CN102447603B - 基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，主要包括：在采用串行总线进行数据通讯时，通过令牌轮询的方式，对链路中普通节点数据中地址标签进行解析，在链路调度设备中分析获得相应普通节点的在线状态信息，并通过实时广播发布，使整个链路上的所有设备均获得链路状态信息。同时，本发明还提供了基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统。通过本发明提供的方法，由于令牌周期较短，在较短的时间片内，总线节点的状态更新可及时的被发现。因此，各设备在数据发送前，可提前预知链路状态，及时诊断总线故障，并主动发起通讯切换，同时配合CPU数据重发机制，达到了数据不丢失的目的。

Description

基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法和系统

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法和系统。

背景技术

在工业控制领域，通常采用冗余总线的方法实现设备间数据的可靠通讯，即当默认数据总线出现故障时切换到备用总线进行通讯。

在现有的串行通讯方案中，设备间的通讯多依赖于主设备进行，普通设备一般无法获知整个链路的节点状态。一般情况下，对基于CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络)总线设计的控制系统的底层通讯总线，在总线通讯之前，主设备需要向链路广播信息，以查询从节点是否处于在线状态，从节点通过回复响应以通知主设备所述从节点在线，如果所述从节点未回复响应即不在线，说明此通讯总线出现故障，则需要切换至备用的数据总线进行通讯。

但是，由于主设备对通讯总线中从节点在线状态的查询，存在一个建立链接的过程，同时冗余总线的切换也需要周期，会存在较大的延时，一般在30～100ms，在这期间通讯总线处于断路状态，因此，在通讯总线的查询诊断和冗余总线切换这一较长的时间片内，由于通讯总线断路无法进行通讯，会存在极易导致数据丢失的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法和系统，以解决现有冗余通讯链路中，在通讯总线对从节点进行在线状态查询及冗余总线切换这段时间内，由于通讯总线断路，而导致数据丢失的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，包括：

选取串行总线上具有同等地位的设备中的任意一个为链路调度设备，并设置所述链路调度设备中的链路模块为链路调度器，其他未被选取的设备则为普通设备；

通过所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息；

当所述链路调度器监测到所述链路节点的在线信息变化时，所述链路调度器通过链路状态发布帧向所述普通设备发布所述当前链路节点的在线信息；

所述普通设备收到所述链路状态发布帧后进行保存；

所述链路调度设备和所述普通设备在数据发布前，查询所述保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯。

优选地，所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息，包括：

所述链路调度器向总线上的各设备依次发送令牌；

所述各设备在线时，收到令牌后依次回复响应，其中所述回复响应的帧中包含回复设备的地址标签；

所述链路调度器获得所述地址标签后，将链路节点在线表中对应节点的在线标志位置位，所述标志位对应内部的一个N状态计数器；

所述计数器在定时器的驱动下逐次递减，且在收到所述回复设备的地址标签后将计数器重置为N，当所述计数器为0时，表示节点下线，其他状态均表示节点在线；

其中，对于不在线的设备，不会发送回复响应，所述链路节点在线表中对应的标志位不会被置位；所述链路调度设备通过其它节点的回复响应来判断所述链路调度设备是否在线。

优选地，所述N值的设定要保证下线周期时间至少为一个扫描周期；

其中，所述下线周期时间为所述N值减为0所用的时间，所述扫描周期为所述链路调度器向链路中所有设备都发布完一帧令牌并收到所有普通设备的回复响应的时间。

优选地，所述回复响应包括：令牌帧或有效数据帧。

优选地，所述链路节点在线表包括对应各个普通设备的内部包含计数器的子模块。

优选地，所述查询保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯，包括：

所述链路调度设备和所述普通设备在发布数据前，查询其中一路总线上本节点是否在线，当所述本节点处于在线状态时，查询目标节点是否在线，当所述目标节点在线时，则在此路总线发布数据；

当所述本节点不在线或所述目标节点不在线时，查询另一路总线上的本节点是否在线，当所述另一路总线上本节点在线时，查询所述另一路总线上的目标节点是否在线，当所述目标节点在线时，则在所述另一路总线发布数据；

当所述本节点或目标节点在所述另一路总线上不在线时，则返回执行所述设备在发布数据前，查询其中一路总线上本节点是否在线这一步骤。

优选地，本发明公开的方法还包括：

CPU查询所述链路节点在线表，获得链路的拓扑结构；

当所述CPU向某个设备发送数据时，采用数据重发机制，设定其中一路总线先发，当该总线不可达时，则调用另一路总线发送数据。

优选地，本发明公开的方法还包括：

CPU程序获取链路状态信息的过程，包括：

在所述设备初始化链路层通讯后，所述CPU定时查询是否有链路状态中断，当有链路状态中断时，更新所述CPU中维护的链路状态，否则继续定时查询；

当所述CPU中维护的链路状态更新后，检测链路中是否有节点上线或下线，当有节点上线或下线时，通知用户层，否则继续查询是否有链路状态中断。

一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统，包括：

两路串行通讯数据总线；

链路调度设备，所述链路调度设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中的任意一个设备，用于实时监测、获取并发布当前链路节点的在线信息；

普通设备，所述普通设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中除去所述链路调度设备的设备，用于接收所述链路状态发布帧并保存。

通过上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：本发明通过令牌轮询的方式，对链路中普通节点数据中地址标签进行解析，在链路调度设备中分析获得相应普通节点的在线状态信息，并通过实时广播发布使整个链路上的所有设备均获得链路状态信息。由于令牌周期较短，在较短的时间片内，总线节点的状态更新可及时的被发现。因此，各设备在数据发送前，可提前预知链路状态，及时诊断总线故障，并主动发起通讯切换，同时配合CPU数据重发机制，达到了数据不丢失的目的。

附图说明

图1是本发明实施例公开的一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法的实现流程图；

图2是本发明实施例公开的一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统；

图3是本发明实施例公开的链路调度器向普通设备发布链路节点状态信息的示意图；

图4是本发明实施例公开的链路调度器实时监测并获取链路节点的在线信息的结构示意图；

图5是本发明实施例公开的链路调度器实时监测并获取链路节点的在线信息的实现流程图；

图6是本发明实施例公开的设备查询链路节点状态及单路通情况下发起数据切换的实现流程图；

图7是本发明实施例公开的CPU数据重发的结构示意图；

图8是本发明实施例公开的CPU获取链路状态信息的实现流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，主要包括：在采用冗余总线进行数据通讯时，通过令牌轮询的方式，对链路中普通节点数据中地址标签进行解析，在链路调度设备中分析获得相应普通节点的在线状态信息，并通过实时广播发布，使整个链路上的所有设备均获得链路状态信息。由于令牌周期较短，在较短的时间片内，总线节点的状态更新可及时的被发现。因此，各设备在数据发送前，可提前预知链路状态，及时诊断总线故障，并主动发起通讯切换，同时配合CPU数据重发机制，达到了数据不丢失的目的。

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。

如图1所示，为本发明实施例公开的一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法的实现流程图。具体步骤为：

步骤S101：选取串行总线上具有同等地位的设备中的任意一个为链路调度设备，并设置所述链路调度设备中的链路模块为链路调度器，其他未被选取的设备则为普通设备；

其中，如图2所示，为所述串行总线的调度结构，即基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统，包括：A路与B路两路串行通讯数据总线，及所述两路串行通讯数据总线上的链路调度设备和普通设备。如图2所示，本实施例中选取设备A为链路调度设备，未被选取的设备如设备B、设备C及设备D则为普通设备，其中，可选总线上的任一设备为链路调度设备，所述链路调度设备的选择包括但不仅限于此。

步骤S102：通过所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息；

步骤S103：当所述链路调度器监测到所述链路节点的在线信息变化时，所述链路调度器通过链路状态发布帧向所述普通设备发布所述当前链路节点的在线信息；

其中，如图3所示，为链路调度器向普通设备发布所述链路节点的在线信息的示意图。即链路调度器A通过链路状态发布帧向各普通设备即普通设备B、普通设备C、普通设备D广播链路节点状态。由于链路状态维护功能主要由链路调度设备负责，普通设备没有自身独立的获得链路状态的机制，链路状态需要通过链路调度设备的发布以获得，因此链路设计中规定了除令牌和普通数据帧外的第三种帧：链路状态发布帧。所述链路状态发布帧即包括了所述链路调度设备中维护的所述链路节点的在线信息。

步骤S104：所述普通设备收到所述链路状态发布帧后进行保存；

通过执行步骤S104的过程，实现了链路上普通设备对整个链路节点在线状态的获得，这样可以保证数据发送前，提前预知链路节点在线状态，保证在一路通讯出现故障，进行通讯线路切换的过程内，数据不会丢失。

步骤S105：所述链路调度设备和所述普通设备在数据发布前，查询所述保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯。

通过执行上述步骤S101～步骤S105的过程，在串行通讯时，通过链路调度器对普通节点数据中的地址标签进行解析，可在链路调度设备中分析获得相应普通节点的在线状态信息，并在检测到链路节点拓扑发送变化即存在某个节点上线或下线时，实时地通过链路广播发布，使整个链路上的所有设备均获得链路状态信息，因此保证了数据发送前可以预知链路状态，当一路数据通讯出现故障时，可以通过查询链路在线表及时查询，保证数据的切换过程不丢失。

需要说明的是，所述链路节点的在线信息是以链路状态表的形式，储存于链路调度设备中，应用于如图2所示的总线冗余系统时，具体到链路状态表的发布方式，可以有两种，具体为：

1)在AB两路实际的物理链路中，发布的链路状态发布帧中包含AB两路链路节点状态的整体信息，即当A路节点状态改变时，B路可以收到整个链路的节点状态信息的发布。

2)在AB两路实际物理链路中，发布的链路状态发布帧中仅包含本路链路信息，即当A路节点状态改变时，只有A路可以收到链路节点状态信息的发布，B路由于无节点状态改变，因此不会收到链路状态发布帧。

此外，如图4所示，为在上述本发明公开的实施例的基础上，执行步骤S102中所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息的结构示意图；

如图5所示，为通过所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息的实现流程图，具体过程为：

步骤501：所述链路调度器向总线上的各设备依次发送令牌；

步骤502：所述各设备在线时，收到令牌后，依次回复响应，其中所述回复响应的帧中包含回复设备的地址标签；

其中，上述步骤501～步骤502执行过程，如图4中所示的链路调度器向设备A发布令牌0，设备A回复令牌0；链路调度器向设备B发布令牌1，设备B回复令牌1；链路调度器向设备C发布令牌2，设备C回复令牌2等。

另外，链路调度设备拥有通过发布令牌调度总线的权利，普通设备在接收到所述令牌时，必须做出回复响应。对于总线上不在线的设备，则不会发送回复响应。其中，所述回复响应可以为令牌帧也可以为有效数据帧，且必须包含本设备的地址标签。

步骤503：所述链路调度器获得所述地址标签后，将链路节点在线表中对应节点的在线标志位置位，所述标志位对应内部的一个N状态计数器；

其中，所述链路节点在线表包括对应各个普通设备的内部包含计数器的子模块。通过计数器来判断节点的上下线状态。如图4所示，其中每个设备在所述链路节点在线表中都有其对应的子模块。

步骤504：所述计数器在定时器的驱动下逐次递减，且在收到回复设备的地址标签后将计数器重置为N，当所述计数器为0时，表示节点下线，其他状态均表示节点在线。因此，只有在N-1个定时周期内收到对应普通设备的回复令牌才能保证设备不下线。

其中，由于链路调度器是依次向链路上的普通设备发布令牌，因此，一个新上线的普通设备收到链路调度器分配的令牌需要等待一定的时间。对此，将所述链路调度器向链路中所有设备都发布完一帧令牌并收到所有普通设备的回复响应的时间称为扫描时间；所述N值减为0的时间，即N-1级*定时器输入间隔时间称为下线周期时间。因此，所述下线周期时间需要至少保持在一个扫描周期以上，才能保证链路调度器已经在该段时间内对整个链路进行了扫描。这就要求对于N值的设定要保证设备的下线周期时间至少为一个扫描周期，优选地，可通过N值的设定将下线周期设定为1～3个扫描周期。

通过执行上述步骤501～步骤504的过程，实现了链路调度器对链路节点在线信息的获得，需要说明的是，对于不在线的设备，不会发送回复令牌，且所述链路节点在线表中对应的标志位不会被置位；作为链路调度器自身，其不能收到发自本设备的回复响应，因此所述链路调度设备是通过其它节点的回复响应来判断所述链路调度设备是否在线。

如图6所示，为在上述本发明公开的实施例的基础上，执行步骤S105中所述查询所述保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯的实现流程图，具体包括以下步骤：

步骤201：所述链路调度设备和所述普通设备是否要发布数据，如果是，则转步骤202；如果否，则返回步骤201查询所述链路调度设备和所述普通设备是否要发布数据；

步骤S202：：查询A路总线上本节点是否在线，如果所述本节点在线，则转步骤S203；如果所述本节点不在线，则转步骤S204；

步骤S203：查询A路总线上目标节点是否在线，如果所述目标节点在线，则转步骤S206；如果所述目标节点不在线，则转步骤S204；

其中，通过步骤S202～步骤S203的查询，可以判定所述A路总线是否存在通讯故障即节点不在线的情况，如果存在，则迅速执行对另一路通讯总线即B路总线的查询，以实现通讯总线的及时切换。

步骤S204：查询B路总线上所述本节点是否在线，如果所述本节点在线，则转步骤S205；如果所述本节点不在线，则转步骤S201；

步骤S205：查询B路总线上所述目标节点是否在线，如果所述目标节点在线，则转步骤S206；如果所述目标节点不在线，则转步骤S201；

步骤S206：发布数据。

通过执行上述步骤，设备在数据发布之前，首先对通讯链路节点的在线状态进行查询，可以即时的选择无故障链路进行通讯，另外在其中一路出现通讯故障时，可以保证数据选取链路状态正常的总线进行通讯，实现链路及时的切换，数据不丢失。

同时，本发明实施例公开的基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法中，还公开了一种CPU数据重发的方法。

如图7所示，为CPU数据重发的结构示意图，包括：CPU、A链路通讯模块及B链路通讯模块。

所述CPU数据重发的具体过程为：

所述CPU通过查询所述链路节点在线表，获得链路的拓扑结构；当所述CPU需要向某个设备发送数据时，采用数据重发机制，设定其中一路总线先发，当该总线不可达时，则调用另一路总线发送数据。

结合图7所示的结构，所述CPU数据重发的过程为：CPU采用固定A路先发，当查询到A路不可达时，CPU调用B链路通讯模块发送数据，保证数据不丢失。

其中，如图8所示，为CPU获取链路状态信息的实现流程图。具体过程为：

步骤101：设备初始化链路层通讯；

步骤102：所述CPU定时查询是否有链路状态中断，如果有，则转步骤103；如果没有，则返回执行步骤102的查询过程；

步骤103：读取链路通讯模块中所维护的链路状态，更新所述CPU中维护的链路状态；

步骤104：检测链路中是否有节点上线或下线，如果有，则转步骤105；如果没有，则返回步骤102的查询过程；

步骤105：CPU通知用户层进行相应的操作。

由上述可知，本发明公开的基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，实现了一种在高速串行总线上，通过令牌轮询的方式，实现节点链路在线状态信息的实时获得，并在链路共享的机制。该机制保证了设备能在1ms的时间片内在一路数据总线故障的情况下，进行切换，同时配合CPU数据重发机制，可以快速的实现数据重发，而不丢失数据帧。

根据上述的具体的基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，如图2所示，为本发明实施例所公开的基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统的结构示意图。具体包括：

A路与B路两路串行通讯数据总线；

链路调度设备，所述链路调度设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中的任意一个设备，用于实时监测、获取并发布当前链路节点的在线信息，如图中所示设备A；

普通设备，所述普通设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中除去所述链路调度设备的设备，用于接收所述链路状态发布帧并保存，如图中所示设备B、设备C及设备D等。

需要说明的是，一般在工业控制系统中，控制系统内基本包括：控制器、通讯模块及IO模块。在应用本发明实施例公开的方法时，可将控制器设置为链路调度设备，通讯模块及IO模块可以设置为链路上的普通设备。其中，控制器、通讯模块及IO模块均采用在底层通讯调度实现时，可以采用逻辑芯片实现。对于远程机架上的通讯模块，其下带有IO模块，也可将通讯模块设置为链路调度设备，IO模块视为普通设备。

上述本发明实施例公开的装置的具体执行过程与上述公开的方法一致，这里不再进行赘述。

通过本发明实施例公开的基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法及系统，相对于现有的串行通讯方案中，普通设备无法获知整个链路节点状态的问题，本发明通过链路调度设备对普通节点数据中地址标签的解析，分析获得相应普通节点的在线状态信息，并实时地播发布使整个链路上的所有设备均获得链路状态信息。因此，实现了数据发送前，及时地查询链路状态信息，保证通讯线路切换时，数据不丢失的目的。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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 (8)

1.一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余方法，其特征在于，包括：

选取串行总线上具有同等地位的设备中的任意一个为链路调度设备，并设置所述链路调度设备中的链路模块为链路调度器，其他未被选取的设备则为普通设备；

采用令牌轮询的方式，通过所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息；

当所述链路调度器监测到所述链路节点的在线信息变化时，所述链路调度器通过链路状态发布帧向所述普通设备发布所述当前链路节点的在线信息；

所述普通设备收到所述链路状态发布帧后进行保存；

所述链路调度设备和所述普通设备在数据发布前，查询所述保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯；

CPU，查询链路节点在线表，获得链路的拓扑结构；

当所述CPU向某个设备发送数据时，采用数据重发机制，设定其中一路总线先发，当该总线不可达时，则调用另一路总线发送数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述链路调度器实时监测并获取当前链路节点的在线信息，包括：

所述链路调度器向总线上的各设备依次发送令牌；

所述各设备在线时，收到令牌后依次回复响应，其中所述回复响应的帧中包含回复设备的地址标签；

所述链路调度器获得所述地址标签后，将链路节点在线表中对应节点的在线标志位置位，所述标志位对应内部的一个N状态计数器；

所述计数器在定时器的驱动下逐次递减，且在收到所述回复设备的地址标签后将计数器重置为N，当所述计数器为0时，表示节点下线，其他状态均表示节点在线；

其中，对于不在线的设备，不会发送回复响应，所述链路节点在线表中对应的标志位不会被置位；所述链路调度设备通过其它节点的回复响应来判断所述链路调度设备是否在线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N值的设定要保证下线周期时间至少为一个扫描周期；

其中，所述下线周期时间为所述N值减为0所用的时间，所述扫描周期为所述链路调度器向链路中所有设备都发布完一帧令牌并收到所有普通设备的回复响应的时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述回复响应包括：令牌帧或有效数据帧。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述链路节点在线表包括对应各个普通设备的内部包含计数器的子模块。

6.根据权利要求1～2之一所述的方法，其特征在于，所述查询保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯，包括：

所述链路调度设备和所述普通设备在发布数据前，查询其中一路总线上本节点是否在线，当所述本节点处于在线状态时，查询目标节点是否在线，当所述目标节点在线时，则在此路总线发布数据；

当所述本节点不在线或所述目标节点不在线时，查询另一路总线上的本节点是否在线，当所述另一路总线上本节点在线时，查询所述另一路总线上的目标节点是否在线，当所述目标节点在线时，则在所述另一路总线发布数据；

当所述本节点或目标节点在所述另一路总线上不在线时，则返回执行所述设备在发布数据前，查询其中一路总线上本节点是否在线这一步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

CPU程序获取链路状态信息的过程，包括：

在所述设备初始化链路层通讯后，所述CPU定时查询是否有链路状态中断，当有链路状态中断时，更新所述CPU中维护的链路状态，否则继续定时查询；

当所述CPU中维护的链路状态更新后，检测链路中是否有节点上线或下线，当有节点上线或下线时，通知用户层，否则继续查询是否有链路状态中断。

8.一种基于链路状态在线实时诊断的总线冗余系统，其特征在于，包括：

两路串行通讯数据总线；

链路调度设备，所述链路调度设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中的任意一个设备，用于采用令牌轮询的方式，实时监测、获取并发布当前链路节点的在线信息；

普通设备，所述普通设备为所述两路串行通讯数据总线上具有同等地位的设备中除去所述链路调度设备的设备，用于接收链路状态发布帧并保存，所述链路状态发布帧是当链路调度器监测到链路节点的在线信息变化时，所述链路调度器发布向普通设备发布的指示当前链路节点的在线信息的一种数据帧；

所述链路调度设备和所述普通设备在数据发布前，查询所述保存的链路状态发布帧中包含的所述当前链路节点的在线信息，选取无故障的链路进行通讯；

CPU，查询链路节点在线表，获得链路的拓扑结构；

当所述CPU向某个设备发送数据时，采用数据重发机制，设定其中一路总线先发，当该总线不可达时，则调用另一路总线发送数据。