工业控制数据传输用低延时5G无线透明传输方法与流程

工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法
技术领域
1.本发明涉及工业数据传输技术领域，特别是一种工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法。


背景技术：

2.有线转无线传输网关是将有线传输的数据，特别是以太网数据转换成无线传输协议（wifi、4g通信、5g通信）的传输设备。该设备将有线传输端接收到的以太网数据转换成无线传输协议通过无线传输端发出，将无线传输端接收到的数据转换成以太网数据通过有线传输端发出，实现双向透明传输。该设备的应用将原先的有线以太网传输系统升级改造，使之具备无线传输能力，将原先设备间的有线连接转换成了无线连接，提高了部署的灵活性，使原先通过有线连接构建的系统内的各个设备可在无线信号传输范围内自由移动而不影响相互之间的通信。
3.原有的技术内容：通用的有线转无线透明传输网关其硬件构成普遍为有线收发端、无线收发端、数据缓存模块、数据处理模块。有线收发端完成有线传输数据的接收和发送，无线收发端完成无线传输数据的接收和发送，数据缓存模块存储待转发的数据，数据处理模块依据具体的硬件传输协议、根据数据传输方向，从有线收发端或无线收发端获取数据存入数据处理模块，或者将数据处理模块中存储的待转发的数据发送给有线收发端或无线收发端完成数据收发。
4.在软件方面，网关基于嵌入式linux操作系统运行。有线收发端和无线收发端在嵌入式linux操作系统中均被注册为网卡设备，利用linux操作系统内核提供的网络子系统和socket机制实现数据双向转发。
5.原有技术的缺陷：原有技术在数据双向转发的实现上基于linux操作系统内核提供的网络子系统和socket机制，其特点是通用性强，但存在传输协议逻辑判断处理流程复杂、待转发数据多次拷贝、内存频繁释放和申请、数据双向传输实现流程繁琐的问题，这些问题增加了数据转发处理时延、提高了时延抖动产生的几率，不利于工业控制数据的传输。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种适用于工业现场环境的，同时能够进行5g无线透明传输和以太网数据交换的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法。
7.本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，该方法使用5g网关和与之配合的操作系统，5g网关包括网络变压器、phy芯片、网络交换芯片、嵌入式处理器芯片、5g通信模块和5g天线；
操作系统为基于linux操作系统，包括进程间通信子系统、虚拟文件系统、任务调度子系统、内存管理子系统、网络子系统、底层驱动和设备管理器；该方法包括有线端到无线端的数据传输实现方法和无线端到有线端数据传输实现方法；（1）有线端到无线端的数据传输实现方法如下：以太网数据帧首先被存储在网络交换芯片的物理缓存中，然后通过dma方式被传入随机存取存储器的dma区域，该区域同样也是“有线转无线区域”；驱动程序接收到dma传输完成中断，解除该区域的dma映射，使嵌入式处理器接管该区域，驱动程序将该以太网数据帧送入网络子系统的处理队列中等待处理；当处理队列处理到该以太网数据帧时，驱动程序依据用户配置对以太网帧的相关内容进行替换或修改，完成后给出“有线转无线信号量”，表明有数据需要发送；usb网卡设备数据发送线程尝试获取“有线转无线信号量”，若获取不到则阻塞，说明没有以太网数据帧要发送；若获取到，则从共享内存中找出需要发送的以太网数据帧，调用usb网卡数据发送函数实现数据发送；发送完成后，清空该以太网数据帧的存储区域；usb网卡数据发送函数将数据按照usb传输协议的格式拆分成多个数据传输块实现数据传输；当数据传输完成时函数返回，开始下一次传输。
8.（2）无线端到有线端数据传输实现方法如下：5g无线数据首先被5g通信模块接收，5g通信模块将数据填充到usb传输块中实现传输；usb网卡设备数据接收模块采用轮询的方式检查是否有新的usb数据到来，并将到来的数据重组为以太网数据帧，存入“无线转有线区域”，完成后将该以太网数据帧送入网络子系统的处理队列中等待处理；当处理队列处理到该以太网数据帧时，驱动程序依据用户配置对以太网帧的相关内容进行替换或修改，完成后给出“无线转有线信号量”，表明有数据需要发送；网络交换芯片数据发送线程线程尝试获取“无线转有线信号量”，若获取不到则阻塞，说明没有5g无线数据要发送；若获取到，则从共享内存中找出需要发送的5g无线数据，调用网络交换芯片发送函数实现数据发送；发送完成后，清空该以太网数据帧的存储区域；网络交换芯片发送函数采用dma传输的方式将数据送入网络交换芯片实现数据传输；当数据传输完成时函数返回，开始下一次传输。
9.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，网络变压器安装在千兆以太网电口和phy芯片之间，用于增强电气信号，增加传输距离，隔离phy芯片与外部电路，为phy芯片提供防雷保护；phy芯片用于对外提供4路10/100/1000m自适应以太网电口；网络交换芯片通过pcie接口与嵌入式处理器芯片互联；嵌入式处理器对外引出1路pcie 2.0总线，1路usb2.0高速串行总线；5g通信模块通过usb2.0接口收发数据，将数据进行协议转换后通过5g无线通信技
术实现收发；5g天线安装在设备壳体外面，用于提升信号覆盖范围。
10.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，该5g网关还包括随机存取存储器，随机存取存储器采用四片存储芯片构建，用于为软件运行、数据存储提供空间。
11.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，网络交换芯片同嵌入式处理器通过pcie总线和千兆以太网口连接；其中千兆以太网口采用phy芯片对phy芯片连接的方式完成数据传输；pcie总线用于初始化及配置网络交换芯片，千兆以太网口用于数据传输。
12.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，5g通信模块同嵌入式处理器通过mini pcie接口连接，其接口中包括了usb2.0总线及其他控制总线；usb2.0总线用于双向传输数据。
13.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，phy芯片采用bcm5248芯片；网络交换芯片采用bcm53312芯片；嵌入式处理器采用龙芯2k 1000处理器芯片。
14.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的工业控制数据传输用低延时5g无线透明传输方法，进程间通信子系统用于多任务间的数据交换和同步控制；虚拟文件系统用于对外部设备进行抽象，能够使用统一的一套接口函数对各个不同的设备进行管控；内存管理子系统用于根据具体处理器的内存管理特点，采用最高效的方式将物理内存映射到操作系统中，供操作系统使用；设备管理子系统用于将探测到的所有设备组织起来，统一管理；网络子系统用于使用自身完备的网络协议栈和网络驱动模型，高效地使用和管理网络资源；底层驱动用于在通用版本的基础上，根据特定处理器特点和设备的实时性、可靠性的指标要求进行有针对性的修改和优化；设备管理器用于在初始化时向linux内核注册一个pci设备驱动，并开启探测功能，探测需要初始化的pci或pcie设备，并分配必要的运行资源。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：（1）基于国产龙芯2k高性能嵌入式处理器，能够满足5g网关在协议转换和配置管理方面对处理器运算速率的要求，并提供足够的接口同外围功能模块电路相连；（2）采用dma映射/解映射和静态循环缓冲寄存器实现的零拷贝数据传输机制，减少了内存拷贝次数，大幅提升了数据处理效率；（3）定制化开发的双向数据传输驱动，充分利用双核cpu的负载均衡机制以应对负载激增情况下对双向数据传输时延的影响；（4）双向数据传输业务和用户交互业务隔离的5g网关软件实现思路，简化了数据传输流程，减少了逻辑判断步骤，提升了双向数据传输的效率。
附图说明
16.图1为本发明的5g网关硬件框图；图2为本发明的linux操作系统功能模块框图；图3为本发明双向数据传输的硬件实现机理建模图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.参考图1
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3，本技术通过电路设计和软件设计，将5g无线通信模块、数据存储模块、嵌入式处理器模块及网络交换模块集成到一块电路板上，提供一种适用于工业现场环境的，同时具有5g无线透明传输功能和以太网数据交换功能的5g无线网关，在接入现有的有线以太网后可使之具备5g无线通信功能，为工厂车间的智能化改造、车间级设备互联互通、制造业上云等项目提供设备支持。
19.为了降低数据双向传输的时延，简化数据传输流程，对双向数据传输的硬件实现机理进行建模，模型见图3。
20.以有线端接收数据从无线端发出为例进行分析。
21.有线端接收到数据后，将数据存入随机存取存储器，无线端从随机存储器获取到该数据完成数据发送。随机存取存储器采用环形缓冲的方式管理存储空间，当达到最大存储空间后，新到来的数据将覆盖最老的数据。
22.在以上模型中，同一份数据从物理上看最多仅存在三个地方，有线端自身的数据缓存、随机存取存储器、无线端自身的数据缓存各一份，此时的传输效率较高，并且提供足够的缓存空间以应对突发情况，具备较好的实用性。
23.为了实现上述硬件模型，在双向数据传输的软件实现方面，基于linux操作系统环境，打破传统通用的网卡驱动
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网络子系统
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socket传输机制架构，针对特定应用场景设计并开发定制化的低延时双向数据传输驱动，加强5g无线通信模块、数据存储模块、嵌入式处理器模块及网络交换模块间的耦合程度，简化双向数据传输流程，减少数据在随机存取存储器中的拷贝次数，降低数据转发时延，控制时延抖动的产生。
24.如图1所示，网络变压器安装在千兆以太网电口和phy芯片之间，用于增强电气信号，增加传输距离，隔离phy芯片与外部电路，提升抗干扰能力，为phy芯片提供防雷保护；phy芯片采用美国博通公司的bcm5248芯片，可对外提供4路10/100/1000m自适应以太网电口；网络交换芯片采用bcm53312芯片，背板带宽40g，通过pcie接口与主控模块互联。
25.嵌入式处理器采用龙芯2k 1000处理器芯片，对外引出1路pcie 2.0总线，1路usb2.0高速串行总线。
26.随机存取存储器采用四片存储芯片构建，为软件运行、数据存储提供空间。
27.5g通信模块采用华为mh5000
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31通信模组，通过usb2.0接口收发数据，将数据进行协议转换后通过5g无线通信技术实现收发。
28.5g天线安装在设备壳体外面，提升信号覆盖范围。
29.网络交换芯片同嵌入式处理器通过pcie总线和千兆以太网口连接；其中千兆以太网口采用phy芯片对phy芯片连接的方式完成数据传输；pcie总线用于初始化及配置网络交换芯片，千兆以太网口用于数据传输；5g模块同嵌入式处理器通过mini pcie接口连接，其接口中包括了usb2.0总线及其他控制总线；usb2.0总线用于双向传输数据；整个软件系统基于linux操作系统，其模块示意图如图2所示：整个操作系统运行在linux实时内核上。通过修改任务调度子系统，提高linux内核在处理多任务时的实时性。进程间通信子系统用于多任务间的数据交换和同步控制。内存管理子系统根据具体处理器的内存管理特点，采用最高效的方式将物理内存映射到操作系统中，供操作系统使用。设备管理子系统将探测到的所有设备组织起来，统一管理。网络子系统使用自身完备的网络协议栈和网络驱动模型，高效地使用和管理网络资源。底层驱动在通用版本的基础上，根据特定处理器特点和设备的实时性、可靠性等各项指标要求进行有针对性的修改和优化。虚拟文件系统对外部设备进行抽象，能够使用统一的一套接口函数对各个不同的设备进行管控。
30.为了实现低延时双向数据传输功能，基于现有的linux内核构建定制化的低延时数据双向传输驱动。
31.该驱动将自身注册为一个字符型设备，利用ioctl机制实现用户层对驱动的配置和控制，包括网络交换芯片功能配置、网关外网ip地址写入、数据双向传输状态信息获取等功能。
32.pci设备驱动管理模块在初始化时向linux内核注册一个pci设备驱动，并开启探测功能，探测需要初始化的pci或pcie设备，并分配必要的运行资源。
33.网络交换芯片数据发送模块提供数据发送方法，利用dma传输机制实现以太网数据发送。当dma传输完成后给出发送传输完成中断，可以开启下一次传输。
34.网络交换芯片数据接收模块提供数据接收方法，利用dma传输机制实现以太网数据接收。当dma传输完成后给出发送传输完成中断，可以开启下一次传输。
35.usb网卡设备驱动管理模块在探测到usb设备时向linux内核注册一个usb设备驱动，并开启探测功能，将5g通信模块识别为一个usb网卡设备，并分配必要的运行资源。
36.usb网卡设备数据发送模块提供数据发送方法，将待发送以太网数据转换成usb协议利用高速串行总线发送出去。
37.usb网卡设备数据接收模块提供数据接收方法，将高速串行总线上的usb数据包组合成以太网数据包并接收。
38.共享内存模块提供了两块共享内存区域，分别为“有线转无线区域”和“无线转有线区域”。“有线转无线区域”用于存储从有线端接收的、需要从无线端发出的以太网数据，“无线转有线区域”存储从无线端接收的、需要从有线端发出的以太网数据。
39.该区域还提供了两个信号量，分别为“有线转无线信号量”和“无线转有线信号量”，用于控制线程对共享内存区域的访问。
40.有线端到无线端的数据传输实现方法如下：以太网数据帧首先被存储在网络交换芯片的物理缓存中，然后通过dma方式被传
入随机存取存储器的dma区域，该区域同样也是“有线转无线区域”。驱动程序接收到dma传输完成中断，解除该区域的dma映射，使嵌入式处理器接管该区域。驱动程序将该以太网数据帧送入网络子系统的处理队列中等待处理。当处理队列处理到该以太网数据帧时，驱动程序依据用户配置对以太网帧的相关内容进行替换或修改，完成后给出“有线转无线信号量”，表明有数据需要发送。usb网卡设备数据发送线程尝试获取“有线转无线信号量”，若获取不到则阻塞，说明没有以太网数据帧要发送。若获取到，则从共享内存中找出需要发送的以太网数据帧，调用usb网卡数据发送函数实现数据发送。发送完成后，清空该以太网数据帧的存储区域。usb网卡数据发送函数将数据按照usb传输协议的格式拆分成多个数据传输块实现数据传输。当数据传输完成时函数返回，可开始下一次传输。
41.无线端到有线端数据传输实现方法如下：5g无线数据首先被5g通信模块接收，5g通信模块将数据填充到usb传输块中实现传输。usb网卡设备数据接收模块采用轮询的方式检查是否有新的usb数据到来，并将到来的数据重组为以太网数据帧，存入“无线转有线区域”，完成后将该以太网数据帧送入网络子系统的处理队列中等待处理。当处理队列处理到该以太网数据帧时，驱动程序依据用户配置对以太网帧的相关内容进行替换或修改，完成后给出“无线转有线信号量”，表明有数据需要发送。网络交换芯片数据发送线程线程尝试获取“无线转有线信号量”，若获取不到则阻塞，说明没有5g无线数据要发送。若获取到，则从共享内存中找出需要发送的5g无线数据，调用网络交换芯片发送函数实现数据发送。发送完成后，清空该以太网数据帧的存储区域。网络交换芯片发送函数采用dma传输的方式将数据送入网络交换芯片实现数据传输。当数据传输完成时函数返回，可开始下一次传输。
42.本技术的发明点在于：（1）基于国产龙芯2k高性能嵌入式处理器本发明基于国产龙芯2k高性能嵌入式处理器，该处理器具备2个处理核心，工作频率为800mhz，支持动态降频降压，具备2路rgmii千兆以太网接口，4路usb2.0接口。能够满足5g网关在协议转换和配置管理方面对处理器运算速率的要求，并提供足够的接口同外围功能模块电路相连。
43.（2）采用dma映射/解映射和静态循环缓冲寄存器实现的零拷贝数据传输机制本发明采用预先分配静态缓冲区的方式替代通用方案中的动态分配缓冲区的方式。缓冲区在初始化时即完成分配，在进行双向数据传输过程中不再需要分配新的缓冲区，简化了业务处理环节。在dma传输方式上，采用映射/解映射的方式实现同一块内存地址的复用，替代了原先的通过内存复制的方式实现对dma区域数据的使用，减少了内存拷贝次数，大幅提升了数据处理效率。
44.以有线端接收数据无线端发送数据为例子说明传输机制的实现思路有线端数据通过dma方式存入随机存取存储器的dma区域。将有数据存储的dma区域解除映射后作为接收循环缓冲区，能够被运行在linux操作系统内核中的双向数据传输驱动使用。没有数据存储的dma区域仍然可以继续接收dma方式存入的数据。存储在接收循环缓冲区中的数据作为待发送数据等待被usb网卡设备发送模块的使用，该模块将待发送数据复制进多个usb传输块实现数据传输。数据传输完成后，将解除映射的区域重新映射为dma区域，共dma传输使用。
45.以上实现流程将原先需要四次内存复制操作减少到一次，简化了处理流程，极大地缩短了业务处理时间，降低了传输延时。
46.（3）定制化开发的双向数据传输驱动本发明将原先分立的网络交换芯片驱动模块、usb设备驱动模块、usb网卡驱动模块整合在同一个驱动模块中，通过重新设计驱动实现架构将各个功能模块有机整合，简化了处理流程，提升了处理效率。驱动通过linux字符型驱动模型的ioctl接口同用户进行交互，方便用户对驱动功能和工作状态的配置和监控。驱动利用linux内核网络子系统提供的cpu处理队列机制实现以太网数据帧的有序处理，并充分利用双核cpu的负载均衡机制以应对负载激增情况下对双向数据传输时延的影响。
47.（4）双向数据传输业务和用户交互业务隔离的5g网关软件实现思路本发明充分考虑了工业控制数据的传输特性和传输要求，将降低双向数据传输时延、减少时延抖动作为首要目标，提出了双向数据传输和传输控制分离的5g网关软件实现思路。双向数据传输驱动通过字符型驱动模型的ioctl机制实现和用户交互业务，替代了原先通过网卡设备注册机制实现的用户交互业务，减少了用户干预手段，提升了双向数据传输的效率。数据传输双向数据传输驱动在数据传输实现上更接近于硬件逻辑，替代了原先基于linux内核网络子系统和socket机制的、偏向于软件逻辑的实现方法，简化了数据传输流程，减少了逻辑判断步骤，提升了双向数据传输的效率。