CN102857397B - 一种多主异步双工差分总线及通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多主异步双工差分总线及通讯方法，使主节点（即主处理模块）轮流获取总线的控制权，实施对各从节点（即各IO模块）的扫描，使得每个主节点在确定时间内都有机会将待传输的数据下发给对应的从节点，每个从节点都能确保在确定的时间周期内将待传输的数据发送到总线上供所有主节点获取，总线速率可达10Mbps或更高，还解决了以往相关总线的应用成本与通信效率间的矛盾问题，可应用于工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置的串行背板总线协议，实现装置内多个主节点与多个从节点、主节点之间的实时数据交换，具有多主通信、高速、低成本、可靠性高、可延续性强的特点，具有良好的应用前景。

Description

一种多主异步双工差分总线及通讯方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，具体涉及一种用于电力系统继电保护及自动化装置之间通讯的快速实时短数据和慢速非实时长数据的IO数据传输的通讯总线。

背景技术

在工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置领域中，主处理模块需要与多个输入输出模块（简称IO模块）进行数据交互，以收集IO模块的采集数据，以及向IO模块下发命令或数据。为了简化控制系统的设计，提高其可靠性，主处理模块与IO模块间通常采用IO总线实现互联。但是在电力系统保护控制装置中的主处理模块往往较少，而IO模块往往较多，由于成本原因，现阶段多采用低成本的单片机实现。为了在单片机处理器下进行快速数据交互，IO总线需要满足快速响应，又要满足IO模块的低成本设计，而满足这种要求的标准总线较少，不能很好的同时满足以上两点的要求。目前，应用于主处理模块需要与多个IO模块进行数据交互的总线主要有以下几种：

1）RS-485总线

RS-485总线是一种半双工异步串行总线技术，主处理模块只需一对差分线，通常用于只有一个主节点的场合，其他节点都为从节点，主节点负责依次轮询各从节点，从节点在收到轮询报文后，进行解析处理，再回答主节点数据。由于从节点回答主节点的延时不确定，且可能较长，需要主节点往往要设一个更大的超时时间来等待从节点的回答，实时性较差，不利于对实时性要求较高的电力控制系统进行数据交互；

2）CAN总线

CAN总线是一种支持无损冲突多主通信的异步串行总线，主处理模块也只需一对差分线，CAN总线上的信号具有“显性”和“隐性”两种电平状态，每个节点对发出的数据都有反馈检测，当总线上的两个节点同时发送产生冲突时，显性电平优先级高，隐性电平自动退出发送，CAN总线也属于半双工通信，同一时刻只有一个节点发送有效，并支持数据变化突发传送和报文优先级设定，在数据量变化不大时，CAN总线重要数据变化突发传送的实时性较高，但CAN总线的传输速率最高只有1Mbps，报文数据部分只有8字节，因此多节点突发数据时，也很难保证总线上的各节点全局数据传送的确定实时性；

3）基于SPI的时分多路实时通讯总线

由于几乎所有嵌入式处理器或单片机都有SPI接口，因此基于SPI的时分多路实时通讯总线的最大优势就是IO模块的实施成本较低，处理器的选型很容易，技术延续性较好，该总线属于全双工同步差分总线需要三对差分信号线（MISO，MOSI，SCK），占用主处理模块的端口较多，该总线基于主处理模块的SPI性能很高，而IO模块的SPI性能较低，故采用多路分时技术，主处理模块按字节依次给预先设定数量的IO模块发送数据，使得IO模块每隔设定数量的字节只接收一个属于自己地址的字节，因此大大减轻IO模块的处理器的负担。该总线需要SCK时钟信号，属于源端同步通信，但通信速率一般不宜高于2.5Mbps，而且每个IO模块侧还需要一个可编程CPLD器件，以计数SCK脉冲，从而判断总线字节是否属于本节点地址的，该总线主处理模块属于主节点，理论上可以有多个主节点，但同一时刻只能有一个获得控制权的主节点与各从节点IO模块通信，IO模块同步返回的数据，其他主节点可以被动监听接收，该总线要求各主节点每轮扫描IO模块都必须全部扫描，而不管主处理模块是否关心该IO模块，导致整体的通信效率较低，不利于装置内较多主模块和从模块间进行数据交互；

4）FlexRay总线

FlexRay总线是一种主要用于汽车的高速可确定性的、具备故障容错的总线技术，FlexRay总线采用时分复用技术，各个访问节点和数据信息都被分配了确定的时间槽，在属于自己的时间槽上，节点可以唯一地访问总线，主处理模块至少需要一对差分信号线，属于半双工异步通信，支持多主通信，最高速率可达10Mbps，但是FlexRay总线应用于IO模块成本相对较高，而且相关器件的可选型获得性较差，因此还需要较长时间的发展才能被接受运用，实用性不强；

还有其他一些总线例如Profibus、Lonworks、并行端口等等，但不是成本较高，就是总线实施复杂，不利于电力控制系统的通讯发展，目前，缺乏一种适合电力系统保护控制应用需求的、成本适中、传输速率较高，支持多主通信，占用主处理模块的端口较少，时间确定性较好，可选型可获得性较好，技术延续性强，抗干扰强，简单可靠的IO数据传输的通讯总线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提供的一种多主异步双工差分总线，即为UAN（UART Area Net）总线，应用于工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置的串行背板总线协议，能够实现装置内多个主节点与多个从节点以及主节点之间的实时数据交换，具有多主通信、高速、低成本、可靠性高、可延续性强的特点，具有良好的应用前景。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种多主异步双工差分总线，其特征在于：包括数据收发差分信号线BUS1和数据收发差分信号线BUS2两组信号线、多个主节点M、多个从节点S，所述各主、从节点的通信控制器分别与数据收发差分信号线BUS1和BUS2相连接。

前述的一种多主异步双工差分总线，其特征在于：所述主节点M的数量为1-32个之间，从节点S的数量为1-31之间。

前述的一种多主异步双工差分总线，其特征在于：所述主节点通信控制器包括可编程逻辑器件FPGA和差分驱动芯片，所述主节点通信控制器用于实现9bit串口通信模式、主节点间令牌传递、主节点间数据通信和扫描从节点的周期和与主节点中的处理器数据交换。

前述的一种多主异步双工差分总线，其特征在于：所述从节点通信控制器包括带9bit串口通信模式和16字节FIFO的微处理器和差分驱动芯片，从节点通信控制器用于接收并判别主节点发来的通信帧中为地址字节的信息是否与该从节点的地址匹配，并将预先准备好的数据帧通过数据收发差分信号线发送出去。

基于多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（1）各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+和负责协调总线运行的主节点MM，各主节点M依次成为主节点M+；

步骤（2）当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点，并通过数据收发差分信号线BUS1或BUS2与待通信的从节点S发送一帧数据，接收到一帧数据的从节点S，延时一个字节后，通过数据收发差分信号线BUS2返回主节点M+预先准备的另一帧数据；

步骤（3）当前具有控制权的主节点M+将所有需要通信的从节点扫描一遍后，将令牌传给下一个主节点，下一个主节点成为具有控制权的主节点M+，重复步骤（1），依次循环。

前述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：步骤（1）所述各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+的分析方法为令牌地址越小优先权越高，结合无损冲突通信原则，自动选择当前处于控制权的主节点。若具有控制权的主节点M+出现故障，则自动重新选择；所述具有控制权的主节点M+设置各主节点依次扫描完从节点周期的时间间隔，所述时间间隔为动态修改设定，所述时间间隔为动态修改设定，通过负责协调总线运行的主节点MM设置。

前述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（3）所述令牌设有三个字节，所述最高位字节的最高位用于判断是否令牌报文，其它各位为目的地址；所述次高位字节为源地址；所述最低位字节用于校验前两位字节。

前述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：数据收发差分信号线BUS1和BUS2传输的帧数据，包括帧长度为LEN1的下行帧和帧长度为LEN2的上行帧两种类型，LEN1大于LEN2；所述下行帧为主节点发出的一帧数据，所述上行帧为从节点发出的另一帧数据。

前述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：步骤（2）所述当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点时，对于从节点送往主节点M+的采集类上行数据，总线上只需要有一个主节点扫描到相应从节点；若主节点无下行数据要发送到该从节点，则可省去该次扫描，将令牌传给下一个主节点。

前述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：所述帧数据包括目的地址、源地址、特殊标志位，数据段和校验码。

本发明的有益之处在于：本发明提供的一种多主异步双工差分总线及通讯方法，能够使主节点（即主处理模块）轮流获取控制权，实施对各从节点（即各IO模块）的扫描，使得每个主节点在确定时间内都有机会将待传输的数据下发给对应的从节点，每个从节点都能确保在确定的时间周期内将待传输的数据发送到总线上供所有主节点获取，主节点的通信控制器采用FPGA实现总线数据检验和时序控制，确保总线可靠高效循环执行，从节点的通信控制器仅需要普通微处理器（如单片机），即可实现总线逻辑，极大降低数目较多的从节点的成本，并采用差分信号芯片实现总线传输UART异步数据，使得总线速率可达10Mbps或更高，并且避免源端同步的时序配合问题，总线还解决了以往相关总线的应用成本与通信效率间的矛盾问题，可应用于工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置的串行背板总线协议，能够实现装置内多个主节点与多个从节点以及主节点之间的实时数据交换，具有多主通信、高速、低成本、可靠性高、可延续性强的特点，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的多主异步双工差分总线一实施例的系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步的详细介绍。

本发明的一种多主异步双工差分总线，包括数据收发差分信号线BUS1和数据收发差分信号线BUS2两组信号线、多个主节点M（即主处理模块）、多个从节点S（即各IO模块），各主、从节点的通信控制器分别与数据收发差分信号线BUS1和BUS2相连接，本发明的总线上最多可连接32个通信节点，主节点M的数量为1-32个之间，从节点S的数量为1-31之间，数量能够根据需要进行配置，当上电多个主节点同时竞争总线时，低优先级的节点自动退出，正常通信时，各主节点轮流接收令牌以获得控制权，不存在冲突。

所述主节点通信控制器包括可编程逻辑器件FPGA和差分驱动芯片，所述主节点通信控制器用于实现9bit串口通信模式、主节点间令牌传递、主节点间数据通信和扫描从节点的周期和与主节点中的处理器数据交换，还需要控制总线节奏、收发令牌、消除多余通信帧，一般由FPGA实现，差分驱动芯片用于实现FPGA与背板总线间的单端信号到总线的差分信号转换，差分驱动芯片采用MLVDS差分驱动芯片，用于支持无损冲突，所述从节点通信控制器包括带9bit串口通信模式和16字节FIFO的微处理器和差分驱动芯片，从节点通信控制器用于接收并判别主节点发来的通信帧中为地址字节的信息是否与该从节点的地址匹配，并将预先准备好的数据帧通过数据收发差分信号线发送出去，这里的微处理器采用UART模块的FIFO深度为16字节的单片机即可，成本低廉，还可以用其他类型的微处理器实现，如DSP、FPGA等，选型方便，可扩展性好。

基于上述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，包括以下步骤，

第一步，各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+和负责协调总线运行的主节点MM，各主节点M依次成为主节点M+，所述各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+的分析方法为令牌地址越小优先权越高，结合无损冲突通信原则，自动选择当前处于控制权的主节点；若具有控制权的主节点M+出现故障，自动重新选择，所述具有控制权的主节点M+设置各主节点依次扫描完从节点周期的时间间隔，所述时间间隔为动态修改设定，通过负责协调总线运行的主节点MM设置；

第二步，当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点，并通过数据收发差分信号线BUS1或BUS2与待通信的从节点S发送一帧数据，接收到一帧数据的从节点S，延时一个字节后，通过数据收发差分信号线BUS2返回主节点M+预先准备的另一帧数据；

这里的数据收发差分信号线BUS1和BUS2传输的帧数据，包括帧长为LEN1的下行帧和帧长为LEN2的上行帧两种类型，下行帧为主节点发出的数据，上行帧为从节点发出的数据，每个帧数据包括目的地址、源地址、特殊标志位，数据段和校验码，其中目的地址表示该帧数据发给哪个节点，源地址表示该帧数据由哪个节点发出，特殊标志位表示该帧数据是否为令牌帧，令牌确认应答等，数据段表示数据长度和数据值等信息，校验码用于校验计算包括目的地址、源地址、特殊标志位，数据段的所有数据，主节点向从节点发送LEN1的一帧数据，其第一个字节必须是目的从节点地址，并且实际发送时多包含一位第9bit的数据用以区分该字节是否是地址字节，从节点的通信控制器在收到这个第9bit标志时，通过硬件判别地址与本节点地址匹配后，则立即将预先准备好LEN2的一帧数据写入发送缓冲区，开始双工发送，并在下行数据发送完毕前，上行数据也发送完毕；

所述当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点时，对于从节点送往主节点M+的采集类上行数据，总线上只需要有一个主节点扫描到相应从节点即可；若主节点无下行数据要发送到该从节点，则可省去该次扫描，将令牌传给下一个主节点。

第三步，当前具有控制权的主节点M+将所有需要通信的从节点扫描一遍后，将令牌传给下一个主节点，下一个主节点成为具有控制权的主节点M+，重复第一步，依次循环，实现数据交互。

所述第一步和第三步所述令牌设有三个字节，所述最高位字节的最高位用于判断是否令牌报文，其它各位为目的地址；所述次高位字节为源地址；所述最低位字节用于校验前两位字节。

下面结合一具体实施例，对本发明的多主异步双工差分总线的通讯方法，做进一步介绍，如图1所示，本发明的多主异步双工差分总线包含六个总线节点，其中三个为主节点，三个为从节点，每个主节点均设有一可编程逻辑器件FPGA来实现主控制器功能，每个从节点采用ARM处理器实现简单UART串口通信功能， 总线还包括数据收发差分信号线BUS1和BUS2，通信速率为10Mbps，双工通信时，双向数据流量达20Mbps，其中数据收发差分信号线BUS1用于传输主节点到从节点的下行数据，以及主节点之间的数据通信，数据收发差分信号线BUS2用于传输从节点到主节点的上行数据，以及主节点之间的令牌报文，这里的数据收发差分信号线BUS1和BUS2，对每个节点发送的数据帧，由五部分组成：

1）目的地址，表示该帧发给哪个节点；

2）源地址，表示该帧由哪个节点发出，这里占用5个bit；

3）特殊标志位，占用3个bit，包括：该帧是否为令牌帧，令牌确认应答，特殊报文类型等；

4）数据段，包括：本帧数据长度、数据值等，是否包含数据长度由通信规约的具体报文类型规定；

5）校验码，校验码计算范围包括上述1)、2)、3)、4)的所有数据。

总线上的主节点设有M、M+两种状态，以及MM角色功能，具体含义如下：

主节点M：仅监听接收来自从节点的上行数据，检查MM角色是否存在；

主节点M+：获得控制权的主节点，可以主动向从节点下发数据，并使从节点返回数据。检查MM角色是否存在；

主节点MM：负责整个总线的运行维护，监听是否M+状态循环终止，负责扫描所有从节点，负责控制每轮通信的周期；

总线上的主节点上电后监听并延时后竞争M+和MM，主节点M+实施完自己的下行控制数据，或若兼职MM角色，实施完所有从节点扫描后，将令牌传递给下一主节点，若下一主节点故障或不存在，则在令牌传递中即能感受到其无应答，因此能够快速将短令牌继续传递给下一主节点，下一主节点能够快速回应自身完好状态，从而顺利快速交接令牌，当MM重新获得令牌，便知道已完成一轮数据交互，进行轮周期延时控制，延时结束后继续开始下一轮数据交互。

主节点的故障处理：由于某种原因导致某个（或几个）主节点通信异常，其他主节点将感知到这个节点无响应或帧校验出错，会自动快速转移到下一主节点，同时该故障主节点的处理器将感受到节点出现错误，并形成故障报告； 若主节点MM出现故障，则其他主节点将接替主节点MM的工作。若主节点M+出现故障，则其他主节点M将迅速判断令牌终止，并重新竞争选举主节点M+。若主节点M出现故障，则其上游的主节点M+将在尝试后迅速跳转到下一主节点，不管主节点M+还是主节点M出现故障，FPGA都会进行检查和告警。

从节点故障处理：由于某种原因导致某个（或几个）从节点通信异常，任一主节点将感知到这个节点无响应或帧校验出错，在本实例中，主节点MM节点将监视从节点是否长时间无响应或帧校验出错，如果有，则告知相应的处理器，如果主节点的FPGA感知从节点的上行数据正常，但从节点接收发现长时间校验出错，则将告警信息上送给主节点。

数据帧长度：主节点的下行数据帧长度大于从节点上行数据的帧长度，行数据帧长度LEN1取13个字节，上行数据帧长度LEN2取11个字节，令牌报文取短帧3个字节，下行主节点第1字节为9bit模式的地址字节，从节点硬件判别匹配后才开始中断响应发送上行数据，上行数据帧较短，总体上能够在时间上与下行数据帧接近同时结束，这里的令牌含CRC校验码在内仅三字节，以便于加快通信效率。

每轮数据传输的时间间隔：该时间间隔最大值根据实际系统对从节点数据的响应时间要求设定，该时间间隔实际最大值还受通信速率和扫描节点数限制，但在总线设计时，这个限制时间是可以计算和确定的，本实施例，考虑开关量分辨率要求1ms，因此一轮扫描时间间隔设为0.5ms，主节点M1需要扫描三个从节点S，主节点M2需要扫描一个从节点S，主节点M3需要扫描两个从节点S，主节点M1和M3需要在M之间交互一帧数据，则0.5ms时间周期内，至少还有0.39ms空闲时间，大于总线判别轮空闲的0.032ms，因此还能配置更多的从节点。

综上所述，本发明的多主异步双工差分总线及通讯方法，能够使主节点（即主处理模块）轮流获取总线的控制权，实施对各从节点（即各IO模块）的扫描，使得每个主节点在确定时间内都有机会将待传输的数据下发给对应的从节点，每个从节点都能确保在确定的时间周期内将待传输的数据发送到总线上供所有主节点获取，总线速率可达10Mbps或更高，还解决了以往相关总线的应用成本与通信效率间的矛盾问题，可应用于工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置的串行背板总线协议，实现装置内多个主节点与多个从节点、主节点之间的实时数据交换，具有多主通信、高速、低成本、可靠性高、可延续性强的特点，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多主异步双工差分总线，其特征在于：包括数据收发差分信号线BUS1和数据收发差分信号线BUS2两组信号线、多个主节点M、多个从节点S，所述各主、从节点的通信控制器分别与数据收发差分信号线BUS1和BUS2相连接；

所述主节点M的数量为1-32个之间，从节点S的数量为1-31之间；

所述主节点通信控制器包括可编程逻辑器件FPGA和差分驱动芯片，所述主节点通信控制器用于实现9bit串口通信模式、主节点间令牌传递、主节点间数据通信和扫描从节点的周期和与主节点中的处理器数据交换；

所述从节点通信控制器包括带9bit串口通信模式和16字节FIFO的微处理器和差分驱动芯片，从节点通信控制器用于接收并判别主节点发来的通信帧中为地址字节的信息是否与该从节点的地址匹配，并将预先准备好的数据帧通过数据收发差分信号线发送出去。

2.基于权利要求1的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（1）各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+和负责协调总线运行的主节点MM，各主节点M依次成为主节点M+；

步骤（2）当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点，并通过数据收发差分信号线BUS1或BUS2与待通信的从节点S发送一帧数据，接收到一帧数据的从节点S，延时一个字节后，通过数据收发差分信号线BUS2返回主节点M+预先准备的另一帧数据；

步骤（3）当前具有控制权的主节点M+将所有需要通信的从节点扫描一遍后，将令牌传给下一个主节点，下一个主节点成为具有控制权的主节点M+，重复步骤（1），依次循环；

步骤（1）所述各主节点间通过分析令牌，得到当前具有控制权的主节点M+的分析方法为令牌地址越小优先权越高，结合无损冲突通信原则，自动选择当前处于控制权的主节点；若具有控制权的主节点M+出现故障，则自动重新选择，所述具有控制权的主节点M+设置各主节点依次扫描完从节点周期的时间间隔，所述时间间隔为动态修改设定，通过负责协调总线运行的主节点MM设置；

步骤（1）和步骤（3）所述令牌设有三个字节，最高位字节的最高位用于判断是否令牌报文，其它各位为目的地址；次高位字节为源地址；最低位字节用于校验前两位字节；

步骤（2）所述当前具有控制权的主节点M+，扫描所有的从节点时，对于从节点送往主节点M+的采集类上行数据，总线上只需要有一个主节点扫描到相应从节点；若主节点无下行数据要发送到该从节点，则可省去该次扫描，将令牌传给下一个主节点。

3.根据权利要求2所述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：数据收发差分信号线BUS1和BUS2传输的帧数据，包括帧长度为LEN1的下行帧和帧长度为LEN2的上行帧两种类型，LEN1大于LEN2；所述下行帧为主节点发出的一帧数据，所述上行帧为从节点发出的另一帧数据。

4.根据权利要求2或3所述的一种多主异步双工差分总线的通讯方法，其特征在于：所述帧数据包括目的地址、源地址、特殊标志位，数据段和校验码。