CN101572702A - 高速总线主从网络通信调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速总线主从网络通信调度方法，其特征在于整个网络系统采用分层管理的方式进行通信调度，将整个通讯模型分成四个层：物理层、数据链路层、应用层和用户层，在通过管理信息库协调管理，实现主机从机之间的快速数据交换。通过该高速总线主从网络通信的调度方法，来有效的提高了总线的通信速度，由于通信总线采用分层管理并且物理层采用中断方式进行数据传输，在不影响产品性能的前提下使总线的通信速度达到了1Mbps，可在现场总线中广泛推广。

Description

高速总线主从网络通信调度方法

技术领域

本发明涉及一种总线通信调度方法，尤其涉及一种用于提高现场总线通信速度的通信调度方法。

背景技术

工业现场经常要采集多点数据，模拟信号或开关信号，一般用到现场总线(如RS485等)，使用一主带多从的通信方式，该种通信方式接线方便，通信距离远，但是由于传统的总线调度方法采用单线程查询的方法进行数据传输，往往是一个主机带多个从设备，采用是逐渐下发的方式进行通信(即，主机同通信芯片直接连接，由通信芯片向外发送或接收信息，当通信芯片完成一个信息的发送或一个信息的接收，然后进行下一个动作)，这种通信方式的效率低，如果总线上的从机过多，主机循环采集一周的时间就很长，从机信息变化时不能及时发送给主机，导致系统对突变事件的反应处理速度慢。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种高速总线主从网络通信的调度方法，来有效的提高了总线的通信速度，实现主机从机之间的快速数据交换。本发明采用的技术手段如下：

一种高速总线主从网络通信调度方法，其特征在于整个网络系统采用分层管理的方式进行通信调度，将整个通讯模型分成四个层：物理层、数据链路层、应用层和用户层；

所述物理层，位于整个通信模型的最底层，主要负责物理链路的管理，采用现场总线，使用中断方式进行数据通信；

所述数据链路层，对于接收到的报文进行校验，如果报文的属主和自己的参数相符且数据无误码就接收并向应用层传输，对于从应用层发送过来的数据则进行报文的打包和添加校验字节并向物理层传输；

所述应用层，包括设备管理部分和网桥管理部分两个部分：

其中，所述设备管理部分，负责与从设备通信报文的调度管理，它设有两个优先级不同的循环缓冲队列，根据用户配置的时间周期定期扫描缓冲队列，优先级高的报文先发送，处理完后会自动清除队列中相应的数据组为进一步接收其他数据包做好准备，在接收数据的过程中，根据用户配置的通讯周期定期扫描接收缓冲区并进行数据解析，进行自动做超时判断和错误诊断，及时把发生通讯错误的数据组在数据接收层中删除，

所述网桥管理部分，负责在上位机通过现场总线访问主设备所带的从设备的信息时；

所述用户层，用于对用户程序的解析和执行。

所述各层之间通过管理信息库协调管理，主要包括：设备地址，通讯协议，总线通信口主从设置，通信扫描时间，通信超时时间，串口主从设置及串口通讯参数信息，系统根据管理信息库里的配置信息，进行整个系统的通信管理调度；其中，设备地址为其主设备寻址访问时所用，通讯协议用于ModbusRTU/ASCII的选择，总线通信口主从设置作为设备的总线接口主从选择，通讯扫描时间定义主设备与其从设备通讯的时间间隔，通信超时时间用于处理从设备意外掉线及确认设备掉线的无应答通信次数，串口通讯参数设置了串口通信的校验方式、通信波特率、停止位、数据长度。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的用于提高现场总线通信速度的通信调度方法，由于通信总线采用分层管理并且物理层采用中断方式进行数据传输，在不影响产品性能的前提下使总线的通信速度达到了1Mbps。

附图说明

图1为本发明所述总线通信模型；

图2为实施例物理层实现流程图；

图3为实施例数据链路层实现流程图；

图4为实施例设备管理实现流程图；

图5为实施例网桥管理实现流程图；

图6为实施例寄存器格式图；

图7为实施例所示高速总线网络架构。

具体实施方式

为了完成主从设备的高速通信本发明设计了一种高效的现场总线主从网络通信的调度方法，该方法的通信模型如图1所示，由于整个系统运用了分层管理的思想并且在物理层采用中断方式进行数据传输，这样简化了各层的任务，使总线的通信速度有了很大的提高，整个通讯模型分为四层：物理层、数据链路层、应用层和用户层，各层之间相互独立、各自完成不同的任务，又互相联系。通过管理信息库MIB协调网络设备统一工作。为了说明高速总线主从网络通信调度方法，本实施例为以ARM平台下的RS485总线数据传输为例，对总线上各个层的实现方法进行说明。对于处理器只需要对自身的串口进行操作而由物理层芯片完成串口数据与RS485总线数据之间的转换。其中各层具体完成的工作如下：

(1)、物理层

位于整个通信模型的最底层，主要负责物理链路的管理，物理层采用现场总线，使用中断方式进行数据通信。数据的内容对这一层来说是完全透明的，它只负责在总线上传输比特流。

为了提高总线的通信速度，总线的物理层是通过串口中断程序实现的，如图2所示，这里有发送和接收两组中断，在字符发送结束后会产生发送中断而当接收到一个完整的字符后会产生接收中断。在中断处理程序中首先对中断类型进行判断，如果为发送中断，首先对报文是否发送完成(已发送的字符个数与期望发送的数据长度一致说明发送完成，否则数据发送未完成)进行判断，如果数据未发送完成，则将下一个要发送的数据写入串口发送寄存器，并且更新已发送的数据长度，然后清除中断标志，退出中断处理程序。如果数据发送已完成，则要置发送结束标志后直接退出中断。

数据接收中断，当串口接收到数据一个完整的字符以后，会产生字符接收中断，系统程序会将接收到的数据保存到一个全局的接收缓冲区并更新已接收到的字符长度，在清除中断标志以后，退出中断程序。这里值得注意的时，在接收中断中要启动一接收超时定时器，当在3.5个字符时间后仍然没有接收到新的字符，会进入定时中断，置接收结束标志。这样已接收到的数据可以由数据链路层进行处理。

(2)、数据链路层

该层位于系统通信模型的中间层，对于接收到的报文，负责判断该报文的校验。如果报文的属主和自己的参数相符且数据无误码就接收并向应用层传输；对于从应用层发送过来的数据，则负责报文的打包和添加校验字节并向物理层传输。数据链路层的数据处理流程图如图3所示，当物理层数据接收完成以后，会将数据传输给数据链路层，链路层首先对报文的地址判断，如果报文地址与设备本身地址不一致，则放弃数据。如果地址一致，说明报文是发给自己的，则要报文进行CRC校验，校验通过则将处理后的数据传输给应用层，否则放弃此报文。当有应用层数据发送时，数据链路层要计算整个要发送数据包的CRC，并添加在数据包的末尾，最终由物理层完成数据在总线上的传输。

(3)应用层

应用层是整个通讯模型的核心，这里主要指的是一个主设备与多个从设备通信，为了提高总线的通信速度，主设备采用带有优先级的循环队列对各个从设备的收发的报文进行管理。主设备每发送一个报文，都要等待接收一个从设备的返回报文，并且设置超时机制，当在设定的时间内，从设备仍然没有数据返回，则认为出错。而在接收到从设备的返回报文时则停止超时定时器，清除串口忙标志，这样就可以扫描队列中下一个要发送的报文。应用层它承担了两个任务，即设备管理和网桥管理。

①设备管理

负责与从设备通信报文的调度管理，它维护了两个优先级不同的循环缓冲队列，每个队列都可以容纳多达32组报文数据。设备需要与从设各通讯时不是直接发数据到数据链路层，而是根据报文的优先级放到相应的缓冲队列中。模块根据用户配置的时间周期定期扫描缓冲队列，优先级高的报文先发送。处理完后会自动清除队列中相应的数据组为进一步接收其他数据包做好准备。在接收数据的过程中，也是根据用户配置的通讯周期定期扫描接收缓冲区并进行数据解析，同时也能够自动做超时判断和错误诊断，及时把发生通讯错误的数据组在数据接收层中删除。其具体实现如流程图如图4所示，首先对串口的状态进行判断，如果串口为空闲状态，则要扫描队列，检测队列中是否有要发送的报文，如果有数据则将报文取出发送给数据链路层进行处理，否则直接退出函数。如果串口处于非空闲状态也就是接收状态，说明串口已向从设备发送了一个请求报文正在等待从设备的回应，这时首先检测接收是否超时，如果超时，说明未接收到从设备的数据要进行相应的错误处理。如果接收到报文，则对报文进行解析，并将处理后的数据上传给用户层处理。当然在处理完报文或错误处理以后要清除串口忙标志，使其在下一次执行此函数时能够去扫描循环队列。

②网桥管理

当上位机想通过现场总线访问主设备所带的从设备的信息时，主设备可以充当网桥的功能。(例如根据Modbus协议的内容，寄存器地址为两个字节，最大为65535。我们规定，当寄存器地址的最高位为0时，此地址为读写主设备本机的信息，则直接进入通信服务进行相应的处理。如果寄存器地址的最高位为1，则表示此地址为主设备的下属从设备的寄存器地址，此时，主设备则充当网关的功能。)具体实现如下：主设备在上位机与从设备具有转发功能，它可以将上位机的数据下传给从设备同样也可以将从设备的响应数据上传给上位机。在ModBus协议中，寄存器地址为两个字节其实际意义如图6所示，第15位为1表示转发报文，其第13-14位两位决定了从设备索引，表示是要读哪个从设备的信息。0~12位表示从设备中的寄存器地址，由这两项信息，就可以定位到从设备的寄存器位置。其处理流程如图5所示，网桥处理函数首先对数据的流向进行判断，当为数据发送时，程序通过Handle号确定对应从设备的地址，根据标准ModBus协议将数据打包后，放入串行通信缓冲队列中，通过主设备的主口发给从设备。当接收到从设备响应报文后，则把主设备本机的地址及从设备的Handle号添充进响应报文里，按寄存器变换规则变回解析前的状态，再由从口发往监控站或工程师站。而当第15位为0时表示对主设备本机的读写请求，不进行转发处理。

③管理信息库(MIB)

管理信息库主要存放系统的配置信息，供各个通讯层调用，保证整个通讯有条不紊的进行。主要包括：设备地址，通讯协议，总线通信口主从设置，通信扫描时间，通信超时时间，串口主从设置及串口通讯参数等。系统根据管理信息库里的配置信息，进行整个系统的通信管理调度，提高通信效率。设备地址为其主设备寻址访问时所用；通讯协议用于ModbusRTU/ASCII的选择；总线通信口主从设置，作为设备的总线接口主从选择(主口用来连接从设备，从口用来连接主设备)。通讯扫描时间定义，主设备与其从设备通讯的时间间隔。通信超时时间用于处理从设备意外掉线，它规定了确认设备掉线的无应答通信次数。串口通讯参数设置了串口通信的校验方式、通信波特率、停止位、数据长度等信息。

(4)用户层

主要完成用户程序的解析、执行。在功能块程序运行开始，先读取设备的开关量输入状态，写入输入映像寄存器区。然后按顺序执行功能块完成相应的算术或逻辑运算，并根据运算结果刷新相应的映像寄存器区。最后将输出映像区的值更新到设备真正的外部输出。用户层实现相对简单，主要完成用户程序的解析，将用户要发送数据是将数据写入到串口队列中，而由应用层对队列进行处理，最终将数据发送到高速总线上。由于采用队列管理，用户层可以随时写入数据。

具体实例如下：由图7看出在控制系统中，主设备可以与工程师站或监控站进行通讯，完成数据传输；另外，主设备可以实时采集从设备信息以及进行从设备管理。这样工程师站或监控站仅仅需要接入主干RS485总线即可监控到所有现场设备的状态。例如：主设备读取其从设备的信息，将其存储到本身的从设备映像寄存器中，工程师站或监控站通过与主设备通信就可读取其本机状态以及所挂载的从设备的状态。从设备中对于无需映射到主控制器内部寄存器的控制量，可以通过转发的形式进行处理，此时主设备充当网桥的作用，很好的解决了系统应用过程中本地人机交互的问题。每个主设备下的RS485网络可以最多接入16个从设备，完全可以满足当前工业控制系统的需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1、一种高速总线主从网络通信调度方法，其特征在于整个网络系统采用分层管理的方式进行通信调度，将整个通讯模型分成四个层：物理层、数据链路层、应用层和用户层；

所述物理层，位于整个通信模型的最底层，主要负责物理链路的管理，采用现场总线，使用中断方式进行数据通信；

所述数据链路层，对于接收到的报文进行校验，如果报文的属主和自己的参数相符且数据无误码就接收并向应用层传输，对于从应用层发送过来的数据则进行报文的打包和添加校验字节并向物理层传输；

所述应用层，包括设备管理部分和网桥管理部分两个部分：

其中，所述设备管理部分，负责与从设备通信报文的调度管理，它设有两个优先级不同的循环缓冲队列，根据用户配置的时间周期定期扫描缓冲队列，优先级高的报文先发送，处理完后会自动清除队列中相应的数据组为进一步接收其他数据包做好准备，在接收数据的过程中，根据用户配置的通讯周期定期扫描接收缓冲区并进行数据解析，进行自动做超时判断和错误诊断，及时把发生通讯错误的数据组在数据接收层中删除，

所述网桥管理部分，负责在上位机通过现场总线访问主设备所带的从设备的信息时，使主设备可以充当网桥的功能；

所述用户层，用于对用户程序的解析和执行。

2、根据权利要求1所述的高速总线主从网络通信调度方法，其特征在于上述各层之间通过管理信息库协调管理，主要包括：设备地址，通讯协议，总线通信口主从设置，通信扫描时间，通信超时时间，串口主从设置及串口通讯参数信息，系统根据管理信息库里的配置信息，进行整个系统的通信管理调度；其中，设备地址为其主设备寻址访问时所用，通讯协议用于ModbusRTU/ASCII的选择，总线通信口主从设置作为设备的总线接口主从选择，通讯扫描时间定义主设备与其从设备通讯的时间间隔，通信超时时间用于处理从设备意外掉线及确认设备掉线的无应答通信次数，串口通讯参数设置了串口通信的校验方式、通信波特率、停止位、数据长度。

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