CN102984042A - 一种实现总线通信的确定性调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现总线通信的确定性调度方法，用于工业控制网络中实现具有确定性及可靠性的通信，总线上包括至少一个主节点和若干个从节点；在从节点中根据安全性等级要求确定若干个安全从节点；该方法包括：在一个控制周期开始后，向主节点发送安全从节点非实时通信触发信号，以使主节点依次与安全从节点进行非实时数据通信；接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向主节点发送实时通信触发信号，以使主节点依次与从节点进行实时数据通信；接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向主节点发送非实时通信触发信号，以使主节点依次与从节点进行非实时数据通信。本发明还公开了一种实现总线通信的确定性调度系统。

Description

一种实现总线通信的确定性调度方法及系统

技术领域

本发明涉及总线通信技术领域，具体涉及一种实现总线通信的确定性调度方法及系统。

背景技术

工业控制网络是一种典型的实时应用系统，其中的任务分为周期性任务和非周期性任务。周期性任务按照一定的时间间隔触发，并且对任务的执行时间具有截止期要求；非周期性任务只有在特定的时间触发下才出现，例如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录等。这两种任务反映在工业控制网络的通信上，就是两类通信信息：对应于周期性任务的实时信息以及对应于非周期性任务的非实时信息。

工业控制系统对网络数据通信的实时性要求很高，不仅要求传输速度快，数据传输还要具有确定性。数据传输具有确定性是指节点内的信息具有确定的传输时间，确定性调度方案直接决定着安全系统中总线通信的通信方式和通信性能，是保证整个通信网络稳定运行的关键。

在现有技术中，工业控制网络总线通信的调度方法是将传输周期分为周期阶段和非周期阶段，保证在任意时刻网络上都只有一个报文在传输以避免碰撞。周期阶段进行实时信息的传输，对于实时信息具体可以采用时隙访问的控制方式，在固定的时间片进行周期性实时数据交换；非周期阶段进行非实时信息的传输，对于非实时信息具体可以采用基于令牌的集中调度方式，在实时信息通信的间隙进行数据交换。这种调度方法需要将网络中的非实时信息划分优先级，按照优先级顺序依次进行非实时信息的传输，但是，在每次实时信息通信的间隙不能保证传输全部的非实时信息，这些未能及时传输的非实时信息中，可能包括一些优先级较高的重要的非实时信息，例如节点故障信息，使工业控制网络中通信的安全性降低，而且这种调度方法需要在主节点维护一个非实时信息声明队列保存非实时信息优先级信息，增加了额外的网络负担。

另外，在现有技术中采用时钟服务器的方式实现网络上所有设备节点的同步，但只有在系统启动阶段才会进行时间同步，如果系统连续运行很长时间，可能会出现时间偏差。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种实现总线通信的确定性调度方法及系统，以解决现有技术中无法保证安全级别较高的非实时信息的及时数据传输的问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

一种实现总线通信的确定性调度方法，所述总线上包括至少一个主节点以及若干个从节点；在所述从节点中根据安全性等级要求确定若干个安全从节点；所述方法包括：

在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信；

接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信；

接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送非实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信。

相应的，所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次向所述安全从节点发送非实时数据令牌，以使所述安全从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧。

相应的，所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送实时数据令牌，以使所述从节点收到所述实时数据令牌后，向所述主节点发送实时输入数据帧；

所述主节点根据所述实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧；

所述主节点依次向所述从节点发送所述实时输出数据帧，以使所述从节点收到所述实时输出数据帧后，向所述主节点发送实时数据令牌响应帧。

相应的，所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送非实时数据令牌，以使所述从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧。

相应的，在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，所述方法还包括：

向所述主节点发送广播信号，以使所述主节点收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步。

相应的，所述主节点收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步，包括：

所述主节点收到所述广播信号后，向全部所述从节点发送两次同步采样帧，以使所述从节点收到所述同步采样帧后，根据所述同步采样帧内的时间标签更新本地时间。

相应的，所述方法还包括：

所述主节点建立在线节点列表，如果一个所述从节点连续若干个控制周期均未与所述主节点进行实时数据通信和/或非实时数据通信，则在所述在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。

一种实现总线通信的确定性调度系统，所述总线上包括至少一个主节点以及若干个从节点；所述从节点中根据安全性等级要求包括若干个安全从节点；

所述系统包括：所述主节点以及与所述主节点耦合设置的链路调度器；

所述链路调度器包括：

第一触发单元，用于在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号；

第二触发单元，用于接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送实时通信触发信号；

第三触发单元，用于接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送非实时通信触发信号；

所述主节点包括：

安全从节点非实时数据通信单元，用于接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信；

实时数据通信单元，用于接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信；

非实时数据通信单元，用于接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信。

相应的，所述安全从节点非实时数据通信单元包括：

第一发送子单元，用于接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次向所述安全从节点发送非实时数据令牌，以使所述安全从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第一接收子单元，用于接收所述安全从节点发送的所述非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

相应的，所述实时数据通信单元包括：

第二发送子单元，用于接收到所述实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送实时数据令牌，以使所述从节点收到所述实时数据令牌后，向所述主节点发送实时输入数据帧；

第二接收子单元，用于接收所述从节点发送的所述实时输入数据帧；

控制算法子单元，用于根据所述实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧；

第三发送子单元，用于依次向所述从节点发送所述实时输出数据帧，以使所述从节点收到所述实时输出数据帧后，向所述主节点发送实时数据令牌响应帧。

第三接收子单元，用于接收所述从节点发送的所述实时数据令牌响应帧。

相应的，非实时数据通信单元包括：

第四发送子单元，用于所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送非实时数据令牌，以使所述从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第四接收子单元，用于接收所述从节点发送的非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

相应的，所述链路调度器还包括第四触发单元，用于在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，向所述主节点发送广播信号；

所述主节点还包括同步单元，用于收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步。

相应的，所述同步单元具体用于：

所述主节点收到所述广播信号后，向全部所述从节点发送两次同步采样帧，以使所述从节点收到所述同步采样帧后，根据所述同步采样帧内的时间标签更新本地时间。

相应的，所述主节点还包括节点维护单元，用于建立在线节点列表，如果一个所述从节点连续若干个控制周期均未与所述主节点进行实时数据通信以及非实时数据通信，则在所述在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。

相应的，所述安全从节点集中放置于安全机架中。

由此可见，本发明具有如下有益效果：

本发明将从节点按照安全等级要求分为安全从节点和常规从节点，将传输优先级较高的非实时信息的从节点确定为安全从节点，在控制周期中优先满足所有安全从节点进行非实时信息的通信，之后再进行所有从节点的实时信息通信和所有从节点的非实时信息通信，由于优先满足了安全从节点非实时通信的要求，因此保证了优先级较高的非实时信息的及时传输，提高了系统安全性。本发明的方案不需要额外的非实时信息声明队列，减少了网络负担。同时，这种基于时间片划分并结合令牌传递机制的调度方法，实现了总线上所有节点的确定性调度。

另外，本发明在每个控制周期启动时首先基于同步采样帧的进行全部节点的时间同步，保证了时间同步的准确性。采用在线节点列表维护机制实时监视节点的通讯状态，可以进一步保证系统运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明实现总线通信的确定性调度方法的流程图；

图2为本发明中非实时通信从节点响应示意图；

图3为本发明中控制周期内的通信子环节划分示意图；

图4为本发明中主节点状态机示意图；

图5为本发明中主节点非实时通信状态的流程图；

图6为本发明中从节点响应机制示意图；

图7为本发明实现总线通信的确定性调度系统的结构示意图；

图8为本发明中链路调度器的结构示意图；

图9为本发明中主节点的结构示意图；

图10为本发明主节点中安全从节点非实时数据通信单元的结构示意图；

图11为本发明主节点中实时数据通信单元的结构示意图；

图12为本发明主节点中非实时数据通信单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

本发明实现总线通信的确定性调度方法，为了有效地实现工业控制网络的实时性、确定性和安全性的通信，满足工业控制网络对通信的要求，提出基于时间片划分和令牌传递机制的主从触发调度机制，将总线系统中的从节点根据安全等级要求分为安全从节点和常规从节点，将控制周期划分为多个通信子环节，优选完成安全从节点的非实时数据通信。

基于上述思想，本发明实现总线通信的确定性调度方法，首先总线上包括至少一个主节点以及若干个从节点；主节点是指在总线上具有链路调度功能的节点，如CPU模块，主节点可以主动向从节点发起通讯；从节点是指在总线上被动响应通讯的节点，如I/O模块、通讯模块、扩展模块和远程通讯模块等。

在从节点中根据安全性等级要求确定若干个安全从节点，其他的从节点则为常规从节点，可以将传输优先级较高的非实时信息的从节点确定为安全从节点，例如记录故障信息的从节点可以确定为安全从节点，其中所有安全从节点可以集中放置于安全机架中，以便于安全从节点的集中管理，常规从节点根据现场实际情况，分别放置于其他普通机架上。安全从节点需要优先满足其非实时数据通信的要求，这样可以及时响应安全从节点中的非实时数据，保证系统的安全性。

参见图1所示，本发明实现总线通信的确定性调度方法可以包括以下步骤：

步骤101：在一个控制周期开始后，向主节点发送安全从节点非实时通信触发信号，以使主节点接收到安全从节点非实时通信触发信号后，依次与安全从节点进行非实时数据通信；

步骤102：接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向主节点发送实时通信触发信号，以使主节点接收到实时通信触发信号后，依次与从节点进行实时数据通信；

步骤103：接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向主节点发送非实时通信触发信号，以使主节点接收到非实时通信触发信号后，依次与从节点进行非实时数据通信。

上述实施例可以理解为，将控制周期划分为了安全从节点非实时通信子环节b、实时通信子环节c以及非实时通信子环节d；在一个控制周期中，依次向主节点发送触发信号，触发安全从节点非实时通信子环节b、实时通信子环节c以及非实时通信子环节d。

其中，安全从节点非实时通信子环节b为主节点接收到安全从节点非实时通信触发信号后，依次与安全从节点进行非实时数据通信的过程；

实时通信子环节c为主节点接收到实时通信触发信号后，依次与从节点进行实时数据通信的过程；

非实时通信子环节d为主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次与从节点进行非实时数据通信的过程。

为了优先满足安全从节点的非实时数据通信，非实时通信被划分为了两个子环节，第一个子环节安全从节点非实时通信子环节在实时通信子环节之前，在该阶段完成与安全机架上的安全从节点的非实时通信，保证优先级高的安全从节点先进行非实时数据通信，第二个子环节非实时通信子环节在实时通信子环节结束后，在该阶段完成与所有从节点的非实时数据通信。这样可以保证通信确定性的前提下，及时响应安全从节点的非实时信息，从而保证及时响应系统故障。

在总线上传输的数据帧可以分为七种，包括：非实时数据令牌、非实时数据令牌响应帧、非实时数据帧、实时数据令牌、实时数据令牌响应帧、实时数据帧以及同步采样帧，其中实时数据帧又可以分为实时输入数据帧以及实时输出数据帧。非实时数据令牌由主节点发送，用于向从节点发起非实时数据通信，从节点在收到非实时数据令牌后，向主节点返回非实时数据令牌响应帧或者非实时数据帧；实时数据令牌由主节点发送，用于向从节点发起实时数据通信，从节点在收到实时数据令牌后，向主节点返回实时数据令牌响应帧或者实时数据帧，可以参见安全从节点非实时通信子环节b、实时通信子环节c以及从节点非实时通信子环节d的具体过程。

在一个控制周期开始后，向主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，还可以向主节点发送广播信号，以使主节点收到广播信号后，与全部从节点进行时间同步。即在控制周期的安全从节点非实时通信子环节前，还可以划分同步采样子环节a，因此，在触发安全从节点非实时通信子环节b前，触发该同步采样子环节a；

同步采样子环节a为主节点与全部从节点进行时间同步的过程。

同步采样子环节a具体可以包括主节点向全部从节点发送两次同步采样帧，从节点收到同步采样帧后，根据同步采样帧内的时间标签更新本地时间。在这个过程中，根据从节点类型(本地节点或远程节点)加载实际传播延时，然后再做时间维护，更新本地时间，以达到时间同步的目的。同步采样帧内的时间标签采用RFC1305标准。

在每个控制周期启动时主节点首先向所有从节点广播发送携带时间标签的同步采样帧，从节点依此维护本地节点的时间信息，以提供精确的时间基准，解决了采用时钟服务器的时间同步方法存在偏差的问题。

在上述实施例中，安全从节点非实时通信子环节b具体过程可以包括：

主节点接收到安全从节点非实时通信触发信号后，依次向安全从节点发送非实时数据令牌，安全从节点收到非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，则向主节点发送非实时数据帧，该非实时数据帧同时作为返回令牌的标识，不需要再次向主节点发送非实时数据令牌响应帧，如果否，则必须向主节点发送非实时数据令牌响应帧。

在主节点向安全从节点发送非实时数据令牌前，主节点也可以先将主节点非实时数据缓存区内的非实时数据帧发送给该安全从节点，该安全从节点应答后再向该向安全从节点发送非实时数据令牌。

安全从节点非实时通信子环节b可以是一个主节点与安全从节点之间双方进行非实时数据通信的过程。

实时通信子环节c具体过程可以包括实时输入通信子环节c1、控制算法子环节c2以及实时输出通信子环节c3；

实时输入通信子环节c1可以包括主节点接收到实时通信触发信号后，依次向从节点(包括安全从节点和常规从节点)发送实时数据令牌，从节点收到实时数据令牌后，向主节点发送实时输入数据帧，若该从节点没有实时数据需要发送，则向主节点发送实时数据令牌响应帧；

控制算法子环节c2停止链路调度，主节点和各个从节点之间不进行通信，这个子环节为主节点根据实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧，控制算法的输入是实时输入通信子环节获得的数据，控制算法的输出是为实时输出通信子环节提供的数据；

实时输出通信子环节c3包括主节点依次向从节点发送实时输出数据帧，从节点收到实时输出数据帧后，向主节点发送实时数据令牌响应帧。

实时通信子环节c完成主节点与从节点之间的实时数据通信过程。

非实时通信子环节d与安全从节点非实时通信子环节b过程类似，具体过程可以包括：

主节点接收到非实时通信触发信号后，依次向从节点发送非实时数据令牌，从节点收到非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向主节点发送非实时数据帧，如果否，向主节点发送非实时数据令牌响应帧。

在主节点向从节点发送非实时数据令牌前，主节点也可以先判断主节点非实时数据缓存区内是否有数据，如果是，则先将主节点非实时数据缓存区内的非实时数据帧发送给该从节点，再向从节点发送非实时数据令牌，如果否，则直接向从节点发送非实时数据令牌。参见图2所示，是非实时通信从节点响应示意图。

需要注意的是，在非实时通信子环节d工作过程中，如果主节点收到广播信号，表明下一个控制周期到达，主节点被强制切换至同步采集子环节，开始下一个控制周期的通信。

因此，参见图3所示，一个控制周期内的所有通信子环节可以划分为同步采样子环节a、安全从节点非实时通信子环节b、实时输入通信子环节c1、控制算法子环节c2、实时输出通信子环节c3以及非实时通信子环节d。将控制周期划分为多个通信子环节，同时结合令牌传递机制，可以实现总线上所有节点的确定性调度。

另外，主节点建立在线节点列表，如果一个从节点连续若干个控制周期均未与主节点进行实时数据通信和/或非实时数据通信，则在所述在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。考虑节点可能出现通信故障，建立在线节点列表维护机制可以实时监视节点的通信状态，并由主节点维护在线节点列表。设置超时重发机制，如果超时为收到响应则重发一次令牌，可以设定如果一个节点连续三个控制周期通信失败则记为故障节点，通信成功一次则标记为正常节点。实时监测节点的运行状态，并由主节点维护在线节点列表，保障系统稳定。

综上所述，本发明将从节点按照安全等级要求分为安全从节点和常规从节点，并将控制周期划分为多个通信子环节，具体地，将非实时通信分为了两个阶段进行调度，第一阶段安全从节点非实时通信子环节在实时通信子环节之前，用于服务所有安全从节点，保证优先级高的安全从节点先进行非实时通讯；第二阶段非实时通信子环节在实时通信子环节之后，用于服务所有从节点的非实时通信，优先满足了安全从节点非实时通信的要求，减少网络负担，提高了系统安全性。同时，这种基于时间片划分的调度方法，将控制周期划分为多个通讯子环节，并结合令牌传递机制，实现了总线上所有节点的确定性调度。另外，本发明在每个控制周期启动时首先基于同步采样帧的进行全部节点的时间同步，保证了时间同步的准确性。采用在线节点列表维护机制实时监视节点的通讯状态，可以进一步保证系统运行的可靠性。

根据上述调度方法，可以分别获得主节点和从节点的状态机，用于主节点或从节点在一个控制周期中进行状态切换，进而实现各个通信子环节的调用。

主节点的状态可以分为空闲状态、广播状态、实时输入状态、实时输出状态和非实时通信状态，参见图4所示。

在一个控制周期达到时，主节点收到广播信号，进入广播状态，向所有从节点广播带有时间标签的同步采样帧，直至主节点广播数据缓存区内没有数据，表明广播完成，主节点切换至空闲状态。

主节点收到实时通信触发信号后，进入实施通信状态，具体还可以分为接收到实时输入通信触发信号后，进入实时输入状态。实时输入状态包含两个动作，S_Token令牌动作和W_Ack/Rec应答动作。S_Token令牌动作依次向所有从节点发布实时数据令牌，W_Ack/Rec应答动作等待从节点回复实时数据令牌响应帧或者实时输入数据帧。所有从节点遍历完成即所有从节点实时输入通信结束后，主节点切换至空闲状态。

主节点收到实时输出通信信号后，进入实时输出状态。实时输出状态包含两个动作，M_Send发送动作和W_Ack响应动作。M_Send发送动作依次向所有从节点发送实时输出数据帧，W_Ack响应动作等待从节点回应实时数据令牌响应帧。所有从节点遍历完成即所有从节点的实时输入通讯结束后，主节点切换至空闲状态。

主节点收到非实时通信信号后，进入非实时通信状态。主节点在非实时通信状态中，执行的主要步骤参见图5所示。判断主节点实时数据区有无更新，若没有更新，则说明进入安全从节点非实时通信子环节，安全从节点非实时通信子环节主节点仅与安全机架上的所有安全从节点进行非实时通信；若有更新，则说明进入与所有从节点的非实时通信子环节。对于安全从节点非实时通信子环节，以安全机架上的2号安全从节点为例，主节点首先从主节点非实时数据缓存区取出非实时数据帧发送给2号安全从节点，等待2号安全从节点应答。在获得2号安全从节点的应答之后，将非实时数据令牌发送给2号安全从节点，等待2号安全从节点回复非实时数据帧或者非实时数据令牌响应帧。完成安全机架内所有安全从节点的非实时通信以后主节点切换至空闲状态。对于与所有从节点的非实时通讯子环节，首先判断主节点非实时数据缓存区是否有数据，如果有数据则向从节点发送非实时数据帧，再向从节点发送非实时数据令牌；如果没有数据需要发送，则直接向从节点发送非实时数据令牌；主节点向从节点发送非实时数据令牌后，等待从节点回复非实时数据帧或者非实时数据令牌响应帧。所有从节点均已遍历则非实时通信环节结束。此外，对于与所有从节点的非实时通讯子环节，如果收到广播信号，表明下一个控制周期到达，主节点被强制切换至广播状态，开始下一个控制周期的通信。

主节点实时监控链路状态，当令牌丢失、未及时响应等异常情况进行处理，设置最大总线空闲时间，超时则主节点收回令牌。

从节点的状态分为空闲状态、接受状态和回复数据/令牌状态。参见图6所示，从节点在收到主节点发送的数据帧后，首先判断数据帧类型。如果是同步采样帧，则不做回应，同时清除实时数据令牌记录，以表示新的控制周期的开始。如果是非实时数据令牌，根据控制周期内部顺序判断如何回复，检测是否存在实时数据令牌记录，若没有实时数据令牌记录则表明其处于安全从节点非实时通信子环节，安全从节点判断非实时数据缓存区有没有数据要发送，有则发送非实时数据帧，没有则回复非实时数据令牌响应帧；若有实时令牌记录则表明其处于与所有从节点的非实时通讯子环节，从节点判断非实时数据缓存区有没有数据要发送，有则发送非实时数据帧，没有则回复非实时数据令牌响应帧。如果收到实时输出数据帧，则回复实时数据令牌响应帧。如果收到实时数据令牌，实时缓存区有数据则回复实时数据帧，没有则回复实时数据令牌响应帧。

相应的，本发明还提供一种实现总线通信的确定性调度系统，参见图7所示，在该系统中，总线上包括至少一个主节点1以及若干个从节点2；从节点中根据安全性等级要求包括若干个安全从节点21。安全从节点可以集中放置于安全机架中。

实现总线通信的确定性调度系统包括：主节点1以及与主节点耦合设置的链路调度器3。

参见图8所示，链路调度器3可以包括：第一触发单元31、第二触发单元32以及第三触发单元33。

其中，第一触发单元31，用于在一个控制周期开始后，向主节点发送安全从节点非实时通信触发信号；

第二触发单元32，用于接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向主节点发送实时通信触发信号；

第三触发单元33，用于接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向主节点发送非实时通信触发信号；

参见图9所示，主节点1可以包括：安全从节点非实时数据通信单元11、实时数据通信单元12以及非实时数据通信单元13。

其中，安全从节点非实时数据通信单元11，用于接收到安全从节点非实时通信触发信号后，依次与安全从节点进行非实时数据通信；

实时数据通信单元12，用于接收到实时通信触发信号后，依次与从节点进行实时数据通信；

非实时数据通信单元13，用于接收到非实时通信触发信号后，依次与从节点进行非实时数据通信。

参见图10所示，安全从节点非实时数据通信单元11可以包括：第一发送子单元111以及第一接收子单元112。

其中，第一发送子单元111，用于接收到安全从节点非实时通信触发信号后，依次向安全从节点发送非实时数据令牌，以使安全从节点收到非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向主节点发送非实时数据帧，如果否，向主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第一接收子单元112，用于接收安全从节点发送的非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

参见图11所示，实时数据通信单元12可以包括：第二发送子单元121、第二接收子单元122、控制算法子单元123、第三发送子单元124以及第三接收子单元125。

其中，第二发送子单元121，用于接收到实时通信触发信号后，依次向从节点发送实时数据令牌，以使从节点收到实时数据令牌后，向主节点发送实时输入数据帧；

第二接收子单元122，用于接收从节点发送的实时输入数据帧；

控制算法子单元123，用于根据实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧；

第三发送子单元124，用于依次向从节点发送实时输出数据帧，以使从节点收到实时输出数据帧后，向主节点发送实时数据令牌响应帧。

第三接收子单元125，用于接收从节点发送的实时数据令牌响应帧。

参见图12所示，非实时数据通信单元13可以包括：第四发送子单元131以及第四接收子单元132。

第四发送子单元131，用于主节点接收到非实时通信触发信号后，依次向从节点发送非实时数据令牌，以使从节点收到非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向主节点发送非实时数据帧，如果否，向主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第四接收子单元132，用于接收从节点发送的非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

另外，参见图8所示，链路调度器3还可以包括第四触发单元34，第四触发单元34用于在一个控制周期开始后，向主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，向主节点发送广播信号。

参见图9所示，主节点还可以包括同步单元14，同步单元14用于收到广播信号后，与全部从节点进行时间同步。

具体的，同步单元14可以用于：

主节点收到广播信号后，向全部从节点发送两次同步采样帧，以使从节点收到同步采样帧后，根据同步采样帧内的时间标签更新本地时间。

主节点还包括节点维护单元15，用于建立在线节点列表，如果一个从节点连续若干个控制周期均未与主节点进行实时数据通信以及非实时数据通信，则在在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。

这样，本发明将从节点按照安全等级要求分为安全从节点和常规从节点，将传输优先级较高的非实时信息的从节点确定为安全从节点，在控制周期中优先满足所有安全从节点进行非实时信息的通信，之后再进行所有从节点的实时信息通信和所有从节点的非实时信息通信，由于优先满足了安全从节点非实时通信的要求，因此保证了优先级较高的非实时信息的及时传输，提高了系统安全性。本发明的方案不需要额外的非实时信息声明队列，减少了网络负担。同时，这种基于时间片划分并结合令牌传递机制的调度方法，实现了总线上所有节点的确定性调度。

另外，本发明在每个控制周期启动时首先基于同步采样帧的进行全部节点的时间同步，保证了时间同步的准确性。采用在线节点列表维护机制实时监视节点的通讯状态，可以进一步保证系统运行的可靠性。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (15)

1.一种实现总线通信的确定性调度方法，其特征在于，

所述总线上包括至少一个主节点以及若干个从节点；在所述从节点中根据安全性等级要求确定若干个安全从节点；

所述方法包括：

在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信；

接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信；

接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送非实时通信触发信号，以使所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次向所述安全从节点发送非实时数据令牌，以使所述安全从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送实时数据令牌，以使所述从节点收到所述实时数据令牌后，向所述主节点发送实时输入数据帧；

所述主节点根据所述实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧；

所述主节点依次向所述从节点发送所述实时输出数据帧，以使所述从节点收到所述实时输出数据帧后，向所述主节点发送实时数据令牌响应帧。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信，包括：

所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送非实时数据令牌，以使所述从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，所述方法还包括：

向所述主节点发送广播信号，以使所述主节点收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述主节点收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步，包括：

所述主节点收到所述广播信号后，向全部所述从节点发送两次同步采样帧，以使所述从节点收到所述同步采样帧后，根据所述同步采样帧内的时间标签更新本地时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述主节点建立在线节点列表，如果一个所述从节点连续若干个控制周期均未与所述主节点进行实时数据通信和/或非实时数据通信，则在所述在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。

8.一种实现总线通信的确定性调度系统，其特征在于，

所述总线上包括至少一个主节点以及若干个从节点；所述从节点中根据安全性等级要求包括若干个安全从节点；

所述系统包括：所述主节点以及与所述主节点耦合设置的链路调度器；

所述链路调度器包括：

第一触发单元，用于在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号；

第二触发单元，用于接收到主节点与全部安全从节点非实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送实时通信触发信号；

第三触发单元，用于接收到主节点与全部从节点实时数据通信完成信号后，向所述主节点发送非实时通信触发信号；

所述主节点包括：

安全从节点非实时数据通信单元，用于接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次与所述安全从节点进行非实时数据通信；

实时数据通信单元，用于接收到所述实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行实时数据通信；

非实时数据通信单元，用于接收到所述非实时通信触发信号后，依次与所述从节点进行非实时数据通信。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述安全从节点非实时数据通信单元包括：

第一发送子单元，用于接收到所述安全从节点非实时通信触发信号后，依次向所述安全从节点发送非实时数据令牌，以使所述安全从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第一接收子单元，用于接收所述安全从节点发送的所述非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述实时数据通信单元包括：

第二发送子单元，用于接收到所述实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送实时数据令牌，以使所述从节点收到所述实时数据令牌后，向所述主节点发送实时输入数据帧；

第二接收子单元，用于接收所述从节点发送的所述实时输入数据帧；

控制算法子单元，用于根据所述实时输入数据帧，运行控制算法，获得实时输出数据帧；

第三发送子单元，用于依次向所述从节点发送所述实时输出数据帧，以使所述从节点收到所述实时输出数据帧后，向所述主节点发送实时数据令牌响应帧。

第三接收子单元，用于接收所述从节点发送的所述实时数据令牌响应帧。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，非实时数据通信单元包括：

第四发送子单元，用于所述主节点接收到所述非实时通信触发信号后，依次向所述从节点发送非实时数据令牌，以使所述从节点收到所述非实时数据令牌后，判断是否有非实时数据需要发送，如果是，向所述主节点发送非实时数据帧，如果否，向所述主节点发送非实时数据令牌响应帧；

第四接收子单元，用于接收所述从节点发送的非实时数据帧或非实时数据令牌响应帧。

12.根据权利要求8-11任一项所述的系统，其特征在于，

所述链路调度器还包括第四触发单元，用于在一个控制周期开始后，向所述主节点发送安全从节点非实时通信触发信号前，向所述主节点发送广播信号；

所述主节点还包括同步单元，用于收到所述广播信号后，与全部从节点进行时间同步。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述同步单元具体用于：

所述主节点收到所述广播信号后，向全部所述从节点发送两次同步采样帧，以使所述从节点收到所述同步采样帧后，根据所述同步采样帧内的时间标签更新本地时间。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述主节点还包括节点维护单元，用于建立在线节点列表，如果一个所述从节点连续若干个控制周期均未与所述主节点进行实时数据通信以及非实时数据通信，则在所述在线节点列表中标记该从节点为故障从节点。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述安全从节点集中放置于安全机架中。

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