CN101807986A - 一种冗余串行总线的实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冗余串行总线的实现方法和装置，其中，所述方法包括：通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据，在进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；判断所述当前链路是否发生故障，如果是，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。本发明实施方案能够实现无扰切换，即：当某条链路发生故障时，切换到另一条链路时，保证另一条链路上的正常数据不会丢失。

Description

一种冗余串行总线的实现方法及装置

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，更具体地说，涉及一种冗余串行总线的实现方法及装置。

背景技术

在分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)中，控制器通过某条通讯链路和各个从站进行数据交换。如果当前通讯链路发生故障，比如数据受到干扰、接线断开等，通讯就会受到直接影响。短暂的干扰可能会造成丢包，影响整个系统的可靠性，长期故障(例如：断线)可能会造成整个系统运行不正常，并可能带来巨大的经济损失。

目前，为了提高分布式控制器系统中控制器和从站模块之间通讯的可靠性，通常采用两条相互独立的通讯链路，如图1所示。两条相互独立的通讯链路互为热备份，当其中一条链路发生故障时，可以尽快切换到另一条正常的链路上，保持通讯的连续性。

现有的这种串行通讯冗余的实现方式可参照图2所示，其中，图2(a)为从站向系统控制器发送数据的示意图，图2(b)为从站接收系统控制器下发数据的示意图。如图2所示，从站主要包括：驱动单元、数据选择单元、切换开关和处理单元。其中数据选择单元和切换开关处于同一逻辑层级，两者并行运行。

从站模块发送数据时，数据被分配给两个独立的驱动单元，驱动单元分别将相同的数据发送到独立的链路A和链路B上；

从站模块接收数据时，两路独立的通讯链路A和B上的数据通过驱动单元被送到数据选择逻辑，同时两路数据中的一路被选择送到处理单元中，数据选择逻辑根据两条链路是否故障，选择一条正常链路将数据输入到处理单元中。

通过发明人的研究发现，现有技术中至少存在以下缺陷：

处理单元接收数据时，选择哪条链路的数据由数据选择逻辑决定，数据选择逻辑根据链路上是否存在故障判断是否切换到另一条链路。数据选择逻辑和数据切换开关处于同一层级，这样就会带来一个问题，即：当数据选择逻辑判断出当前链路有问题，需要控制切换到另一条链路上时，另一条链路上的正常数据已经错过了，这样在链路切换的时候必然会造成丢数据。丢数据打断了从站模块和控制器周期性的数据交换，引入了不稳定因素。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种冗余串行总线的实现方法及装置，以便实现无扰切换，即：当某条链路发生故障时，切换到另一条链路时，保证另一条链路上的正常数据不会丢失。

本发明实施例提供一种冗余串行总线的实现方法，所述方法包括：

通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据，在进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

判断所述当前链路是否发生故障，如果是，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

优选的，所述方法还包括：

如果判断所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息。

优选的，所述方法还包括：

如果判断所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据。

优选的，所述判断所述当前链路是否发生故障，包括：

根据传输的数据中携带的校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

优选的，所述方法还包括：

判断数据的接收者是否是本地从站，如果是，则将所述数据缓存；如果否，则将所述数据丢弃。

一种冗余串行总线的实现装置，所述装置包括：

接收缓存模块，用于通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据；

监测模块，用于在所述接收缓存模块进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

故障判断模块，用于判断所述当前链路是否发生故障；

切换模块，用于如果所述故障判断模块确定所述当前链路发生故障，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

优选的，所述故障判断模块还用于：

如果所述故障判断模块确定所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据。

优选的，所述故障判断模块还用于：如果所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息。

优选的，所述数据中携带的校验位指示信息，则所述故障判断模块根据所述校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

优选的，所述装置还包括：

接收判断模块，用于判断数据的接收者是否是本地从站，如果是，则将所述数据缓存；如果否，则将所述数据丢弃。

同现有技术相比，本发明提供的技术方案通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据的同时，实时进行主链路及备份链路上传输的数据的缓存，并实时监测接收数据的当前链路的传输状态；一旦当前链路发生故障，便自动切换至其他未发生故障的链路继续接收数据。这样，由于切换后的链路中实时存储着正在传输的数据，可以保证链路切换后不会发生数据包丢失的缺陷，使得数据传输更加可靠、稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中分布式控制器系统的通讯链路示意图；

图2(a)、(b)为现有技术中串行通讯冗余的实现方式示意图；

图3为本发明实施例提供的一种冗余串行总线的实现方法示意图；

图4为本发明实施例提供的分布式控制系统中的从站模块示意图；

图5为本发明实施例提供的分布式控制系统中的从站模块发送数据的示意图；

图6为两条链路在数据输出时的时间差值示意图；

图7为图6中两条链路的冗余切换逻辑示意图；

图8为本发明实施例提供的冗余串行总线的实现装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

通过对现有技术中串行通讯冗余的实现方式分析后，可以得出：数据选择逻辑和数据切换开关处于同一逻辑层级决定了这种方法对链路切换不够及时，当链路故障被诊断出来的时候，距离处理单元接收错误数据已经有一段时间了，虽然通过故障信息可以得知是哪条链路出了故障，但是即使进行了链路切换，也无法避免丢包的数据。可见，如果能够在故障发生时立即得到故障信息，同时进行无扰切换在本领域技术人员亟需解决的问题。

为了避免在链路切换时导致的数据丢包，本发明提供了一种无扰的冗余串行总线的实现方法。下面首先对本发明提供的冗余串行总线的实现方法进行说明，参照图3所示，为该方法的具体实现流程，可以包括以下步骤：

步骤301、通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据，在进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

步骤302、判断所述当前链路是否发生故障，如果是，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

同现有技术相比，本发明提供的技术方案通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据的同时，实时进行主链路及备份链路上传输的数据的缓存，并实时监测接收数据的当前链路的传输状态；一旦当前链路发生故障，便自动切换至其他未发生故障的链路继续接收数据。这样，由于切换后的链路中实时存储着正在传输的数据，可以保证链路切换后不会发生数据包丢失的缺陷，使得数据传输更加可靠、稳定。

本发明技术方案在具体实施时，当开始接收数据时，会默认从一条链路中接收数据，这时，如果判断所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据。

此外，如果判断所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息，等待链路故障恢复。

本发明实施例提供了一种快速检验链路是否发生故障的优选实施方式，具体实现为：根据传输的数据中携带的校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

校验位的判断是和校验类型密切相关的，比如采用奇偶校验中的偶校验，需要传输的字节为11000001，正常传输状态时，校验位应该为0。如果数据在传输过程中受到链路故障干扰，实际传输的数据变为了11100001，此时，校验位为1。接收方根据接收到的数据计算出校验位应该为0，而实际接收到的校验位是1，从而可以判断数据错误。

为了便于对本发明进一步的理解，下面结合本发明的具体实施方式对本发明进行详细描述。

仍以分布式控制系统为例，对本发明提供的冗余串行总线的实现方法进行说明。

需要说明的是，为了描述方便，该实施例中以两条传输链路为例进行说明。如图4所示，分布式控制系统中的从站模块主要包括：驱动单元、冗余切换逻辑和处理单元。其中，驱动单元用于实现信号标准的转换并增加驱动能力，比如冗余切换逻辑输出的是CMOS电平信号而链路上传输的是RS485信号，那么驱动单元的作用就是一方面将CMOS电平转换为差分485信号，另一方面增加链路的带负载能力，以实现总线上挂接尽可能多的从站模块。本发明的冗余串行总线的实现方法主要涉及冗余切换逻辑。

需要说明的是，本发明实施例中，从站模块发送数据时，如图5所示，处理单元通过总线接口将数据写入冗余切换逻辑中，冗余切换逻辑首先缓存当前的发送数据，然后进行并行数据转换成串行数据的模式切换，并将切换之后的串行数据同时发送给两个独立的驱动单元，每个驱动单元对应一个通讯链路，例如图5中的链路A和链路B。

采用本发明提供的冗余串行总线的实现方法，从站模块接收数据时，冗余切换逻辑先对驱动单元分别输出的两条链路A、B上的数据包进行同步。这是由于，两条链路上数据的传输起始时间可能不同，两条通讯链路输出传输时间不一定完全一致，两条链路在数据输出时的时间差值如图6中的t_delay表示。以数据传输时的最小单位为字节的情形为例，由于数据传输时的最小单位为字节，因此，t_delay允许的最大值为1个字节数据传输的时间，如果在这个时间内另一条链路上仍然没有数据到达，则认为对两条链路同步失败；否则，认为两条链路上都有数据可供选择，同步成功。可见，当两条链路在数据输出时的时间差值小于数据传输时的最小单位的传输时间时，则两条链路同步成功。

需要说明的是，如果数据流先到达的链路就是当前选择的链路，则判断当前链路中接收到的每个字节的校验位是否正确，如果正确，则保持接收本链路数据不变；如果不正确，则判断另一链路上校验位是否正确，如果另一条链路上校验位正常，则切换到另一条链路接收数据；如果另一条链路上校验位也错误，则说明当前两条链路都故障，保持当前接收链路不变，，并向外界输出故障告知信息等待故障恢复。

如果数据流先到达的链路不是当前选择的链路，则需要同步两条链路的数据，如果在接收1个字节的时间间隔内同步成功，则保持当前选择的链路接收数据，如果在接收1个字节的时间间隔内同步失败，则切换到另一条链路接收数据。同时根据每个字节的校验位进行切换链路的逻辑判断。需要指出的是，本发明实施例中的所谓同步是指：检测两条链路接收到同一字节的时间间隔是否在规定时间间隔内，如果是，则认为两条链路同步成功。根据时间应用场景，本领域技术人员能够计算出同步时间的具体值。

两条链路上传输的数据完成同步之后，继续分别对每条链路上的传输数据进行串行数据转换成并行数据的模式切换。

模式切换之后，冗余切换逻辑对每条链路上的数据进行实时缓存。在进行数据缓存的同时，每接收一个字节进行相应校验位的对比，根据当前校验位的指示信息和预置校验位的指示信息之间的对比，判断相应链路是否发生故障：如果两条链路的校验位指示信息均正确，则保持当前选择的链路不变；如果两条链路中一条链路的校验位指示信息正确，而另一条链路的校验位指示信息错误或无数据，则选择正确的链路接收数据；如果两条链路的校验位指示信息均错误，则同样保持当前选择链路不变，等待故障的恢复。“处理单元”通过总线接口读取“冗余切换逻辑”中接收到的数据。同现有技术方案相比，冗余切换逻辑内部缓存了两条链路的数据，当检测到当前接收数据链路故障时，可以立即切换到另一条链路并启用另一条链路上实时缓存的数据，从而切换过程数据不会受到任何影响。

上述冗余切换逻辑可以通过图7进行进一步明示。如图7所示，链路A和链路B的串行数据转换为并行数据后按照字节暂存到缓存区，在缓存的同时已经根据校验位指示信息判断出了两个链路接收到的这个字节数据是否正确。如果发现链路A的数据是错误的，则控制切换到链路B的缓存区读数据，链路B缓存区中保留有实时传输的数据，所以链路切换之后不会导致数据丢失。该过程中，仍以数据传输时的最小单位为字节的情形为例，该过程中，需要满足t_delay不超过1个字节的传输时间，如果t_delay太长，超过了1个字节的传输时间，则传输较快链路上的下一个字节数据已经到了，会覆盖之前的数据，导致较慢链路和较快链路缓存中存储的数据不是同一个字节，因此，不能保证两条链路的数据同步。

当然，本发明实施例中的链路切换方案也适用于以下链路故障情形：以传输链路为两条为例，为了表述方便，将两条链路以第一链路和第二链路进行区分。数据沿第一链路和第二链路两条链路进行传输，当第一链路首先接收到数据，而第二链路在同步时间内没有收到数据，这时，也认为在同步时间内没有收到数据的第二链路发生故障。如果默认的是采用第二链路进行数据接收，则需要进行链路切换，改由第一链路进行数据接收。

在本发明的另一个优选实施方案中，可以通过接收到的正常数据中携带的目的地址字节，获得当前数据的接收者是否为当前从站。对于不属于当前从站的数据可以直接抛弃，以节省缓存空间；对于属于当前从站的数据可以暂存到缓存区内，等待对该数据的读取及后续处理。

可见，本发明提供的冗余串行总线的实现方法，能够实时检测两条链路的传输状态，因此，对于链路故障诊断的实时性更强。本发明的通用性很强，与通讯协议相关性很弱，无论协议如何只要字节传输包含校验位即可采用此冗余方案。

相应上述冗余串行总线的实现方法，本发明还提供了一种冗余串行总线的实现装置，如图8所示，所述装置可以包括：

接收缓存模块801，用于通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据；

监测模块802，用于在所述接收缓存模块801进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

故障判断模块803，用于判断所述当前链路是否发生故障；

切换模块804，用于如果所述故障判断模块803确定所述当前链路发生故障，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

本发明提供的冗余串行总线的实现装置通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据的同时，通过接收缓存模块实时进行主链路及备份链路上传输的数据的缓存，并实时监测接收数据的当前链路的传输状态；一旦当前链路发生故障，便自动切换至其他未发生故障的链路继续接收数据。这样，由于切换后的链路中实时存储着正在传输的数据，可以保证链路切换后不会发生数据包丢失的缺陷，使得数据传输更加可靠、稳定。

优选的，所述故障判断模块还用于：

如果所述故障判断模块确定所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息。

优选的，所述故障判断模块还用于：如果所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据。

优选的，所述数据中携带的校验位指示信息，则所述故障判断模块根据所述校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

在本发明另一个优选实施例中，所述装置还包括：

接收判断模块，用于判断数据的接收者是否是本地从站，如果是，则将所述数据缓存；如果否，则将所述数据丢弃。

对于装置实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种冗余串行总线的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据，在进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

判断所述当前链路是否发生故障，如果是，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

2.根据权利要求1所述的冗余串行总线的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果判断所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据。

3.根据权利要求1所述的冗余串行总线的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果判断所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息。

4.根据权利要求1所述的冗余串行总线的实现方法，其特征在于，所述判断所述当前链路是否发生故障，包括：

根据传输的数据中携带的校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的冗余串行总线的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断数据的接收者是否是本地从站，如果是，则将所述数据缓存；如果否，则将所述数据丢弃。

6.一种冗余串行总线的实现装置，其特征在于，所述装置包括：

接收缓存模块，用于通过主链路及备份链路中的一条链路接收数据，并实时缓存主链路及备份链路传输的数据；

监测模块，用于在所述接收缓存模块进行数据缓存同时，实时监测接收数据的当前链路的传输状态；

故障判断模块，用于判断所述当前链路是否发生故障；

切换模块，用于如果所述故障判断模块确定所述当前链路发生故障，则切换至未发生故障的备份链路接收数据。

7.根据权利要求6所述的冗余串行总线的实现装置，其特征在于，所述故障判断模块还用于：

如果所述故障判断模块确定所述当前链路未发生故障，则保持当前链路接收数据。

8.根据权利要求6所述的冗余串行总线的实现装置，其特征在于，所述故障判断模块还用于：如果所有链路均发生故障，则保持当前链路接收数据，并向外界输出故障告知信息。

9.根据权利要求6所述的冗余串行总线的实现装置，其特征在于，所述数据中携带的校验位指示信息，则所述故障判断模块根据所述校验位指示信息判断所述当前链路是否发生故障，如果所述校验位指示信息为预置信息时，则确定所述当前链路未发生故障；如果否，则确定所述当前链路发生故障。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的冗余串行总线的实现装置，其特征在于，所述装置还包括：

接收判断模块，用于判断数据的接收者是否是本地从站，如果是，则将所述数据缓存；如果否，则将所述数据丢弃。

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