信息往往是突发信息， 在时间上是不确定的。
为了提高以太网的实时性和确定性， 人们作了不少研究， 提出各种方法来改进 CS A/CD, 按照对 CSMA/CD的改进方法划分， 主要有： 改进以太网 MAC协议、 在以太网上层增加传输控 制机制等。 C§MA/DCR (Deterministic Collision Resolution) 是最具有代表性的一种 MAC '协议改进方法。 当冲突发生时， 采用确定性的二叉树寻址方法， CSMA/DCR依照从节点地址采 取先序遍历的方式解决冲突。 当冲突发生时， 低优先级的从节点停止对信道的竞争， 而高优 先级的从节点继续竞争信道， 直到成功传输。 这种修改以太网 MAC协议的方式虽然可以极大 的改善以太网通信确定性的问题， 却是以更改以太网固件（以太网主节点硬件和软件） 为代 价的， 很难与标准的商用以太网兼容， 并且增加了开发成本。
在以太网上层增加传输控制机制中最典型的一种方法是时分多路获取（TDMA)策略， TDMA 为每个从节点分配一定的带宽， 每个从节点在固定的时间片内发送信息， 以保证每个从节点 的信息具有确定的发送时间。由于 TDMA不需要传输额外的控制信息，使得网络带宽得使用率 比较髙。但 TDMA是基于从节点的方法， 不能反映每个从节点的实际带宽要求， 无法保证非周 期信息及时发送。 另^一种在以太网上层增加传输控制的方法是主从式传输控制方式， 这是 一种集中式的传输控制方式， 网络中至少有一个主节点和多个从节点， 从节点只有在收到来 自主节点的控制报文之后， 才可以发送敎据。 这种主从式传输控制方式的优点是可以保证每 个从节点都有发送数据的机会， 但缺点是无法处理工业控制网络中的突发性通信， 例如工业 控制网络中的报警信息。
囟此， 尽管上述方法都在一定程度上提高了以太网传输的实时性和确定性， 却是以改变 以太网结构为代价（如 CSMA/DCR), 或者在较低的网络层次 （如 MAC层的上层）实现， 这些 方法的最大不足是实现难度大， 往往涉及到硬件， 无法与传统标准的以太网相互兼容， 并且 无法满足工业控制网络中对两类信息一周期信息 （即实时信息）和非周期信息 （通常为非实 时信息）.进行同时处理的特殊要求。
快速以太网与交换式以太网技术的发展， 给解决以太网的非确定性问题带来了一种解决 方案， 使这一应用成为可能。首先， Ethernet的通信速率从 10M、 100M增大到如今的 1000M、 10G,在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延迟的 减小， 即碰撞几率大大下降。其次釆用星形网络拓扑结构， 交换机将网络划分为若干个网段。 Ethernet交换机由于具有数据存储、转发功能， 使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到 缓冲， 不再发生碰撞， 同时交换机 可对网络上传输的数据进行过滤， 使每个网段内从节点 间数据的传输只限在本地网段内进行， 而不再需要经过主干网， 也不再占用其他网段内的带 宽， 从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。 再次， 全双工通信又使得端口间两对双绞线 (或两对光纤）上分别同时接收和发送报文帧， 也不会发生冲突。 因此， 采用交换式集线器 和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞几率大大降低（半双工）， 因而使 Ethernet 通信确定性和实时性大大提高。 但是采用全双工交换式以太网， 改变了 CSMA/CD机制， 网络的通信速度和效率将取决于交换机。 为了减少交¾机对整个网络速度和 效率的影响，组网时要尽量避免跨多个交换机通信， 将经常交换数据的设备放在一个网段内， 这将给组网增加难度， 也不利于以^系统的扩展。
有的系统对通信从节点的同步性也有严格的要求， 比如在运动控制中， 各轴的同步性也 是一个非常重要的因素。 现有的解决方案为网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实 现同步实时以太网。 例如： Internet网络时间协议 NTP (Network Time ProtocaD、 简单时 间网络协议 SNTP (Simple Network Time Protocal ) , IEEE1588 标准精确时间协议 PTP (Precision Time Protocal ), 周期性的通过发送带有时间戳协议的同步数据包实现通信循 环的同步。 在要求同步精度为微秒级的场合， 想要获得如此高的同步定时， 单纯靠软件是无 法实现的， 必须依靠网络第二层 (数据链路层)中硬件的支持， 即等时实时 ASIC芯片。
现在很多使用以太网作现场级通信的厂商， 上位机都是自己幵发的专用控制网卡， 以实 现以太网的实时通信。 很难与标准以太网兼容， 也很难与别的厂商开发的设备互换， 形成各 自独立的一套通信系统。
国际上主要有几个比较流行的工业以太网络，分别是 PR(MNET、Ethernet/IP、PowerLink、 EtherCAT、 SY瞎 T、 SERCOS III等。
PROFINET: 是一种典型的交换式以太网络， 交换机采用的是一种基于地址的信息转发机 制， 网络的通信速度和效率将取决于交换机。为了减少交换机对整个网络速度和效率的影响， 组网时要尽量避免跨多个交换机通信， 将经常交换数据的设备放在一个网段内， 这将给组网 增加难度， 也不利于以后系统的扩展。 同时系统也无法枚举和配置各设备。 PROFINET通过精 确的时钟同步以实现同步实时以太网， 通过规律的同步数据实现通信循环的同步， 其精度可 以达到微秒级， 这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的， 想要获得这么高精度的同步实 时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子 IRT等时实时 ASIC芯片，增加了系统成本。
Ethernet/IP: Ethernet/IP的协议由 IEEE 802. 3物理层和数据链路层标准、 TCP/IP协 议组和控制与信息协议 CIP(Control Information Protocol)等 3个部分组成， 前面两部分 为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的 CIP部分。 Ethernet/IP网络采用 商业以太网通信芯片、 物理介质和星形拓扑结构， 也是采用以太网交换机实现各节点间的点 对点连接， 系统也无法枚举和配置各设备。 最新版本的 Ethernet/IP技术规范中包含了 CIP Sync, CIP Sync时间同步方案基于 IEEE1588标准， 通过主处理器（或从站） 周期性的发送 一个实时的时钟同步报文信号， 以便其它的从处理器 (或从站)能够准确地同步。 这种方式将 增加网络的负担， 同样需要硬件的支持， 即等时实时 ASIC芯片。这种方式， 所有站点都必须 自带高精度时钟， 成本较高， 用这样的通信机制对系统的编程带来很大的影响， 因为控制任 务必须通过时间触发的方式来启动， 这提高了编程的难度， 而且不符合工控工程人员的编程 习惯。
PowerLink: 通过使用 Hub来实现任意的网络拓扑结构， 通过 Hub来组网， 使得系统很难 枚举和配置各设备。 为了避免冲突， PowerLink尽量利用带宽， 在时间上重新组织了网络中 站点信息交互机制， 在 CSMA/CD基础上引入时间槽管理机制， 网络上一个站点充当管理站管 理网络通信 对其他站点给定同步节拍， 分配给各站发布权限， 各站只能在得到发布权限之 后才可以发布信息。 这种时间槽管理机制， 虽然避免了网络上通信冲突， 但也使各设备的非 周期实时数据 （如报警等） 无法及时通知到系统。
EtherCAT: 突破了接收以太网数据包， 将其解码之后再将过程数据复制到各个设备的技 术。 EtherCAT从站设备在报文经过从节点时读取相应的编址数据。 同样输入数据也在经过时 插入到报文中。 整个过程只有几纳秒的时间延迟。 所以与其他以太网解决方法相比， 性能得 到了提高。 在网络段的最后一个模块结束了整个数据传输工作， 形成一个逻辑和物理环形结 构。 所有传输数据与以太网的协议相兼容， 工作于全双工传输， 提高了传输的效率。 每个装 置又将这些以太网协议转换为内部的总线协议。 EtherCAT 是用于过程数据的优化协议 EtherCAT协议可包括几个 EtherCAT报文， 每个报文都服务于一 ±夬逻辑过程映像区的特定内 存区域，数据顺序不依 于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。 EtherCAT支持线形、 树形、星形等拓扑类型， EtherCAT采用分布式时钟技术来实现精确同歩，与工厂等外部同步， 釆用 IEEE1588标准。
SYNQNET: 是一种环形网络结构， 具有容错功能， 主节点通过自己开发的一种专用控制网 卡来实现实 Bf同步网络， 并修改了数据链路层 MC协议，实现了一种高性能的同步运动网络， 由于是自己专用的控制网卡和修改了数据链路层 MAC协议， 使其很难与别的厂商和标准的以 太网兼容。
SERCOS III :是一种环形或线型拓扑结构， 主节点通过自己开发的专用控制网卡来实现实 时同步网络， 通信协议分为实时通信通道和非实时通信通道。 实时通信通道传送用于显示和 输入所有的控制内部参数、 数据和诊断信息等实时数据。 非实时通道使用标准的以太网帧来 传送非实时数据。 伹并未提出系统中枚举和配置各设备的方法。
由上述可知， 实时性和同步性是许多控制系统（特别是运动控制系统）的两个基本特征， 而以太网本身不具备这两个特性。 在总线网络的主从控制系统中， 人们的习惯思维都是设法 从主节点端解决实时同步问题。 解决的方法包括采用实时操作系统和硬件中断的方法， 但目 前性能最好的实时扩展的系统中断延迟不确定性也需要几个微秒， 这对于高精度的实时同步 要求来说也还是达不到要求。 在以太网链状或环状网络中， 目前实时同步的解决方法是在主 节点端由硬件发起一个同步广播通讯来完成同步， 因此主节点端需采用专用网卡或精确时钟 同步协议， 需有专有硬件支持。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前将以太网用于现场级通信系统时， 现有网络设备通信的 实时性以及系统的精确同步性难以保障， 而添加专用硬件， 又造成成本增加、 开放性降低等 问题， 提供一种具有结构简单， 成本较低， 采用现有普通的标准网卡即可实现实时同步的基 于标准以太网的实时同步方法及同步网络。
为实现上述目的， 本发明采用了如下技术方案：
一种基于标准以太网的实时同步网络， 包括至少一个主节点和至少一个从节点， 各节点 通过传输协议传送数据， 所述网络可以是链状网络或环形网络， 在从节点中任选一个为同步 信号源；
当所述网络为链状网络时， 主节点上有至少一个数据线接口， 每个从节点有至少两个数 据线接口， 连接时彼此串行连接， 即主节点的数据线接口通过数据线连接到从节点的一个数 据线接口上，&从节点的另一个数据接口通过数据线连接到下一个从节点的一个数据接口上， 依次连接构成链状网络， 进行实时同步的全双工通信；
当所述网络为环形网络时， 所述各主节点有至少两个数据线接口， 各从节点有至少两个 数据线接口， 主节点的一个数据线接口通过数据线连接到从节点的一个数据线接口上， 从节 点的另一个数据线接口通过数据线连接到下一个从节点的一个数据接口上， 这样级联下去， . 一直连到最后一个从节点的数据线接口上， 最后一个从节点的另一个数据线接口通过数据线 连接到主节点的另一个数据线接口上， 构成环形网络， 进行实时同步的全双工通信。
所述从节点内设有两个定时器， 分别为周期定时器和延迟定时器； 主节点为标准网卡， 其发送的控制报文为标准以太网传输协议 IEEE802.3协议规范的报文结构；各从节点采用标准 PHY芯片和带 MAC IP核心的 FPGA作为网络通信接口 (或可做成专用 ASIC) ; 在各从节点内均 设有一个 PLL电路， 各晶振信号经过该 PLL电路后再产生时钟信号； 其中 IEEE802.3帧协议的 数据段中包括周期数据和非周期数据， 周期数据是工业控制中， 任务通常按照一定的时间间 隔发出， 并且对任务的执行时间具有截止性要求的数据； 非周期数据是只有在特定的事件触 发下才出现； 控制报文还可适用于用户自定义的或其他公知的传输协议形式。
所述同步信号源是在从节点中任选一个，同步信号源负责严格的定时和同步报文的发送， 其他从节点负责接收同步报文， 各从节点中设有一个同步报文延迟参数寄存器（也可为延迟 定时器)，用于设定同步报文在传输线上的时间延迟，这个同步报文延迟参数通过主节点发送 延时测量命令报文， 各从节点自动测量该时间延迟的形式来设定； 同步信号源周期性地发送 同步报文，备从节点收到该同步报文后延迟一定时间再工作， 实现各从节点间动作的同步性； 同步方式还可釆用安装同步信号线将同步信号源与其余从节点连接来实现；
同步信号源设定时， 可根据主节点发送命令报文的形式利用软件任意指定一个从节点为 同步信号源， 或者通过在任意一个从节点上设定拨码开关装置或其他公知的方式确定一个从 节点为同步信号源。
所述数据线既包括数据发送线， 也包括数据接收线， 相邻的两个节点之间通信时没有冲 突， 实现全双工通信， 数据线的传输介质既可为双绞线， 也可为光纤;
全双工通信时， 每个从节点有存储转发数据和直接转发数据的功能， 主节点同从节点进 行通信时， 客从节点转发主节点的信息， 整个系统通信没有冲突， 各从节点同主节点进行通 信时， 从节点如果有发送给主节点的数据， 将先发送自己的数据给主节点， 同时接收并存储 后面一个从节点发送给主节点的数据， 等待自己给主节点的数据发送完成后， 再转发已存储 的后一个从节点发送给主节点的数据， 从节点如果没有发送给主节点的数据， 将直接转发后 面一个从节点发送给主节点的数据， 避免了通信冲突， 实现了整个系统的全双工通信。
一种基于标准以太网的实时同步方法，
( 1 )系统上电后， 对于链状网络， 主节点对各从节点进行自检， 主节点发送一个査询报 文， 第一个从节点首先接收到此査询报文， 然后转发此查询报文， 并发送自己的应答报文， 将自己的节点号初始化为 0; 各从节点在收到査询报文后依次转发此查询报文， 并发送自己 的应答报文和将自己的节点号初始化为 0， 直到最后一个从节点； 最后一个从节点可以通过 拨码开关或者其他的装置来确定， 该最后一个从节点收到此査询报文后， 发送自己的应答报 文， 包含为最后一个从节点的信息， 并将自己的节点号初始化为 0， '主节点收到最后一个从 节点的应答报文后， 说明系统连接可靠和各节点正常工作； 若主节点在发送完査询报文后， 在设定时间内收不到最后一个从节点的应答报文， 将报告错误， 说明有故障；
对于环 网络， 主节点发送一个査询报文，第一个从节点收到之后转发到下一个从节点， 同时将自己的节点号初始化为 0，各从节点依次转发并将自己节点号初始化为 0，直到最后一 个从节点， 最后一个从节点再转发此查询报文到主节点， 并初始化自己节点号为 0; 主节点 在收到此査询报文后， 说明系统连接可靠和各节点工作正常； 若主节点在设定时间内仍然接 收不到此査询报文， 说明系统连接不可靠或某个节点不正常工作；
(2) 自检通过后， 主节点对各从节点进行枚举和配置；
( 3 )然后， 主节点发送一个测量网络时间延迟的控制报文通知各从节点， 第一个从节点 发送一个特定的报文， 各从节点转发该特定报文， 测量自己与最后一个从节点间的网络时间 延迟；
(4 )进入网络周期性工作阶段， 第一个从节点周期性地发送一个同步报文， 各从节点在 接收到该同步报文后将转发此同步报文到下一个从节点， 各从节点收到该同步报文后， 延迟 一定的时间以补偿网络时间延迟， 然后动作， 实现从节点间动作同步性；
( 5 )其他的各从节点的延迟定时器也设定初始参数值，该初始参数为测量从节点间网络 时间延迟中测得的该从节点相对于最后一个从节点的网络时间延迟； 各从节点在收到同步报 文后， 触发 迟定时器，. 该延迟定时器在时钟信号的驱动下， 开始计时， 到设定的初始参数 后，产生一个中断信号， 从节点根据该中断信号锁存当前的状态并按照控制报文的命令动作， 并将当前的状态信息以报文的形式发送到主节点； 主节点收到各从节点的状态信息后， 然后 作数据规划， 并将规划的数据以数据报文的形式在该周期发送到各从节点； 各从节点在收到 数据报文后， 在下一周期按照同样的方式动作； 这样周期往复下去， 实现系统正常的周期数 据交换和同步动作。
所述歩骤 2) 中， 对于链状网络， 主节点对各从节点进行枚举和配置过程为， 从主节点 收到最后一个从节点的应答报文后， 开始发送配置报文， 跟主节点相连的第一个从节点， 此 时节点号为 0, 将先收到配置报文， 收到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下一个从节 点， 第一个从节点将自己的节点号设置为 1 , 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等， 主节点在配置完第一个从节点后， 将再发下一个配置报文， 第一 个从节点将转发此配置报文到第二个从节点， 此时节点号为 0， 第二个从节点在收到此配置 报文后将不转发此配置报文到下一个从节点， 第二个从节点将自己的节点号设置为 2， 同时 发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等； 这样依次类推， 直到配 置到最后一不从节点； 这样每个从节点都有自己唯一的节点标号， 主节点也建立一个节点表， 包含各从节点的节点号、 各从节点的功能和作用等；
对于环形网络， 主节点通过一个数据接口开始发送配置报文， 跟主节点相连的第一个从 节点， 此时节点号为 0， 将先收到配置报文， 收到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下 一个从节点， 第一个从节点将自己的节点号设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的 节点号、 该从节点的功能、 作用等， 主节点在配置完第一个从节点后， 将再发下一个配置报 文， 第一个从节点将转发此配置报文到第二个从节点， 此时节点号为 0， 第二个从节点在收 到此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从节点， 第二个从节点将自己的节点号设置为
2， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等， 这样依次类推， 直到配置完最后一个从节点； 此时主节点再发配置报文， 各从节点都有自已的节点号， 各从 节点都将转发此配置报文， 最后一个从节点将转发此配置 ί艮文到主节点的另一个数据线接口 上； 主节点 ¾收到此配置报文后， 说明整个系统将配置完毕， 这样每个从节点都有自己唯一 的节点标号， 主节点也建立一个节点表，包含各从节点的节点号、各从节点的功能和作用等。
所述步骤 3 ) 中测量网络时间延迟的控制报文结构为 ΙΕΕΕ802. 3协议规范， 其组成包括 前导符 7bytes、 分割符 lbyte、 目的地址 6bytes、 源地址 6bytes、 长度 /类型字段 2bytes、 数据段 46- 1500bytes、帧校验序列域 4bytes，其中数据段又分为两个 bytes的主节点报文标 志，紫跟着的一个 byte用来区分控制报文的不同控制信息的控制类型标志，其余为控制报文 的数据信息；
步骤 3 ) 中测量从节点间网络时间延迟方法为， 各从节点收到控制报文后， 将延迟定时 · 器清零， 第一个从节点向下一个从节点发送一个特定的报文， 并触发自己的延迟定时器开始 计时； 第二个从节点收到该特定报文后向下一个从节点转发此报文， 并触发自己的延迟定时. 器开始计时； 这样向下转发下去， 直到最后一个从节点； 最后一个从节点收到该特定报文后 将向上一个从节点转发该特定报文，上一个从节点收到该特定报文后再向上转发该特定报文， 并触发自己的延迟定时器停止计时， 这样向上转发并触发自己的延迟定时器停止计时， 直到:: 第一个从节点； 第一个从节点收到该特定报文后将触发自己的延迟定时器停止计时， 并不再 转发该特定 文； 这样， 每个从节点即可获得自己与最后一个从节点间的网络时间延迟， 即 延迟定时器计时的一半， 该延迟定时器的计时将以寄存器参数的形式保存在各从节点上。
当选最后一个从节点为同步信号源时， 特定延迟测量报文由最后一个从节点发出， 测量 各从节点与第一个从节点的时间延时， 工作方法与上述相仿。
所述步骤 4) 的周期性工作阶段中， 各从节点在动作的同时锁存当前从节点的当前状态， 并按照上一个周期收到的主节点的命令报文同时动作， 将该从节点的状态信息以报文的形式 发送到主节点， 主节点分析各从节点的状态信息， 并统一规划下一周期各从节点的动作， 并 将该动作信息以命令报文的形式在该周期传送到各从节点上， 实现各从节点动作的同步性； 周期性地发送一个同步报文是指第一个从节点的周期定时器设定初始参数后， 该初始参 数就是周期性通信的通信周期， 周期定时器在第一个从节点时钟信号的驱动下， 开始计时， · 当计时值到达设定的初始参数时， 该周期定时器产生一个中断信号并将周期定时器清零并重 新开始计时， 第一个从节点收到该中断信号， 将向下发送一个特定的同步报文， 这样周期往 复， 实现了周期性发送同步报文的方法；
当选取最后一个从节点作为同步信号源时， 则指定最后一个从节点的周期定时器设定初 始参数为周 性通信的通信周期， 由最后一个从节点的周期定时器产生中断， 来发送特定的' 同步报文给各从节点。 工作方法与上述相仿。
步骤 4) 中从节点延迟一定的时间， 然后动作的方法为各从节点中的延迟定时器， 各延 迟定时器可设定初始参数值， 该初始参数从节点相对于最后一个从节点的网络时间延迟， 各 从节点在收到同步报文后， 触发延迟定时器， 该延迟定时器在时钟信号的驱动下， 幵始定时， 到设定的初始参数后， 产生一个中断信号， 从节点根据该中断信号锁存当前的状态并按照控 制报文的命令动作， 并将当前的状态信息以报文的形式发送到主节点.。
本发明的思路是在主节点端采用标准网卡， 无需任何专有硬件， 而在网络控制的从节点 中选取一个（如第一个从节点）作为同步信号源。为补偿系统传输的延时， 系统在配置阶段， 测量各网络从节点与最后一个网络从节点的网络传输时间延迟（包括器件延时、 传输线延时 和从节点时钾抖动延时），并以寄存器参数的形式保存在网络从节点的延迟定时器上，其准确 度可达到 ns级， 同步信号源根据系统配置的时间参数周期性地准确地（取决于从节点的时钟 . 精度， 可达 ns级）发送同步报文， 各网络从节点在收到该同步报文时根据测得的传输延迟时 间动作， 实现了各网络从节点的动作实时同步性。 它结合 FPGA (现场可编程门阵列）技术实 现了一种新的用于现场级通信的实时同步以太网络，将以太网中的节点分为主节点和从节点， 适合于分布式控制系统。 给出了以太网中实现全双工通信的网络拓扑结构， 并给出了主节点 自动枚举和配置从节点的方法， 以及实现网络实时通信和各从节点间同步动作的方法。
本发明的益处是降低了系统主节点端实时性要求， 主节点端可以采用标准网卡， 无需实 时操作系统支持， 真正实现了控制系统硬件的开放性， 降低了系统成本。
附图说明
图 1为实施例 1的链状系统链状拓扑结构图；
图 2为图 1的以太网连接实例结构图；
图 3为图 1的以太网连接另一实施例结构图；
图 4为系统的环形拓扑结构图；
图 5为 4的以太网连接实例结构图；
图 6为实现从节点精确同步的方法图；
图 7为数据的传输协议格式图；
图 8为数据的传输协议另一格式图;
图 9为系统的工作流程图。
其中， 1.主节点， 2.从节点， 3.数据发送线， 4.数据接收线， 5.普通标准网卡， 6.网络 变压器， 7. PHY芯片， 8.带 MAC IP核的 FPGA, 9.信号同步线， 10.定时器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 实施例 1:
以一个主节点和两个从节点为例来说， 该系统的链状拓扑结构如图 1所示。
主节点 1和从节点 2之间的通信分别由数据发送线 3和数据接收线 4来完成， 从节点 2 之间的通信也由数据发送线 3和数据接收线 4来完成， 这样就实现了各节点间数据的全双工 通信。 从节 有存储转发和直接转发的功能， 主节点 1发送的数据经过从节点 2时， 从节点 2接收并直接转发给下一个从节点 2，从节点 2的数据发送给主节点 1时，若从节点 2有要发 送给主节点 1的数据， 贝 U从节点 2先存储下一个从节点 2的数据， 等从节点 2发送给主节点 1的数据发送完后， 再转发下一个从节点 2的数据， 若从节点 2没有要发送给主节点 1的数 据， 则从节点 2直接转发下一个从节点 2的数据。 这样就实现了系统的全双工通信。 此拓扑 结构不仅适用于以太网， 还可适用于用户自定义的或其他公知的传输协议形式，只是 FPGA中 IP核的协议不同。
图 1的详细结构如图 2所示， 其中的 1为主节点， 2为从节点， 5为普通标准网卡， 6为 网络变压器， 7为 PHY芯片， 8为带 MAC IP核的 FPGA。
在该系统的链状结构中， 主节点 1可以自动检测系统是否可靠连接和正常工作。 在最后 —个从节点 2中通过一个拨码配置开关或其他公知的方式， 表明为最后一个从节点。 在主节 点 1 自动检测从节点吋， 主节点 1发送一个查询报文， 第一个从节点 2首先接收到此査询 ί艮 文， 第一个从节点 2将转发此査询报文， 并发送自己的应答报文和将自己的节点号初始化为 0， 下一个从 点 2也即最后一个从节点收到此查询报文后， 发送自己的应答报文（包含为最 后一个从节点的信息)， 并将自己的节点号初始化为 0。 主节点 1收到最后一个从节点 2的应 答报文后， 说明系统连接可靠和各节点正常工作。 若主节点 1在发送完査询报文后， 等待一 段时间（此时间为正常情况下检测最大从节点数的最长时间的 2倍）， 仍然收不到最后一个节 点 2的应答报文， 将报告错误， 说明有故障。
在该系统的链状结构中，主节点 1可以自动枚举和配置各从节点 2。在主节点 1检测到系 统可靠连接和正常工作后， 在主节点 1收到最后一个从节点 2的应答报文后， 开始发送配置 报文， 跟主节点 1相连的第一个从节点 2 (此时节点号为 0)将先收到配置报文， 收到此配置 ί艮文后， 将不转发此配置报文到下一个从节点 2, 第一个从节点 2将自己的节点号设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等， 主节点 1在配置完 第一个从节点 2后， 将再发下一个配置报文， 第一个从节点 2 (此时节点号不为 0)将转发此 配置报文到第二个从节点 2 (此时节点号为 0), 第二个从节点也即最后一个从节点 2在收到 . 此配置报文 ji将自己的节点号设置为 2， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从 节点的功能、 作用等。 这样每个从节点 2都有自己唯一的节点标号， 主节点 1也建立一个节 点表， 包含各节点的节点号， 包含各节点的功能和作用等。 实施例 2:
图 3中为链状结构中， 带有定时器 10的以太网实施例。
它包括主节点 1和若干个从节点 2,主节点 1能枚举和配置各从节点 2， 主节点 1分配给 各从节点 2—个单独的从节点号。 主节点 1发送一个测量从节点间时间延迟的控制报文后， 各从节点 2测量自己与最后一个从节点 2间的网络时间延迟。 在网络周期性工作阶段， 第一 个从节点 2周期性地发送一个同步报文， 各从节点 2在接收到该同步报文后将转发此同步报 文到下一个从节点 2， 各从节点 2收到该同步报文后， 延迟一定的时间以补偿网络时间延迟， ' 然后动作， 这样实现了从节点 2间动作同步性。
主节点 1选用标准网卡 5作为网络通信接口， 各从节点采用 dual PHY 7和带 MAC IP核 的 FPGA 8作！ /网络通信接口， 这样， 主节点 1具有一个通信接口， 而各从节点具有两个通信 接口，·主节点 1的通信接口通过数据线连接到从节点的一个通信接口上， 从节点的另一个通 信接口通过数据线连接到下一个从节点的一个通信接口上， 这样彼此连接下去， 形成一个链 .状网络结构。
主节点 1发送的控制报文结构符合 IEEE802. 3报文结构协议规范， 为了与主节点 1所发 的 TCP/IP等报文格式区别， 在 IEEE802. 3报文结构数据区域中前两个字节用 0X55 表示为 控制报文的格式， 紧跟着的一个字节用来区分控制报文的不同控制信息，例如 0X11表示测量 从节点间时间延迟的控制报文， 剩下的为控制报文的数据区域。 整个报文组成包括前导符 7bytes、 分割符 lbyte、 目的地址 6bytes、 源地址 6bytes、 长度 /类型字段 2bytes、 数据段 46-1500bytes、 帧校验序列域 4bytes， 其中数据段又分为两个 bytes的主节点报文标志， 紧 跟着的一个 byte用来区分控制报文的不同控制信息的控制类型标志，其余为控制报文的数据 信息。
第一个从节点 2周期性发送的同步报文，该同步报文是在各从节点 2间传送，其结构协 议不必符合 IEEE802. 3这种长的报文结构协议规范，由于同步报文关系到同步的精度，因此该 同步报文应尽量短。 该同步报文的用两个字节 0XM55来表示。
由于各晶振在制造时都有一定的偏差， 这也是允许的， 为了消除各从节点的时钟信号抖 动， 各从节点中都设有一个 PLL电路， 各晶振信号经过该 PLL电路后再产生时钟信号， 该相 位^ 1定回路电路消除了各从节点的时钟信号抖动的影响。
其工作过程为：
( 1 )系统上电后， 主节点 1对各从节点 2进行自检， 主节点 1发送一个査询报文， 第一 个从节点 2首先接收到此查询报文， 第一个从节点 2将转发此查询报文， 并发送自己的应答 报文和将自己的节点号初始化为 0， 第二个从节点 2收到此査询报文将转发此查询报文， 并 发送自己的应答报文和将自己的节点号初始化为 0，直到最后一个从节点 2，最后一个从节点 2可以通过拨码开关或者其他的装置来确定， 该最后一个从节点 2收到此査询报文后， 发送 自己的应答 ί艮文， 包含为最后一个从节点的信息， 并将自己的节点号初始化为 0， 主节点 1 收到最后一个从节点 2的应答报文后， 说明系统连接可靠和各节点正常工作； 若主节点 1在 发送完査询 i 文后， 等待一段时间， 此时间为正常情况下枚举最大从节点数的最长时间的 2 倍， 仍然收不到最后一个从节点 2的应答报文， 将报告错误， 说明有故障；
( 2) 自检通过后， 主节点 1对各从节点 2进行枚举和配置， 即主节点 1收到最后一个从 节点 2的应答报文后， 开始发送配置报文， 跟主节点 1相连的第一个从节点 2, 此时节点号 为 0， 将先收到配置报文， 收到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下一个从节点 2， 第一 个从节点 2 自己的节点号设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节 点的功能、 作用等， 主节点 1在配置完第一个从节点后， 将再发个下一个配置报文， 第一个 从节点 2 (此时节点号不为 0)将转发此配置报文到第二个从节点 2， 第二个从节点 2在收到 此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从节点 2, 第二个从节点 2将自己的节点号设置 为 2， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等； 这样依次类 推， 直到配置到最后一个从节点 2; 这样每个从节点 2都有自己唯一的节点标号， 主节点 1 也建立一个节点表， 包含各从节点的节点号、 各从节点的功能和作用等；
(3)主节点 1然后发送一个测量网络时间延迟的控制报文，各从节点上 2包括一个延迟 定时器，第一个从节点 2在收到测量网络时间延迟的控制报文后，将自己的延迟定时器清零， 并转发该测量网络时间延迟的控制报文， 各从节点收到此控制报文后， 也将自己的延迟定时 器清零Q
(4)第一个从节点 2向第二个从节点 2发送一个特定的控制报文，并触发自己的延迟定- 时器开始计时， 第二个从节点 2收到该特定报文后向第三个从节点 2转发此报文， 并触发自 己的延迟定时器开始计时， 最后一个从节点 2收到该特定报文后将向上一个从节点 2转发该 特定报文， 上一个从节点 2收到该特定报文后将上转发该特定报文后， 并触发自己的延迟定 时器停止计时， 直到第一个从节点， 第一个从节点 2收到该特定报文后将触发自己的延迟定 时器停止计吋， 并不再转发该特定报文。 这样， 每个从节点 2就能知道自己跟最后一个从节 点 2间的网络时间延迟， 即延迟定时器计时的一半， 该延迟定时器的计时将以寄存器参数的 形式保存在各从节点上。
(5)系统进入周期性通信阶段， 第一个从节点 2周期性地发送一个同步报文，第一个从 节点 2中的周期定时器可设定初始参数， 该初始参数就是周期性通信的通信周期， 周期定时 器在第一个从节点 2时钟信号的驱动下， 开始计时， 当定时期的值到达设定的初始参数时， 该周期定时器产生一个中断信号并将周期定时器清零， 并再开始定时， 第一个从节点 2收到 该中断信夸， 向下发送一个特定的同步报文.， 各从节点将转发此同步报文。这样周期往复， 实现了周期4发送同步报文的方法。
(6)各从节点 2中的延迟定时器设定初始参数值，该初始参数为测量从节点间网络时间 延迟中测得的该从节点相对于最后一个从节点的网络时间延迟。 从节点 2发送该同步报文、 第三从节点转发完同步报文和第四从节点收到同步报文后， 触发延迟定时器， 该延迟定时器 10在时钟信号的驱动下， 开始定时， 到设定的初始参数后， 产生一个中断信号， 从节点 2根 据该中断信号锁存当前的状态并按照控制报文的命令动作， 并将当前的状态信息以报文的形 式发送到主节点 1。 主节点 1收到各从节点的状态信息后， 然后作数据规划， 并将规划的数 据以数据报文的形式在该周期发送到各从节点 2。 这样周期往复下去， 实现系统正常的周期 数据交换和同步动作。
各从节点 2包括变压器 6、 DUAL PHY 7和带 MAC IP核的 FPGA. 8、 两个定时器 10， 定时 器 10中一个为延迟定时器， 另一个为周期定时器。 实施例 3:
以一个主节点和两个从节点为例来说， 该系统的环形拓扑结构如图 4所示。 1为主节点，： 2为从节点。主节点 1.和从节点 2之间的通信线有两根数据发送线 3和两根数据接收线 4，两 个从节点 2之间的通信也由数据发送线 3和数据接收线 4来完成， 这样相邻的节点间就实现 了数据的全双工通信。 从节点有存储转发和直接转发的功能， 主节点发送的数据经过第一个 从节点 2时， 从节点 2接收并直接转发给下一个从节点 2， 从节点 2的数据发送给主节点 1 时， 若从节点 2有要发送给主节点 1的数据， 则从节点 2先存储下一个从节点 2的数据， 等 从节点 2发送给主节点 1的数据发送完后， 再转发下一个从节点 2的数据， 若从节点 2没有 要发送给主节点 1的数据， 则从节点 2直接转发下一个从节点 2的数据。 主节点 1也可以通 过另一根数据线 3、 4与从节点 2进行通信，方法与上面提到的主节点 1通过数据发送线 3和 数据接收线 4与从节点 2通信方法一致。 即正常情况下， 一根数据线是冗余的， 但该拓扑结 构有容错功能， 即若两个从节点 2之间的数据线连接有断开的时候， 从节点 2可以通过数据 发送线 3和数据接收线 4与主节点 1进行通信， 下一个从节点 2可以通过另一根数据发送线 3和数据接收线 4与主节点 1进行数据通信。 此拓扑结构不仅适用于以太网， 还可适用于用' 户自定义的或其他公知的传输协议形式， 只是 FPGA中 IP核的协议不同。
图 4的内部详细结构如图 5所示。 1为主节点， 2为从节点， 5为作为主节点的通信数据 接口的普通标准网卡， 6为网络变压器， 7为 PHY芯片， 8为带 MAC IP核的 FPGA。
在该系统的环形结构中， 主节点 1可以自动检测系统是否可靠连接和正常工作。 主节点 1通过数据发送线 3和数据接收线 4发送一个査询报文， 第一个从节点 2收到之后转发到下 一个从节点 2, 同时将自己的节点号初始化为 0，下一个从节点也即最后一个从节点 2再通过 数据发送线 3和数据接收线 4转发此查询报文到主节点 1，并初始化自己节点号为 0。主节点 1在收到此査询报文后，说明系统连接可靠和各节点工作正常。若主节点 1等待一段时间（此 时间为正常情况下检测最大从节点数的最长时间的 2倍）后， 仍然接收不到此査询报文， 说 明系统连接不可靠或某个节点不正常工作。
在该系统的环形结构中， 主节点 1有两个数据接口， 可以自动枚举和配置各从节点 2。 主节点 1检测系统可靠连接和正常工作后， 主节点 1通过数据发送线 3和数据接收线 4开始 发送配置报文， 跟主节点 1相连的第一个从节点 2 (此时节点号为 0)将先收到配置报文， 收 到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下一个从节点 2， 第一个从节点 2将自己的节点号 设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、作用等， 主节点 1 在配置完第一个从节点 2后， 将再发个下一个配置报文， 第一个从节点 2将转发此配置报文 到第二个从节点 2 (此时节点号为 0), 第二个从节点 2在收到此配置报文后将不转发此配置 报文到下一个从节点 2， 第二个从节点 2将自己的节点号设置为 2， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等。 此时主节点再发配置报文， 各从节点 2都有 自己的节点号 （此时节点号不为 0)， 各从节点 2都将转发此配置报文， 最后一个从节点 2将 转发此配置报文到主节点 1的另一个数据线接口上。 主节点 1在收到此配置报文后， 说明整 个系统将配置完毕。 这样每个从节点 2都有自己唯一的节点标号， 主节点 1也建立一个节点 表， 包含各从节点 2的节点号， 包含各节点的功能和作用等。 实施例 4:
在上面所说的链状和环形网络结构中， 除上述采用选定同步信号源发送同步报文实现同 步的方法外^还提出了一种用于各从节点精确同步的方法，就是从节点之间除了数据线之外， 再加一根同步信号线。
以链状拓扑结构为例， 如图 6所示， 1为主节点， 2为从节点，. 3为数据发送线、 4为数 据接收线， 9为同步信号线。 在从节点 2中可任选一个从节点为同步信号源， 举以最后一个 从节点 2为同步信号源为例， 最后一个从节点 2负责严格的定时和同步信号的发送， 周期性 的通过同步信号线 9发送同步信号.。 其他的从节点 2接收同步信号。 如果不考虑传输线的线 上延迟， 各从节点 2将同时收到同步信号， 同时动作， 实现各从节点 2动作的同步性。 如果 考虑传输线的线上延迟， 各从节点 2收到同步信号的线上延迟时间是固定的， 在配置阶段根 据各节点的传输线长和器件的传输延时给各从节点 2中设置一个时间延迟参数寄存器（也可 为延迟定时器）， 在收到同步信号后，每次延迟一段确定的时间再动作，这样就实现了各从节 点 2的精确同步动作。 在上面所说的链状和环形网络结构中， 除了主节点可以与各从节点进行数据通信外， 各 从节点之间也可以进行数据通信。 主节点与各从节点进行数据通信的传输协议和报文格式， 主要包括主节点配置报文、 主节点数据 ί艮文、 从节点数据报文三类。 主节点与从节点间以及 各从节点间数据通信协议符合以太网帧协议规范， 举以太网 ΙΕΕΕ802. 3帧协议格式为例， 如 图 7所示,包括前导符、 分割符、 目的地址、 源地址、 长度 /类型字段、 数据段、 帧校验序列 域等组成。 其中数据段中包括非周期数据和周期数据， 周期数据是工业控制中， 任务（如功 能块的执行）通常按照一定的时间间隔发出，并且对任务的执行时间具有截止性要求的数据。 非周期数据是只有在特定的事件触发下才出现，例如节点配置、故障诊断、程序的上载 /下载、 运行记录、 报警处理等。
图 8中给出了主节点 1发送的另一种控制报文结构， 它也符合 ΙΕΕΕ802. 3报文结构协议 规范， 为了与主节点 1所发的 TCP/IP等报文格式区别，在工 ΕΕΕ802. 3报文结构数据区域中前 两个字节用 0Χ55ΑΑ表示为控制报文的格式，紧跟着的一个字节用来区分控制报文的不同控制 信息， 例如 0X11表示测量从节点间时间延迟的控制报文， 剩下的为控制报文的数据区域。整 个报文组成苞括前导符 7bytes、 分割符 lbyte、 目的地址 6bytes、 源地址 6bytes、 长度 /类 型字段 2bytes、数据段 46- 1500bytes、 帧校验序列域 4bytes， 其中数据段又分为两个 bytes 的主节点报文标志， 紧跟着的一个 byte用来区分控制报文的不同控制信息的控制类型标志， 其余为控制报文的数据信息。 主节点配置（查询） 报文： 系统上电以后或系统重构以后， 主 节点发送此报文， 完成系统的检测以及对各从节点的自动枚举和配置。
主节点数据报文用于向从节点发送指令数据， 在一次通讯周期中， 主节点发送一次主节 点周期数据报文， 从节点接收后从中提取自己的数据。
从节点数据报文用于向主节点反映该节点的运行状态， 在一次通讯周期中， 从节点都会 向主节点发送一次从节点数据报文。
在系统完成从节点的自动枚举和配置过程后， 以链状结构为例， 如图 6所示， 主节点 1 发送周期数据报文， 在保证各从节点 2都收到主节点 1的周期数据报文的前提下， 同步信号 源即最后一个从节点 2周期性的通过信号同步线 9发送一个同步信号， 各从节点 2在收到此 信号后， 经过设定的延迟时间值后， 锁存当前的工作状态， 按照收到的主节点 1周期数据同 时动作， 并 时将当前的工作状态即从节点周期数据报文发送到主节点 1。
图 9给出了本发明系统的工^流程。
—种实现以太网链状网络从节点间同步的方法，
( 1 )系统上电后， 对于链状网络， 主节点对各从节点进行自检， 主节点发送一个査询报 文， 第一个从节点首先接收到此査询报文， 然后转发此查询报文， 并发送自己的应答报文， 将自己的节点号初始化为 0; 各从节点在收到查询报文后依次转发此査询报文， 并发送自己 的应答报文和将自己的节点号初始化为 0, 直到最后一个从节点； 最后一个从节点可以通过 拨码开关或者其他的装置来确定， 该最后一个从节点收到此查询报文后， 发送自己的应答报 文， 包含为最后一个从节点的信息， 并将自己的节点号初始化为 0， 主节点收到最后一个从 节点的应答报文后， 说明系统连接可靠和各节点正常工作； 若主节点在发送完査询报文后， 在设定时间内收不到最后一个从节点的应答报文， 将报告错误， 说明有故障； 对于环形网络， 主节点发送一个査询报文，第一个从节点收到之后转发到下一个从节点，' 同时将自己的节点号初始化为 0，各从节点依次转发并将自己节点号初始化为 0，直到最后一 个从节点， 最后一个从节点再转发此査询报文到主节点， 并初始化自己节点号为 0; 主节点 在收到此査询报文后， 说明系统连接可靠和各节点工作正常； 若主节点在设定时间内仍然接 收不到此查询报文， 说明系统连接不可靠或某个节点不正常工作；
(2) 自检通过后， 主节点对各从节点进行枚举和配置；
(3)然后， 主节点发送一个测量网络时间延迟的控制报文通知各从节点， 第一个从节点 发送一个特定的报文， 各从节点转发该特定报文， 测量自己与最后一个从节点间的网络时间 延迟；
(4)进入网络周期性工作阶段， 第一个从节点周期性地发送一个同步报文， 各从节点在 接收到该同步报文后将转发此同步报文到下一个从节点， 各从节点收到该同步报文后， 延迟 一定的时间以补偿网络时间延迟， 然后动作， 实现从节点间动作同步性；
(5)其他的各从节点的延迟定时器也设定初始参数值，该初始参数为测量从节点间网络 时间延迟中测得的该从节点相对于最后一个从节点的网络时间延迟； 各从节点在收到同步报 文后， 触发延迟定时器， 该延迟定时器在时钟信号的驱动下， 开始计时， 到设定的初始参数 后，产生一个中断信号， 从节点根据该中断信号锁存当前的状态并按照控制报文的命令动作， 并将当前的状态信息以报文的形式发送到主节点； 主节点收到各从节点的状态信息后， 然后 作数据规划， 并将规划的数据以数据报文的形式在该周期发送到各从节点； 各从节点在收到 数据报文后， 在下一周期按照同样的方式动作； 这样周期往复下去， 实现系统正常的周期数 据交换和同步动作。
所述步骤 2) 中， 对于链状网络， 主节点对各从节点进行枚举和配置过程为， 从主节点 收到最后一个从节点的应答报文后， 开始发送配置报文， 跟主节点相连的第一个从节点， 此 时节点号为 0， 将先收到配置报文， 收到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下一个从节 点， 第一个从节点将自己的节点号设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等， 主节点在配置完第一个从节点后， 将再发下一个配置报文， 第一 个从节点将转发此配置报文到第二个从节点， 此时节点号为 0， 第二个从节点在收到此配置 报文后将不转发此配置报文到下一个从节点， 第二个从节点将自己的节点号设置为 2， 同时 发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等； 这样依次类推， 直到配 置到最后一个从节点； 这样每个从节点都有自己唯一的'节点标号，主节点也建立一个节点表， 包含各从节 的节点号、 各从节点的功能和作用等；
对于环形网络， 主节点通过一个数据接口开始发送配置报文， 跟主节点相连的第一个从 节点， 此时节点号为 0, 将先收到配置报文， 收到此配置报文后， 将不转发此配置报文到下 一个从节点， 第一个从节点将自己的节点号设置为 1， 同时发送一个应答报文， 包含自己的 节点号、 该从节点的功能、 作用等， 主节点在配置完第一个从节点后， 将再发下一个配置报 文， 第一个从节点 3各转发此配置报文到第二个从节点， 此时节点号为 0， 第二个从节点在收 到此配置报文后将不转发此配置报文到下一个从节点， 第二个从节点将自己的节点号设置为
2, 同时发送一个应答报文， 包含自己的节点号、 该从节点的功能、 作用等， 这样依次类推，： 直到配置完最后一个从节点； 此时主节点再发配置报文， 各从节点都有自己的节点号， 各从 节点都将转发此配置报文， 最后一个从节点将转发此配置报文到主节点的另一个数据线接口 上； 主节点在收到 1*配置报文后， 说明整个系统将配置完毕， 这样每个从节点都有自己唯一 的节点标号， 主节点也建立一个节点表， 包含各从节点的节点号、各从节点的功能和作用等。
所述步骤 3) 中测量网络时间延迟的控制报文结构为 IEEE802. 3协议规范， 其组成包括 前导符 7byt s、 分割符 lbyte、 目的地址 6bytes、 源地址 6bytes、 长度 /类型字段 2bytes、 数据段 46- 15&00bytes、帧校验序列域 4bytes,其中数据段又分为两个 bytes的主节点报文标 志，紧跟着的一个 byte用来区分控制报文的不同控制信息的控制类型标志，其余为控制报文 的数据信息；
步骤 3) 中测量从节点间网络时间延迟方法为， 各从节点收到控制报文后， 将延迟定时 器清零， 第^个从节点向下一个从节点发送一个特定的报文， 并触发自己的延迟定时器开始. 计时； 第二个从节点收到该特定报文后向下一个从节点转发此报文， 并触发自己的延迟定时. 器开始计时； 这样向下转发下去， 直到最后一个从节点； 最后一个从节点收到该特定报文后.' 将向上一个从节点转发该特定报文，上一个从节点收到该特定报文后再向上转发该特定报文， 并触发自己的延迟定吋器停止计时， 这样向上转发并触发自己的延迟定时器停止计时， 直到 第一个从节点； 第一个从节点收到该特定报文后将触发自己的延迟定时器停止计时， 并不再 转发该特定报文； 这样， 每个从节点即可获得自己与最后一个从节点间的网络时间延迟， 即 延迟定时器计时的一半， 该延迟定时器的计时将以寄存器参数的形式保存在各从节点上。
当选最后一个从节点为同步信号源时， 特定延迟测量报文由最后一个从节点发出， 测量 各从节点与第一个从节点的时间延时， 工作方法与上述相仿。
所述步骤 4) 的周期性工作阶段中， 各从节点在动作的同时锁存当前从节点的当前状态， 并按照上一个周期收到的主节点的命令报文同时动作， 将该从节点的状态信息以报文的形式 发送到主节点， 主节点分析各从节点的状态信息， 并统一规划下一周期各从节点的动作， 并 将该动作信息以命令报文的形式在该周期传送到各从节点上， 实现各从节点动作的同步性； ' . 周期性地发送一个同步报文是指第一个从节点的周期定时器设定初始参数后， 该初始参 数就是周期性通信的通信周期， 周期定时器在第一个从节点时钟信号的驱动下， 开始计时， 当计时值到达设定的初始参数时， 该周期定时器产生一个中断信号并将周期定时器清零并重 新开始计时， 第一个从节点收到该中断信号， 将向下发送一个特定的同步报文， 这样周期往 复， 实现了周期性发送同步报文的方法；
' 步骤.4) 中从节点延迟一定的时间， 然后动作的方法为各从节点中都包括一个延迟定吋 器， 各延迟定时器可设定初始参数值， 该初始参数从节点相对于最后一个从节点的网络时间 延迟， 各从节点在收到同步报文后， 触发延迟定时器， 该延迟定时器在时钟信号的驱动下， 开始定时， 到设定的初始参数后， 产生一个中断信号， 从节点根据该中断信号锁存当前的状 态并按照控制报文的命令动作， 并将当前的状态信息以报文的形式发送到主节点。
. 当选取最后一个从节点作为同步信号源时， 则指定最后一个从节点的周期定时器设定初 始参数为周期性通信的通信周期， 由最后一个从节点的周期定时器产生中断， 来发送特定的 同步报文给各从节点。 工作方法与上述相仿。 当选定的信号源不是两端的从节点而是从它们之间的从节点中任意选定一个吋， 其同步' 方法与前述基本相同， 只是它应按照前述工作方法同时向其前方和后方的从节点发送信号。 即它应同时向其前方和后方的从节点发送特定延迟测量报文， 分别测量前方各从节点与第一 个从节点的时间延时， 同时还测量后方各从节点与最后一个从节点的时间延时， 具体过程如 上所述。 测量结束后， 将各从节点的延迟时间送至主节点， 由主节点根据最大延迟时间分别 计算各从节点的延迟时间， 然后再发送给各从节点存储到延迟定时器 10, 作为各从节点的延 迟时间。 然后由该被选为信号源的从节点的周期定时器产生中断， 并向其前方和后方的从节 点发送同步报文， 各从节点在接收到同步报文后， 经延迟定时器延时相应时间执行相应动作， 完成同步过程。