沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 現(xiàn)在用于工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)主要是世界大工業(yè)集團(tuán)及設(shè)備制造商推出的現(xiàn)場(chǎng)總 線及工業(yè)以太網(wǎng)等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線之間沒(méi)有兼容性，開(kāi)放性不強(qiáng)，而且其傳輸速 率不高，通信距離也限制在幾千米以內(nèi)。工業(yè)以太網(wǎng)雖然有著應(yīng)用廣泛、價(jià)格低 廉和通信速率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的可靠性、安 全性和實(shí)時(shí)性，工業(yè)以太網(wǎng)也存在應(yīng)用上的限制。 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)絡(luò)( w i d o s n e t ) 就是在這樣的背景下提出來(lái)的。寬帶綜 合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是基于s d h 、光纖通信、s o p c 等技術(shù)，利用片上數(shù)據(jù)選擇的概 念來(lái)完成傳統(tǒng)交換功能，又具有數(shù)據(jù)帶寬可變的靈活性，是一種全新的工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)。它能提供高容量的數(shù)據(jù)帶寬，并且抗干擾能力強(qiáng)傳輸距離遠(yuǎn)，能滿足工業(yè) 控制和多媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，應(yīng)用前景非常廣闊。 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是本課題組自行設(shè)計(jì)的一種概念全新的網(wǎng)絡(luò)模型。本 論文致力于寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的研究與設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)節(jié) 點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的工作。論文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)進(jìn) 行研究，為了更好的了解節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上介紹了寬帶綜合數(shù) 據(jù)光同步網(wǎng)，并對(duì)其系統(tǒng)組成、功能、特點(diǎn)和幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。然后進(jìn) 一步深入探討了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的結(jié)構(gòu)( 其中包括節(jié)點(diǎn)解串器與節(jié)點(diǎn)成串器兩部 分) 、工作過(guò)程以及功能。論文針對(duì)典型控制網(wǎng)絡(luò)的模型、協(xié)議、特點(diǎn)進(jìn)行分析， 并借鑒其特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本網(wǎng)絡(luò)的需要，給出了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) 管理器硬件電路及其內(nèi)部功能模塊的研究與設(shè)計(jì)。由于本網(wǎng)是一個(gè)嶄新的網(wǎng)絡(luò)且 網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)上可能還不太成熟，但是為以后網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)的進(jìn) 一步深化做了實(shí)踐。 關(guān)鍵詞：寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)；f p g a ：節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器；節(jié)點(diǎn)解串器；節(jié)點(diǎn)成 串器 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h em a i nn e t w o r ku s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o ln o w a d a y si sf i e l d b u sa n di n d u s t r i a l e t h e m e t ，w h i c hi sp r o p o s e db yw o r l di n d u s t r i a lg r o u pa n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s t h e s ef i e l d b u s e sw h i c ha r en o tc o m p l e t e l yo p e n i n gt oe a c ho t h e ra r ei n c o m p a t i b l ea n d t h e i rt r a n s f e rr a t ei sl o w , f u r t h e rm o r et h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea l s ol i m i t sw i t h i n s e v e r a lk i l o m e t e r s a si n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi sp a r t i c u l a r l ye m p h a s i s o nd a t ar e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , a n dr e a l t i m e , a l t h o u g hi n d u s t r i a le t h e m e ti sw i d e l yu s e d ， i n e x p e n s i v ea n dh a sh i g hs p e e do fc o m m u n i c a t i o n , t h ei n d u s t r i a le t h e r n e ti s a l s o r e s t r i c t e di na p p l i c a t i o n s s ot h ew i d e b a n di n t e g r a t e dd i 沓t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r k ( w i d o s n e t ) i s p r o p o s e da g a i n s tt h i sb a c k d r o p t h ew l d o s n e tw h i c hi saf i r e n e wi n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r ki sb a s e do ns d h ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，s o p ct e c h n o l o g y , a n di tu s e s t h ec o n c e p to fo n - c h i pd a t as e l e c t i o nt oc o m p l e t et h et r a d i t i o n a lf u n c t i o n so fe x c h a n g e m o r e o v e li t a l s oh a st h ef l e x i b i l i t yo fv a r i a b l e d a t ab a n d w i d t h t h ew i d o s n e t p r o v i d e sh i 【g hd a t ab a n d w i d t h ，a n dh a st h eh i g ha b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g i tc a l ls a t i s f y t h ei n d u s t r i a lc o n t r o la n dm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o no fd a t ai na r e a ss u c ha sr e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti sv e r yb r i g h t t h ew i d o s n e ti sab r a n n e wn e t w o r km o d e lw h i c hi sd e s i g n e db yt h et e a m t h i s p a p e ri s c o m m i t t e dt ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ew i d o s n e t sn o d ed a t a m a n a g e m e n t ，a n di t st a r g e t i sm a i n l yt h en o d es y s t e m f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to f d o m e s t i ca n df o r e i g ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ki sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i no r d e rt o u n d e r s t a n dt h ec o n t e n t so fn o d ed a t am a n a g e m e n tb e t t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e w i d o s n e t a n di t sc o m p o n e n t s ，f u n c t i o n s ，f e a t u r e sa n df r a m es t r u c t u r ea r ed e s c r i b e d i nd e t a i l s e c o n d , t h es t r u c t u r eo fn o d ed a t am a n a g e m e n t ( i ti n c l u d e st h en o d e d e s e r i a l i z e ra n dt h en o d es e r i a l i z e rt w op a r t s ) ，w o r kp r o c e s s e sa n df u n c t i o n sa r e e x p l o r e df u r t h e r n ep a p e ra n a l y z e st h em o d e l p r o t o c o la n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t y p i c a lc o n t r o ln e t w o r k , a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n di n t e r i o rf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h e w i d o s n e t sn o d ed a t am a n a g e m e n ta r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nl i g h to ft h e n e t w o r k sn e e d s a st h i sn e t w o r ki san e wn e t w o r ka n dt h es t r u c t u r e si sc o m p l e x ， t h e r e f o r et h ed e s i g nm a y b en o tm a t u r ee n o u g h b u ti tp r o v i d e sp r a c t i c et od e e p e nt h e d e s i g no f t h es u b s e q u e n tn e t w o r km o d e l k e y w o r d s ：w i d e b a n di n t e g r a t e dd i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r k ；f p g a ；n o d ed a t a m a n a g e m e n t ；n o d ed e s e r i a l i z e r ；n o d es e r i a l i z e r 沈陽(yáng)理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本 人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出， 并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要 貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本 聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 ：弓暗 日期 ：勱毋年3 月千日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解沈陽(yáng)理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，即：沈陽(yáng)理工大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交學(xué) 位論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)沈陽(yáng)理工 大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書(shū)) 一繇磁 指導(dǎo)教師簽名：考古叭 日 期：加p 莎互午日 期：扣d 9 3 、s 第1 章緒論 1 1 研究背景和意義 第1 章緒論 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的突破以及因特網(wǎng)( i n t e m e t ) 業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，人們對(duì) 通信業(yè)務(wù)的需求逐漸由語(yǔ)音需求變?yōu)閷?duì)數(shù)據(jù)、圖像和語(yǔ)音的綜合需求，傳統(tǒng)的通 信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來(lái)越不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信需求，需要新的網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供豐富 的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像以及多媒體業(yè)務(wù)。 在郵電通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時(shí)，作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展卻并不像其在其他兩大領(lǐng)域中的發(fā)展一樣，計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展 較為緩慢。一方面由于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性的特別要 求；另一方面，由于各大集團(tuán)的壟斷性質(zhì)，大的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集團(tuán)都制定專有 的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并向市場(chǎng)推廣應(yīng)用專有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，專有的工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)相互之間基本上很難兼容，這種情況從客觀上保護(hù)了供應(yīng)商的投資利益，但 大大地增加了用戶的投資成本，并嚴(yán)重地阻礙了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。因此， 出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面。從2 0 世紀(jì)5 0 年代后期開(kāi)始，計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)經(jīng)過(guò)了如下發(fā)展階段：早期的控制網(wǎng)絡(luò)、分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( d c s ) 、現(xiàn)場(chǎng) 總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( f c s ) 、以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)，控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù) 字、從集中到分散的過(guò)程嘲伽。 隨著三網(wǎng)的融合，當(dāng)前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)正朝著全分散、全數(shù)字、全開(kāi)放、全 業(yè)務(wù)，即不僅要傳輸控制數(shù)據(jù)，還要傳輸管理數(shù)據(jù)，同時(shí)還要具備對(duì)實(shí)時(shí)性要求 很強(qiáng)的語(yǔ)音、圖像等信息進(jìn)行傳輸，達(dá)到將調(diào)度與管理功能溶入網(wǎng)絡(luò)中的新要求 的全新的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方向發(fā)展。這種控制網(wǎng)絡(luò)更適用于今后的工業(yè)過(guò)程控制， 制造業(yè)、軍艦指揮調(diào)度系統(tǒng)及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域，將成為未來(lái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的 主流。 順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，本課題組提出了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)( w i d o n e t ) ，解 決了速率與傳輸距離的問(wèn)題，作為獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的底層綜合控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 性綜合數(shù)據(jù)的通信，更好的滿足了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。寬帶綜合數(shù)據(jù)光同 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 步網(wǎng)能既能夠滿足實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通信的要求，又能滿足指揮、調(diào)度、管理為一體， 達(dá)到底層統(tǒng)一，當(dāng)采用的系統(tǒng)越少，系統(tǒng)集成性越高，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的誤碼率及 安全系數(shù)越高。同時(shí)，寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)在控制網(wǎng)絡(luò)之上可以充分利用已有 的技術(shù)，使用以太網(wǎng)協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部i n t e m e t 相連接的開(kāi)放 的開(kāi)發(fā)體系。 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢(shì) 1 2 1 早期的控制網(wǎng)絡(luò) 2 0 世紀(jì)5 0 年代以后，產(chǎn)生了第一代過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，這種方式使用的模擬信號(hào)。 到了7 0 年代，人們?cè)跍y(cè)量、模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了數(shù)字計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn) 生了集中式控制系統(tǒng)( c c s ) 。 所謂集中式控制是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)加上擴(kuò)展i o 接口構(gòu)成。中心控制是一臺(tái) 計(jì)算機(jī)，也可以是單片機(jī)，也可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，或者是通用型工業(yè)控制機(jī)，其 擴(kuò)展的i o 接口模板按適用總線的不同分成不同的系列。這種結(jié)構(gòu)有著與生俱來(lái) 的缺點(diǎn)，這是由集中式控制機(jī)制帶來(lái)的缺點(diǎn)。主要問(wèn)題是h 閽： ( 1 ) 集中式的計(jì)算機(jī)控制降低了系統(tǒng)的可靠性。 ( 2 ) 模擬信號(hào)數(shù)字化的工作在計(jì)算機(jī)端，使得太多太長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)連線通過(guò)各類 干擾環(huán)境到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，這些連線各自傳遞著不同性質(zhì)的信號(hào)，微弱電流和電壓信號(hào)， 也有大功率的脈沖，加上環(huán)境干擾，使系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都十分困難。 ( 3 ) 開(kāi)發(fā)大范圍的系統(tǒng)比較困難。 1 2 2 分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( d c s ) 集散控制系統(tǒng)于2 0 世紀(jì)8 0 - - 9 0 年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、 分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干下位機(jī)下 放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間 的信息傳遞。因此，這種分布式的控制體系結(jié)構(gòu)有力的克服了集中式數(shù)字控制系 統(tǒng)對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中分布式控制思想 的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。遺憾的是，不同的d c s 廠家為了達(dá)到 2 第1 章緒論 壟斷經(jīng)營(yíng)的目的而對(duì)其控制通信網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，不同廠家的d c s 系統(tǒng)之間以及d c s 與上層i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息網(wǎng)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息 共享，因此d c s 從這個(gè)角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉專用的、不具有互操作性的分布 式控制系統(tǒng)，且d c s 造價(jià)也昂貴。在這種情況下，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開(kāi) 放性和降低成本的迫切要求1 。 1 2 3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( f c s ) 2 0 世紀(jì)9 0 年代后期，人們?cè)赿 c s 的基礎(chǔ)上開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，f c s 就是采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為通 信系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)。 f c s 與傳統(tǒng)的d c s 相比，它有兩個(gè)新特征：第一，f c s 將d c s 中的i o 總 線用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)替代，并直接用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)：第二，f c s 用現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字儀表替 代d c s 中的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，其變送器不僅具有信號(hào)變換、補(bǔ)償、累加功能而且具 有諸如p i d 等運(yùn)算控制功能，其執(zhí)行器不僅具有驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)功能，而且有特性補(bǔ) 償、自校驗(yàn)、自診斷和p i d 控制功能盯，。 于是控制專家們紛紛預(yù)言：f c s 將成為2 1 世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。的確，現(xiàn)場(chǎng) 總線的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用，然而，就 在人們沸沸揚(yáng)揚(yáng)的對(duì)f c s 進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)有注意到它的發(fā)展在某些方 面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在總線通信協(xié)議的多樣性，迄今為止現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊標(biāo) 準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的f c s 中兼容，使得不同總線 產(chǎn)品不能互相互連，互用和互操作等，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)總線這類專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng) 絡(luò)的成本，使得現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的限制。此外，f c s 的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線( f f ) 制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了 i s o 的參考模型中的3 層( 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層) 和極具特色的用戶層，其 低速總線h 1 的傳輸速度為3 1 2 5 k b p s ，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿足實(shí)時(shí)控制的要 求 s i 。 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休，不但使用戶無(wú)所適從，而且使得現(xiàn)場(chǎng)總線控制 系統(tǒng)發(fā)展得十分緩慢。為了加快新一代系統(tǒng)的發(fā)展，人們開(kāi)始尋求新的出路，人 們把目光轉(zhuǎn)移到了以太網(wǎng)技術(shù)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 4 以太網(wǎng)( e t h e m e t ) 當(dāng)前以太網(wǎng)采用星型或總線型結(jié)構(gòu)，傳輸速率分別為l o m b s 、1 0 0 m b s 、 1 0 0 0 m b s 甚至更高。由于以太網(wǎng)的m a c 層協(xié)議是c s m a c d ，該協(xié)議使得在網(wǎng) 絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果 存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。 在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性，必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)控制性能的 降低。因此無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時(shí)候， 發(fā)生沖突的概率也就越大。有資料顯示當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷低于3 6 時(shí)，基本上不 會(huì)發(fā)生沖突，在負(fù)荷為1 0 以下時(shí)，1 0 m 以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每五年一次。1 0 0 m 以 太網(wǎng)沖突機(jī)率為每1 5 年一次。但超過(guò)3 6 后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突的概率是以 幾何級(jí)數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù) 荷，但要以成本為代價(jià)州“州。 1 2 5 工業(yè)以太網(wǎng) 所謂工業(yè)以太網(wǎng)就是在以太網(wǎng)技術(shù)和t c p 口技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種 現(xiàn)場(chǎng)總線。作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)需要高層協(xié)議的支持，各國(guó)的 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)公司為了保護(hù)已有的投資利益和擴(kuò)大自己公司產(chǎn)品的應(yīng)用范圍， 紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場(chǎng)總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和t c p 口技術(shù)，以 及原有的低速現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)以 太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持 續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笠约耙子谂ci n t e m e t 連接等等叫。 目前，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有4 個(gè)主要的競(jìng)爭(zhēng)者，他們是：m o d b u s t c p 工業(yè)以太 網(wǎng)、e t h e m e t i p 工業(yè)以太網(wǎng)、f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e 工業(yè)以太網(wǎng)和p r o f l n e t 工 業(yè)以太網(wǎng)。這樣一來(lái)，要使這些系統(tǒng)相互兼容看來(lái)需要走相當(dāng)長(zhǎng)的路。 工業(yè)以太網(wǎng)雖具有傳輸速度高、兼容性好等方面優(yōu)勢(shì)，但由于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)初 衷是辦公網(wǎng)，以太網(wǎng)的先天不足使其在現(xiàn)場(chǎng)層、設(shè)備層的應(yīng)用受到限制，不能很 好的滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性、可靠性的要求n 蚰n ”。 第1 章緒論 1 2 6 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng) ( 1 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的提出 世界上應(yīng)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要由世界大工業(yè)集團(tuán)推出的互不兼容 的場(chǎng)地總線及工業(yè)以太網(wǎng)等。目前這些場(chǎng)地總線一般都限制在幾兆比特以下及傳 輸距離在1 0 0 0 米以內(nèi)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)要傳輸?shù)男畔⒔咏踔脸^(guò)網(wǎng)絡(luò)最大的容量時(shí)，無(wú) 論采用何種傳輸協(xié)議都會(huì)產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，實(shí)時(shí)性、可靠性也很難滿足?，F(xiàn)今先進(jìn) 的工業(yè)生產(chǎn)指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( c i m s ) ，要求網(wǎng)絡(luò)將控制、調(diào)度與 管理功能溶入網(wǎng)絡(luò)中，新要求不僅要傳輸高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)，同時(shí)要傳送實(shí)時(shí)性很 強(qiáng)的語(yǔ)音、圖像等信息時(shí)，現(xiàn)存的場(chǎng)地總線或局域網(wǎng)絡(luò)大都無(wú)法全面滿足使用的 需求。在此基礎(chǔ)上本課題組共同提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)模型寬帶綜合數(shù)據(jù)光同 步網(wǎng)，采用將傳輸中信息流控制與交換功能分離開(kāi)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、 圖像、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的傳輸( 時(shí)延可控) ，是一種全業(yè)務(wù)的綜合性控制網(wǎng)絡(luò)。 ( 2 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)研究的意義 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)相對(duì)于其它的工業(yè)、企業(yè)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)絡(luò) 來(lái)說(shuō)具有更高的實(shí)時(shí)性，采用數(shù)字同步體系結(jié)構(gòu)，不存在排隊(duì)延遲，特別適合進(jìn) 行有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等信息的傳輸，其性能與現(xiàn)存的任何網(wǎng)絡(luò)相 比都更加可靠；采用獨(dú)特的系統(tǒng)上、下行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙的將語(yǔ)音、圖像、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等融為一體，發(fā)揮其強(qiáng)大一網(wǎng)融多網(wǎng)的通信功能，將計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)、集團(tuán)電話及調(diào)度電話、視頻傳輸及視頻會(huì)議系統(tǒng)等不同種類型的數(shù)據(jù)傳輸 合為一體，在同一網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，節(jié)省了多系統(tǒng)的運(yùn)作投資，也減少了多系統(tǒng)的誤 碼率，向著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用三大領(lǐng)域的統(tǒng)一方向發(fā)展，將具有無(wú)可預(yù)計(jì)的巨 大經(jīng)濟(jì)效益。 1 3 論文研究?jī)?nèi)容及文章結(jié)構(gòu) 1 3 1 論文研究?jī)?nèi)容 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)即w i d o s n e t ，結(jié)構(gòu)上主要由集中器與節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)兩大 部分組成( 具體結(jié)構(gòu)將在后文中詳述) 。本課題不僅完成了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng) 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器理論部分的研究，還對(duì)其硬件電路與其內(nèi)部功能模塊進(jìn)行了研究 與設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)完成了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器硬件電路的開(kāi)發(fā)，此外還包括節(jié)點(diǎn)解串 器以及節(jié)點(diǎn)成串器等內(nèi)部功能模塊的研究與設(shè)計(jì)。 由于寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是剛剛提出的一種網(wǎng)絡(luò)模型，需要考慮的問(wèn)題還 很多，有些功能還有待進(jìn)一步深入的理論探討及改進(jìn)實(shí)現(xiàn)，因此本論文完成了寬 帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器其中一部分功能的設(shè)計(jì)，有些功能還有待進(jìn) 一步完善與擴(kuò)充；有些預(yù)留部分需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不斷完善及擴(kuò)充加以填充。 1 3 2 文章結(jié)構(gòu) 本文共分為7 章，具體結(jié)構(gòu)如下： 第1 章為“緒論 ，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的概況及發(fā)展前景進(jìn)行 了分析，并針對(duì)上述的分析提出一個(gè)新型的控制網(wǎng)絡(luò)寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)， 并于上述各種網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比闡述了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)特點(diǎn)、研究的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意 義以及本文的主要內(nèi)容。 第2 章為“寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 ，本論文致力于寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步 網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部功模塊方面的研究與設(shè)計(jì)，為了更好的了解課題 中本文的工作，介紹了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成、各部分功能、技術(shù)特 點(diǎn)以及幀結(jié)構(gòu)。 第3 章為“寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器簡(jiǎn)介 ，分析闡述了寬帶 綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的結(jié)構(gòu)、功能，有針對(duì)的提出了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理 器的總線結(jié)構(gòu)，其中包括接收控制總線與數(shù)據(jù)總線以及發(fā)送控制總線與數(shù)據(jù)總線 兩部分，并對(duì)總線信號(hào)的定義做了詳細(xì)的闡述。 第4 章為“電路設(shè)計(jì)中使用的相關(guān)開(kāi)發(fā)工具 ，扼要的介紹了本論文在寬帶 綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器內(nèi)部功能模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的技術(shù)與工具， 包括f p g a 的基本結(jié)構(gòu)、f p g a 的開(kāi)發(fā)流程，硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言v h i ) l v e r i l o gh d l 等。 第5 章為“節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器硬件電路設(shè)計(jì)刀，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理 器硬件開(kāi)發(fā)電路的設(shè)計(jì)，包括電路各結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)、特點(diǎn)以及功能。 第6 章為“節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器內(nèi)部功能模塊的研究與設(shè)計(jì) ，詳細(xì)闡述了系統(tǒng) 第1 章緒論 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器內(nèi)部功能模塊的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其中包括節(jié)點(diǎn)解串器與節(jié)點(diǎn)成串器兩 部分，并給出了仿真結(jié)果。 第7 章為“系統(tǒng)板級(jí)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試 ，主要論述系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題以及系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試方法及過(guò)程。 ， 最后，對(duì)寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器電路設(shè)計(jì)方面所進(jìn)行的研究 作以總結(jié)，并指出了本課題需要進(jìn)一步探討研究的內(nèi)容。 1 4 研究方法和技術(shù)路線 該寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器采用a l t e r a 公司推出的低價(jià)位、高 性能c y c l o n e i if p g a 器件e p 2 c 5 系列芯片e p 2 c 5 t 1 4 4 c 6 為主芯片，利用 e p 2 c 5 t 1 4 4 c 6 豐富的資源以及較高的性能配合使用a l t e r a 公司的q u a n u s l i5 0 軟 件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及p r o t e ld x p2 0 0 4 進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的研究與設(shè)計(jì)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)，即w i d o s n c t ，是本課題組自行設(shè)計(jì)的一種概念全 新的網(wǎng)絡(luò)模型，它具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文致力于寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié) 點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的研究與設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的工作。為了更 好的了解課題中本文的工作，下面概述一下寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)及其系統(tǒng)的組 成、功能、特點(diǎn)以及幀結(jié)構(gòu)。 2 1 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)概述 現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都存在著這樣及那樣問(wèn)題，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)( l a n ) 無(wú)論采 用總線競(jìng)爭(zhēng)、令牌及輪詢等方式，許多實(shí)時(shí)性傳輸?shù)膽?yīng)用均無(wú)法滿足( 很難進(jìn)行實(shí) 時(shí)性很強(qiáng)的話音、監(jiān)控圖像等) 。電路交換的公共交換電話網(wǎng)絡(luò)( p s t n ) 又存在數(shù) 據(jù)帶寬固定，控制復(fù)雜，靈活性不足等等問(wèn)題。當(dāng)光纖通信作為傳輸媒介時(shí)，傳 輸帶寬的瓶頸得以解決；當(dāng)高速系統(tǒng)級(jí)芯片( s o c ) 特別片上可編程系統(tǒng)( s o p c ) 應(yīng) 用普及后，使過(guò)去非常復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單起來(lái)?；谏鲜龅陌l(fā)展，我們換 一個(gè)思維模式或角度來(lái)看傳統(tǒng)的交換網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一種與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全不同的網(wǎng)絡(luò)， 也許是解決上述諸多困擾我們問(wèn)題的辦法。這就是我們提出的寬帶綜合數(shù)據(jù)光同 步網(wǎng)( w i d o s n e t ) ，它基于同步數(shù)字體系( s d h ) 、光纖通信、s o p c 等技術(shù)，采用 高速可編程片上系統(tǒng)組成的多處理器信息處理系統(tǒng)，使系統(tǒng)擁有足夠的信息處理 能力。另外采用全新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流量調(diào)整的概念，是一種全新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是將傳輸業(yè)務(wù)控制與交換任務(wù)部分分離開(kāi)的新型交換 技術(shù)，它不是采用集中交換的傳統(tǒng)模式而是采用部分集中處理、交換分散處理的 模式，是將交換變?yōu)檫x擇。簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是將交換機(jī)從網(wǎng)絡(luò)的中心移到用戶端， 沒(méi)有了交換只有選擇。表面看它將中心一臺(tái)交換機(jī)對(duì)n 個(gè)用戶變成中心一臺(tái)簡(jiǎn)單 的傳輸業(yè)務(wù)控制器對(duì)n 臺(tái)交換機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，將原來(lái)用戶獨(dú)立的信道變?yōu)槌涑狻叭?余信息”的公共信道。實(shí)際上，這種選擇首先是在我們的傳輸媒介為光纖，對(duì)單個(gè) 用戶來(lái)說(shuō)它的容量近似為無(wú)限的，其次是廉價(jià)的高性能的處理芯片將n 臺(tái)交換機(jī) 變得異常簡(jiǎn)單的必然結(jié)果?？墒?，這種變化使得過(guò)左件常復(fù)雜的數(shù)據(jù)流量變化的 第2 章寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 交換、不同速率的交換、非周期信號(hào)的數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)交換、 不同類型的數(shù)據(jù)交換、甚至不同網(wǎng)絡(luò)或發(fā)信端間的數(shù)據(jù)交換變的異常簡(jiǎn)單、可將 復(fù)雜昂貴的光交換取而代之，這種變化應(yīng)該說(shuō)是技術(shù)發(fā)展的必然選擇。 此外，寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)( w i d o s n e t ) 是駐地網(wǎng)，它要克服目前廣泛應(yīng)用 的以太網(wǎng)存在實(shí)時(shí)性差及綜合數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜等缺點(diǎn)，又要能很好的與下一代網(wǎng)絡(luò) ( n g n ) 的廣域網(wǎng)銜接。w i d o s n e t 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為有根樹(shù)形，節(jié)點(diǎn)的綜合服務(wù)器( i s d ) 利用片上數(shù)據(jù)選擇的概念來(lái)完成傳統(tǒng)的交換功能又具有數(shù)據(jù)帶寬可變的靈活性。 w i d o s n e t 采用1 2 5 9 s 周期時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，它非常適合傳輸語(yǔ)音信號(hào)， 同時(shí)也方便與同步數(shù)字體系( s d h ) 網(wǎng)絡(luò)連接，因此它可作為接入網(wǎng)。寬帶綜合數(shù) 據(jù)光同步網(wǎng)不存在數(shù)據(jù)碰撞延遲，僅存在可確定的數(shù)據(jù)處理延遲及傳輸延遲。在 數(shù)據(jù)處理延遲及傳輸延遲容忍的情況下，由于光傳輸損耗極小，因此它幾乎沒(méi)有 距離限制( 相對(duì)局域網(wǎng)，它可以傳送5 0 公里以上) 。它上行速率最低在2 0 4 8 m b s ， 上行速率可以變化在2 0 x 2 0 4 8 m b s ( n = 0 、1 、2 、3 、4 ) 。下行速率最低在6 5 5 3 6 m b s ， 更高2 n x 6 5 5 3 6 m b s ( n = 1 、2 、3 、4 、) 。由于它是一種時(shí)延完全確定的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)， 因此可以傳輸數(shù)據(jù)，更適合傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)的語(yǔ)音及圖象等綜合信息。它既可以作 為以文件傳輸為主要目的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)又可以容納傳輸語(yǔ)音為主電話網(wǎng)絡(luò)，同時(shí) 可以兼容以傳送數(shù)字圖像的數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到真正的三網(wǎng)合一。它是將控制信 息與管理信息一網(wǎng)打盡的高性能的全新的網(wǎng)絡(luò)，它既適合用于機(jī)關(guān)、學(xué)校及企業(yè) 的局域網(wǎng)，又可以用在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它又特別適合艦船、飛 機(jī)等信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)由于寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)采用光纖為傳輸媒介，特別 適合于干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境及要求防爆嚴(yán)格的環(huán)境工廠現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的應(yīng)用。 它具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，它的優(yōu)越性能使我們對(duì)它的未來(lái)有無(wú)限的想象空間。 綜上所述，寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是一個(gè)全新的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，它能夠方便 的傳輸文件、語(yǔ)音、圖像及數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)信息，它具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、 高靈活性及高效性的特點(diǎn)。它可以作為下一代網(wǎng)絡(luò)( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 的用戶駐地網(wǎng)( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ，c p n ) ，應(yīng)用于居民小區(qū)公共綜合業(yè)務(wù) 服務(wù)及企事業(yè)的綜合業(yè)務(wù)的管理，又可以作為小型的家庭綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。它還可 以勝任計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 的要求，將要求實(shí)時(shí)性及可靠性嚴(yán)格的工業(yè)控 制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線( f i e l d b u s ) 與經(jīng)營(yíng)及調(diào)度的管理網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)真 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 正的經(jīng)營(yíng)、管理、調(diào)度與控制的網(wǎng)絡(luò)一體化。 2 2 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的組成及各部分功能 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)由集中器與節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)兩大部分組成。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要完 成語(yǔ)音、圖像、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等的模塊化處理功能，集中器則主要針對(duì)來(lái)自網(wǎng)內(nèi)或 者網(wǎng)外的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 2 2 1 集中器部分 圖2 1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其中集中器是寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)絡(luò)的頭端，它位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，它 是一個(gè)多級(jí)多處理器組成的雙機(jī)熱備份系統(tǒng)。圖2 2 為集中器的結(jié)構(gòu)圖。初步設(shè)想 中它具有如下主要功能。 ( 1 ) 負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)傳送的語(yǔ)音、圖像及數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)成幀的任務(wù)。由各接口 組成的分布式緩沖區(qū)及動(dòng)態(tài)調(diào)整的集中式緩沖區(qū)保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行高信道利用率 的數(shù)據(jù)信息調(diào)度。產(chǎn)生與發(fā)布同步時(shí)鐘，通過(guò)數(shù)據(jù)流攜帶的同步時(shí)鐘信息，使網(wǎng) 絡(luò)各節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)鐘同步的目的。 ( 2 ) 資源管理功能，如：信道資源的控制與管理( 動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)流量) 功 能、話路及圖像用戶認(rèn)證及授權(quán)功能、信息管理、口地址管理及轉(zhuǎn)換功能、信息 密鑰管理功能等。 ( 3 ) 系統(tǒng)管理功能：對(duì)部分信息分析進(jìn)行管理的功能、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與 第2 章寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 分配功能、信息量統(tǒng)計(jì)功能、系統(tǒng)狀態(tài)記錄與管理功能等。 ( 4 ) 路由器功能：與局域網(wǎng)( 以太網(wǎng)、各種現(xiàn)場(chǎng)總線) 及其它網(wǎng)絡(luò)( 廣域網(wǎng)： i s d n 、x d s l 、v 5 2 等及分組傳送網(wǎng)a t m 等) 進(jìn)行連接的功能。 ( 5 ) 網(wǎng)絡(luò)安全性保證功能：建立防火墻，濾除可能遭受的惡意攻擊，確保網(wǎng) 絡(luò)的安全性。 ( 6 ) 系統(tǒng)故障自動(dòng)檢測(cè)、記錄、報(bào)警、備份系統(tǒng)自動(dòng)熱切換及手動(dòng)切換、動(dòng) 力電源與備用電源切換功能等。 ( 7 ) 光接收的光電轉(zhuǎn)換及光發(fā)射的電光轉(zhuǎn)換與光分配功能。 2 2 2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)部分 圖2 2 集中器結(jié)構(gòu)框圖 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)將用戶端與網(wǎng)絡(luò)連接，它主要包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器與各類節(jié)點(diǎn)控制 單元，它具有如下主要功能： ( 1 ) 在集中器向節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)流中提取出連接在節(jié)點(diǎn)上的用戶終端所需的 數(shù)據(jù)并進(jìn)行分配。 ( 2 ) 將用戶終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給集中器。 ( 3 ) 采用c d r ( 時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)) 功能，在集中器向節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)流中提取出 同步時(shí)鐘，從而使得整個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)都有同一時(shí)鐘進(jìn)行同步。 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 將用戶終端的數(shù)據(jù)組織成幀并傳送到集中器。 ( 5 ) 具有數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和壓縮及解壓縮功能。 ( 6 ) 用戶數(shù)字終端可采用8 芯的五類線，向集中器傳送采用光纖傳送或超五 類以上的雙絞線。 ( 7 ) 通過(guò)監(jiān)視下行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)間接監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)( 虛擬網(wǎng)除外) 。 2 3 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的特點(diǎn) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)是一種全新理念的網(wǎng)絡(luò)，它具有以下特點(diǎn)： ( 1 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)將傳統(tǒng)的硬件交換變?yōu)檐浖粨Q( 片上數(shù)據(jù)選 擇) ，將集中處理變?yōu)榉稚⑻幚?。使得過(guò)去非常難實(shí)現(xiàn)的任務(wù)變的非常簡(jiǎn)單，如： 多任務(wù)種類、多信息速率復(fù)雜結(jié)構(gòu)的交換機(jī)，利用節(jié)點(diǎn)分散處理方式，使系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)非常簡(jiǎn)單。又如：在其它系統(tǒng)中非常難實(shí)現(xiàn)的電視會(huì)議系統(tǒng)及電話會(huì)議系統(tǒng)在 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易。 ( 2 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)采用全新的非對(duì)稱數(shù)字同步體系結(jié)構(gòu)，每秒8 0 0 0 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙為1 2 5 a s ，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀為1 0 2 4 b i t 。上行為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，下行為 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。同時(shí)具有下行比特率可遠(yuǎn)大于上行比特率的特點(diǎn)，可提高網(wǎng)絡(luò)的效 率及靈活性。 ( 3 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)雖然每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙為1 2 5 址s ，1 0 2 4 x 4 x n b i t ，但每 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀又由4 個(gè)分幀組成，每個(gè)分幀為3 1 2 5 a s ，2 5 6 b i t 組成，而4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀又 組成一復(fù)幀，每4 個(gè)復(fù)幀又組成二階復(fù)幀以次類推。分幀、標(biāo)準(zhǔn)幀及各階復(fù)幀不同 的時(shí)隙，不同的結(jié)構(gòu)，滿足各種不同的信令及不同間隔周期的數(shù)據(jù)傳輸。分幀結(jié) 構(gòu)使處理時(shí)間提高了4 倍( 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的數(shù)據(jù)延遲主要為處理延遲，傳 輸延遲很小，沒(méi)有排隊(duì)延遲，一般響應(yīng)時(shí)間小于1 0 0 1 1 ) ，能滿足高速控制數(shù)據(jù)傳輸 的要求。交換指令在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀完成( 指令過(guò)長(zhǎng)，如i p v 6 ，采用偏移指針準(zhǔn)確的指 出偏移地址) 以減少指令處理的等待時(shí)間及減少存儲(chǔ)器的長(zhǎng)度。周期與標(biāo)準(zhǔn)幀周期 不同步的數(shù)據(jù)可用虛數(shù)據(jù)代替，這樣又使位同步恢復(fù)更加容易。 ( 4 ) 采用n i o s h 多處理器嵌入式結(jié)構(gòu)，使得集中器可以簡(jiǎn)單方便的進(jìn)行動(dòng)態(tài) 數(shù)據(jù)流量調(diào)節(jié)。自行開(kāi)發(fā)f p g a 超大規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的升級(jí)與改 進(jìn)更加方便。 第2 章寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 ( 5 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量調(diào)節(jié)技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)利用率可達(dá) 7 5 以上。如：話路信道在結(jié)束通話時(shí)釋放占用的時(shí)隙，使信道利用率大幅度提高； 對(duì)實(shí)時(shí)信息( 實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)、話路、實(shí)時(shí)監(jiān)控的圖像) 的傳輸必須占用的信 道資源外，其它數(shù)據(jù)信息根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)動(dòng)態(tài)分配剩余信道資源，使?jié)M負(fù)荷 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即便是低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)信息也能進(jìn)行傳送，而高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)信息也能 高效傳輸。 ( 6 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)采用光纖傳輸媒介，利用無(wú)源光耦合器分配技術(shù)， 具有線路簡(jiǎn)單，抗電磁干擾，特別適合工業(yè)領(lǐng)域的強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)通信 最大傳送距離達(dá)3 0 公里以上。 ( 7 ) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)開(kāi)辟虛窗口，將低數(shù)據(jù)率的網(wǎng)絡(luò)( 如現(xiàn)場(chǎng)總線 p r o f i b u t 、f f 、c a n ) 利用開(kāi)辟的虛窗口，用少量的信道資源，動(dòng)態(tài)的在虛窗口獨(dú)立 運(yùn)行其它網(wǎng)絡(luò)，可以方便的在本網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行任何協(xié)議設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)關(guān)處理器又可方 便的與其它網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 ( 8 ) 相對(duì)于其它工業(yè)、企業(yè)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)絡(luò)，寬帶綜合數(shù)據(jù)光同 步網(wǎng)具有完全可確定的實(shí)時(shí)性，它由于采用類數(shù)字同步體系結(jié)構(gòu)，不存在排隊(duì)延 遲，特別適合進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等的綜合傳輸。 2 4 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu) 幀( f r a m e ) 的嚴(yán)格定義是指這樣一組相鄰接的數(shù)字時(shí)隙，其中各數(shù)字時(shí)隙的位 置可以根據(jù)幀定位信號(hào)來(lái)加以識(shí)別。根據(jù)寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的特點(diǎn)，本網(wǎng)絡(luò) 的上、下行幀結(jié)構(gòu)描述如下。 2 4 1 用戶節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)集中器的上行幀結(jié)構(gòu) 為滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及語(yǔ)音、圖像等的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的同步 時(shí)鐘體系，全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘從集中器數(shù)據(jù)碼流中提取，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)率為集中器下 行速率2 的n 次方分之一，因此避免了滑碼現(xiàn)象。上行采用2 0 4 8 m b s 基本建構(gòu)， 其上行幀結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示。網(wǎng)絡(luò)采用分時(shí)的理念，將1 秒分成8 0 0 0 個(gè)時(shí)隙，每 個(gè)時(shí)隙具有3 2 個(gè)信道，每個(gè)信道8 b i t ，所以上行幀速率計(jì)算為：( 8 b i t 信道) x ( 3 2 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 信道時(shí)隙) ( 8 0 0 0 時(shí)隙s ) = 2 0 4 8 0 0 0 b p s = 2 0 4 8 m b p s 。 1 8 0 0 0 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一ii 、 0 3 1 illl 蕊心 11 0 i11 0 i1l1i o l o i i a i r i c i d i e i f i g d h i 起始幀狀態(tài)命令字 圖2 3 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)上行幀結(jié)構(gòu) 2 4 2 網(wǎng)絡(luò)集中器到用戶節(jié)點(diǎn)的下行幀結(jié)構(gòu) 下行采用2 6 2 1 4 4 m b s 基本建構(gòu)，有4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀，其結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示。其中 一個(gè)時(shí)隙由4 個(gè)二級(jí)復(fù)幀組成，共有4 0 9 6 個(gè)b y t e ( 4 0 9 6 8 = 3 2 7 6 8 b i t ： 3 2 7 6 8 x 8 0 0 0 = 2 6 2 1 4 4 0 0 0 b i t s ) 組成的信道。每個(gè)二級(jí)復(fù)幀由4 個(gè)初級(jí)復(fù)幀組成，而 每個(gè)初級(jí)復(fù)幀又由2 5 6 個(gè)分幀組成，每個(gè)分幀以幀同步字起始，幀同步字中5 、6 、 7 、8 位x x x x 指示復(fù)幀為第x x x x 個(gè)初級(jí)復(fù)幀的起始。比如：x x x x 為0 0 0 0 時(shí) 指示為第一個(gè)復(fù)幀，依此類推，x x x x 為1 1 1 1 時(shí)則指示為第十六個(gè)復(fù)幀。因?yàn)榭?共有4 個(gè)二級(jí)復(fù)幀，每個(gè)二級(jí)復(fù)幀又分為4 個(gè)初級(jí)復(fù)幀，所以共有1 6 個(gè)復(fù)幀，x x x x 就代表0 0 0 0 - - - 1 1 1 1 這十六種情況。 第2 章寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)簡(jiǎn)介 128 0 0 0 ii 一一一一一一一一一一一_ 一一一一一一一一一一一一一一一l n123 4 4 n q lllll n1 24徹、 4 l0 2 lli ll 01、!2 8 2 5 1 i i一一一ill 一一一一一ll 一一一一一il 一一一一一l 阿弋泠 11 0l0 x i x i x x !i a i b i c i d i e i f i c 劃 幀同步同步頭命令控制字 圖2 4 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)下行幀結(jié)構(gòu) 其中狀態(tài)命令字如下所示。 a 為網(wǎng)速控制字。 b 數(shù)據(jù)控制字。 c 分幀結(jié)構(gòu)控制字 d 分幀結(jié)構(gòu)控制字 e 有數(shù)據(jù)傳輸表述字。 f 為圖象通信控制字。 g 為計(jì)算機(jī)通信控制字。 h 語(yǔ)音呼叫控制字。 2 5 本章小結(jié) 本章主要介紹了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的組成、特點(diǎn)以及各部分功能，包括集 中控制器及節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的功能。最后系統(tǒng)的介紹了寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器簡(jiǎn)介 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)由集中器與節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)兩部分組成，其中節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要 由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器及各類( 語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖象、計(jì)算機(jī)四類) 節(jié)點(diǎn)控制單元組成。 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器分為節(jié)點(diǎn)解串器與節(jié)點(diǎn)成串器兩部分。下面就對(duì)寬帶綜合數(shù)據(jù)光 同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行詳細(xì)地闡述。 3 1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器的結(jié)構(gòu) 寬帶綜合數(shù)據(jù)光同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器分為節(jié)點(diǎn)解串器與節(jié)點(diǎn)成串器兩大部 分。其中節(jié)點(diǎn)解串器部分的主要功能是保證在時(shí)鐘同步的條件下將來(lái)自集中器的 數(shù)據(jù)幀完成串并轉(zhuǎn)換后分別發(fā)送給各類( 語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、計(jì)算機(jī)四類) 節(jié)點(diǎn)控 制單元。節(jié)點(diǎn)成串器部分則將各類( 語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、計(jì)算機(jī)四類) 節(jié)點(diǎn)控制單 元的數(shù)據(jù)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送給集中器統(tǒng)一進(jìn)行處理。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理器主要通過(guò)光 模塊與集中器相連，并通過(guò)p c i 插槽與各類節(jié)點(diǎn)控制單元相連進(jìn)行通信。整個(gè)節(jié) 點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示。 3 1 1 節(jié)點(diǎn)解串器 圖3 1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)