CN103645678A

CN103645678A - 一种实时响应网络控制系统

Info

Publication number: CN103645678A
Application number: CN201310078957.3A
Authority: CN
Inventors: 崔光珠; 崔光华
Original assignee: SHENYANG FENGDIAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shenyang zhonghuiyida Technology Development Co., Ltd
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: CN103645678B

Abstract

一种用于工业控制领域的实时响应网络控制系统，解决复杂设备中多节点硬件的控制、状态监测和软件升级；控制系统中包括配置节点，对所有节点运行环境和参数进行设置并指定主、从节点；节点硬件包括微处理器、CAN或以太网总线、外设接口；节点软件由应用层、服务层和驱动层构成，支持模块化的通用标准访问接口进行模块间的调用，支持节点软件的在线升级，具有系统程序内核小、标准化，适配性、可扩展性和升级性适应工业控制领域不同类型设备的控制要求。

Description

一种实时响应网络控制系统

技术领域

本发明属于工业智能控制领域对硬件系统实现实时控制的一种解决方案。

背景技术

在智能工业控制领域，随着设备系统复杂度的增加，对其进行有效、稳定和可靠的控制成为工业控制领域需要解决的课题。尤其在高端医疗设备、航空、高档汽车、楼宇自动化等领域，系统执行节点多而且复杂，实现控制的难度随产品功能的提高而加大。

嵌入式数据处理技术目前已成为工业控制领域实现设备控制的发展方向，具有实时功能的CAN或实时以太网技术为工业控制网络的实现提供了硬件基础。CAN为控制器局域网（Controller Area Network）的简称，参见《Controller Area Network-Basics, Protocols, Chips and Application》，作者Konrad Etschberger，书中对CAN进行了基本的描述，不过未对特定领域给出设计实现方案。

实现一种实时的网络控制系统，它的所有节点都可以根据功能需要自由组合进行通信成为复杂系统控制的有效方式。这种通信建立在一定的协议基础上，通过报文发送和接收进行。

软件的模块化设计是适应复杂系统功能需要而在高端智能设备有广阔的应用前景。这种设计的软件程序内核小、标准化，具有可配置性、组合性、系列性和升级性。

软件的在线升级技术为设备的升级换代和服务提供了延长产品生命周期和提高产品功能的极具性价比的可能性。它可以对网络中的节点设备软件进行升级而无需更换节点设备中的任何硬件，对于目前工业领域内设备升级换代需要花成本更换部件才可以进行以及服务成本占比大的状况会有实质性的改变。

发明内容

本发明提供了一种实时响应网络的控制方法，目的在于实现该网络控制系统内的所有节点都可以根据功能需要自由组合进行通信，控制相关节点执行指令并对节点软件程序进行在线升级。

图1是本发明的网络结构图，其工作原理如下：

该网络中的每一个设备均可作为一个独立的节点存在，每一个节点都有微处理器和外部接口，网络中节点的数量可根据设备应用需要设置，原则上不大于100个。网络中至少有一个是配置节点，配置节点具有用户操作界面和存储设备，它可以对所有节点运行环境和参数进行设置并对其软件程序进行在线升级。网络中的节点又分为主节点和从节点，主节点负责发送控制指令给网络的其它节点并监控其操作状态，从节点接收指令并反馈操作状态给主节点。主节点与配置节点可以合二为一，也可单独指定。配置节点可以把网络上的节点配置成主节点或从节点。

图2为本发明的硬件结构图，它由微处理器（MCU）、静态RAM存储器、外部Flash存储器、外部EEPROM存储器、CAN收发器、USB接口、CAN接口、以太网接口、内部总线和硬件接口及其终端构成。CAN控制器目前在主流的微处理器中都有集成，如ARM架构的NXP23XX系列芯片。由于采用嵌入式微处理器、符合CAN2.0 A/B标准的网络结构和短报文处理、系统内各节点间的距离不超过12米，通信处理能力最大可达到1Mbps的波特率，具有实时性。

图3是节点的软件架构图，其工作流程如下：

该软件架构分为三个层次，第一层是应用层，包括系统服务应用、错误处理和故障监测应用、传感器应用、执行器应用、配置与管理应用、在线升级应用和其它外设应用；第二层是服务层，包括系统功能模块、存储器功能模块、输入输出功能模块和通信功能模块；第三层是驱动层，是包含并支持硬件的驱动程序集。应用层通过调用服务层实现驱动层对硬件的控制。被控制的硬件包括传感器（MCU接收光耦、温度传感器的输入信号）、执行器（MCU输出信号到电机驱动装置，状态灯、风扇控制）和外设（人机交互设备，如LCD显示和键盘输入）。

各节点采用统一的通信接口，可根据设备使用需求选择CAN或以太网接口，CAN接口的节点通信依据CANOpen或自定义的CAN协议进行。

根据设备功能需要，网络中的配置节点把与这次通信内容相关的节点配置为主节点或从节点，通过报文发送和反馈实现节点通信，没有通信需求的节点处于空闲状态而不受其它正在进行通信节点的干扰。各节点的通信采用广播方式进行，一个节点发送指令，所有节点都在收听，但只是有需求的节点接收该指令，指令执行后回复其执行后的状态到网络上。每个节点都采用嵌入式程序操作方式，但配置节点可以不止于嵌入式操作系统，如采用Windows操作系统或类UNIX操作系统。

该控制系统设有安全机制，在判断有风险时通信的主节点发送中断指令给执行节点并中断网络通信的执行。在节点设备中根据应用功能的不同设有相应的传感器件，当节点设备工作出现异常时传感器会探知异常状态，进而把异常状态反馈给网络系统中的主节点，主节点对异常状态按风险等级进行判断后决定是否发送通信中断指令来终止危险动作的可能性。

下面是节点软件工作机制：

应用程序根据需要通过调用系统功能模块、存储器功能模块、配置服务来控制硬件驱动模块，进而实现对硬件的控制；应用程序通过通信服务模块实现各节点间的通信；应用程序通过在线升级模块对节点运行程序进行升级；应用程序通过输入输出模块对硬件驱动程序进行设置，进而控制硬件。

本发明的有益效果在于：实时响应网络控制系统设有配置节点、主节点和从节点，节点的设定可以根据设备的使用功能需要来指定，节点通信可以根据需要组合进行；节点运行程序可以被在线升级；节点软件采用模块化设计的方法，软件内部和外部功能在模块化基础上进行组合，通过通用标准化接口进行模块间调用，增强了该网络系统软件的适配型、扩展性、升级性和经济性，因此对工业控制领域的不同类型设备都具有通用性和可用性。

附图说明

图1是实时响应网络控制系统结构图

图2是节点硬件结构图

图3是节点软件架构图

图4是系统功能模块工作结构图

图5是存储器功能模块工作结构图

图6是输入输出功能模块工作结构图

图7是通信功能模块工作结构图

图8是主节点工作流程图

图9是从节点工作流程图

图10是节点软件在线升级流程图

图11是中断程序流程图

具体实施方式

如图3的节点软件架构图，节点软件工作流程依据实现功能不同，采用相关模块组合调用的方式进行。

根据图4所示的系统功能模块工作机制，上层应用可以通过该模块内的通用标准化访问接口，调用MCU（微处理器）驱动程序，设定不同的MCU时钟和功率来满足不同时钟和比如存储器、I²C总线、SPI总线、CAN总线和以太网对功率的应用需求，或者控制睡眠/唤醒操作。上层应用通过通用标准化访问接口，调用定时器驱动程序，控制底层的定时器来完成定时操作。上层应用通过通用标准化功访问接口，调用WDT（看门狗定时器）驱动程序，完成异常重启。

根据图5 的存储器功能模块工作机制，在线升级、配置应用服务需要调用存储器功能模块将程序数据和配置参数写进指定存贮器中。存储器功能模块调用API函数并使之接口标准化，访问flash 或EEPEOM。通过调用flash或EEPROM驱动程序，将数据写入相应存储器地址中。

通用标准化访问接口的设计方法贯穿在整个软件模块化设计的过程中，它采用一种通用标准接口将底层不同的调用进行封装处理使上层应用不依赖于底层，通过统一标准函数接口可以同时支持Flash和EEPROM两种存储器操作，节点软件各功能模块中接口函数调用环节都采用了这一原理的设计。

在线升级应用通过具有通用标准化访问接口的存储器功能模块调用相应的Flash存储器来保存程序数据；配置应用通过具有通用标准化访问接口的存储器功能模块调用相应的EEPROM存储器来保存配置参数。

根据图6的输入/输出功能模块工作机制，应用服务可以包括传感器应用、执行器应用以及其它外设应用（如激光指示器、状态灯），经过输入输出模块对不同驱动程序参数的设置，将这些设置通过该模块中的通用标准化访问接口调用相应的驱动程序并修改其中的参数设置，进而控制硬件，如：传感器应用通过通用标准化访问接口识别并调用对应的传感器驱动程序，从而控制传感器采集数据。以此类推，执行器应用通过通用标准化访问接口调用对应执行器驱动程序，从而控制执行器工作；外设应用通过通用标准化访问接口调用对应外设驱动程序，从而控制外设工作。

根据图7 的通信功能模块工作机制，在线升级、配置与管理、传感器、执行器应用都要通过通信功能模块来完成各自工作；在线升级应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自配置节点发送的程序数据升级请求，程序数据处理后将处理响应通过CAN总线发送给配置节点；配置管理应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自配置节点发送的配置管理请求，处理后将处理响应通过CAN总线发送给配置节点；传感器应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，将采集数据通过CAN总线发送给主节点；执行器应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自主节点的操作指令，然后控制执行器进行相应操作。上层应用也可以通过有通用标准化访问接口的通信功能模块调用USB驱动程序或以太网驱动程序，来实现相应方式的通信处理。

主节点工作机制如图8所示：

1、主节点启动应用程序；

2、主节点初始化，处理启动状态开始依次运行所有工作状态，这些状态包括预启动、等待启动和使能状态，如启动正常最终主节点处于使能状态上；

3、发送节点工作状态到CAN总线上；

4、发送启动指令到总线，控制从节点进入操作状态；

5、等待接收从节点执行操作后的反馈报文

6、判断配置、管理、操作指令，决定是否处理这些指令

7、如果没有任何指令被接收，程序进入故障检测和错误处理，将错误信息以报文形式发给主节点。错误/故障的等级分为1）错误/故障信息但可以清除、2）错误/故障信息但无法清除和3）安全相关的错误/故障，一共三种。对于1）的情况，主节点发出清除的指令，错误/故障信息清除后，系统继续工作；对于2）的情况，配置节点会显示错误/故障信息所需要的技术服务；对于3）的情况，主节点发出终止指令，终止发出错误/故障信息节点的程序执行；

8、主节点发送指令后，等待从节点反馈状态信息，随时监听从节点状态变化；如有状态变化，新状态会发送给主节点；之后主节点检查指令，如有更改，发送新指令给从节点；如没有指令更新，回到等待状态，直到有新指令发送。

依据图9所示的从节点工作机制：

1、本地程序初始化，硬件初始化；

2、处理启动状态对预启动状态、等待启动状态、使能状态进行处理，如一切启动正常最终进入使能状态，然后通知主节点本地节点已进入准备状态；

3、发送本地节点准备状态到CAN总线；

4、等待配置节点的配置、管理指令和主节点的操作指令；配置处理就是对主、从节点的参数进行设置，这些参数包括传输类型、传输数据、运行方式，CAN地址和通信速率；管理指令负责启动、停止、操作状态控制；操作指令处理指从节点接收主节点的操作指令；

5、如果没有任何指令接收，程序进入故障检测和错误处理，将错误信息以报文形式发给主节点。错误/故障的等级分为1）错误/故障信息但可以清除、2）错误/故障信息但无法清除和3）安全相关的错误/故障，一共三种。对于1）的情况，主节点发出清除的指令，错误/故障信息清除后，系统继续工作；对于2）的情况，配置节点会显示错误/故障信息所需要的技术服务；对于3）的情况，主节点发出终止指令，终止发出错误/故障信息节点的程序执行；

6、指令接收并完成动作后，如果状态发生变化，新状态报文发送给主节点；如果状态无变化，回到等待接收指令状态；

7、发送新状态报文后回到等待接收指令状态。

图10是节点软件在线升级流程图，操作过程如下：

1. 上电开机或远程重启需要程序软件升级的节点；

2. 判断工作模式，如果是升级模式，则进入等待配置节点发出升级命令请求；如果是正常工作模式，则计算flash中应用程序的校验码checksum，与原保存的校验码checksum比较是否匹配，如果匹配则启动应用程序；如果不匹配则返回到升级模式进行模式判断；

3. 接下来判断是否有程序升级请求，如果是则进入程序升级处理，配置节点将新程序及其校验码通过通信功能模块一同写入要升级节点的Flash中并进入等待配置节点命令请求的循环；如果不是，进入启动节点命令请求，判断是否进入重启本节点程序或回到等待配置节点命令请求的循环；

4. 新程序进入重启后，由于不再是升级模式，所以进入正常工作模式，比对校验码匹配后，启动新程序，完成软件在线升级过程。

图11所示的中断服务程序流程图，操作过程如下：

1. 定时器中断服务程序根据传感器初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到其设定值，决定是否执行传感器数据采集操作，然后通过通信功能模块将采集数据发送给主节点；

2. 定时器中断服务程序根据执行器初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到设定值，决定是否执行指定的操作，如电机驱动、激光器指示、工作灯开启操作；

3. 定时器中断服务程序根据外设初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到其设定值，决定是否执行显示输出或按键输入操作；

中断结束。

Claims

1.一种实时响应网络控制系统，由数量不大于100个节点的实时局域网组成，每个节点都具有嵌入式程序操作的数据处理、控制、程序在线升级和通信功能，其特征在于：

控制系统的节点软件架构分为三个层次，第一层是应用层，包括系统服务应用、错误处理和故障监测应用、传感器应用、执行器应用、配置与管理应用、在线升级应用和其它外设应用；第二层是服务层，包括系统功能模块、存储器功能模块、输入输出功能模块和通信功能模块；第三层是驱动层，是包含并支持硬件的驱动程序集；应用层通过调用服务层实现驱动层对硬件的控制；

网络中至少有一个是配置节点，配置节点具有用户操作界面和存储设备，它可以对所有节点运行环境和参数进行设置并对其软件程序进行在线升级；网络中的节点又分主节点和从节点，主节点负责发送控制指令给网络的其它节点并监控其操作状态，从节点接收指令并反馈操作状态给主节点，主节点与配置节点可以合二为一，也可单独指定，主、从节点由配置节点根据任务来指定；

应用程序根据需要通过调用系统功能模块、存储器功能模块、配置服务来控制硬件驱动模块，进而实现对硬件的控制；应用程序通过通信功能模块实现各节点间的通信；应用程序通过在线升级模块对节点运行程序进行升级；应用程序通过输入输出模块对硬件驱动程序进行设置，进而控制硬件。

2.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的系统功能模块工作机制：上层应用可以通过系统功能模块内的通用标准化访问接口，调用MCU（微处理器）驱动程序，设定不同的MCU时钟和功率来满足不同时钟和比如存储器、I²C总线、SPI总线、CAN总线和以太网对功率的应用需求，或者控制睡眠/唤醒操作；上层应用通过通用标准化访问接口，调用定时器驱动程序，控制底层的定时器工作，来完成定时操作；上层应用通过通用标准化功访问接口，调用WDT（看门狗定时器）驱动程序，完成异常重启。

3.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的存储器功能模块工作机制：在线升级、配置管理应用调用存储功能模块将程序数据和配置参数写进指定存贮器中；存储器功能模块通过调用API函数并使之接口标准化，访问flash 或EEPEOM；通过调用flash或EEPROM驱动程序，将数据写入相应存储器地址中；通用标准化访问接口采用一种通用标准接口将底层不同的调用进行封装处理使上层应用不依赖于底层，通过统一标准函数接口同时支持Flash和EEPROM两种存储器操作，节点软件各功能模块中接口函数调用环节都采用了这一原理的设计；在线升级应用通过具有通用标准化访问接口的存储器功能模块调用相应的Flash存储器来保存程序数据；配置应用通过具有通用标准化访问接口的存储器功能模块调用相应的EEPROM存储器来保存配置参数。

4.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的输入/输出功能模块工作机制：应用服务可以包括传感器应用、执行器应用以及其它外设应用（如激光指示器、状态灯），经过输入输出模块对不同驱动程序参数的设置，将这些设置通过该模块中的通用标准化访问接口调用相应的驱动程序并修改其中的参数设置，进而控制硬件终端，具体包括：传感器应用通过通用标准化访问接口识别并调用对应的传感器驱动程序，从而控制传感器采集数据；执行器应用通过通用标准化访问接口调用对应执行器驱动程序，从而控制执行器工作；外设应用通过通用标准化访问接口调用对应外设驱动程序，从而控制外设工作。

5.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的通信功能模块的工作机制：在线升级、配置与管理、传感器、执行器应用通过通信功能模块来完成各自工作；在线升级应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自配置节点发送的程序数据升级请求，处理后将处理响应通过CAN总线发送给配置节点；配置管理应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自配置节点发送的配置管理请求，处理后将处理响应通过CAN总线发送给配置节点；传感器应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，将采集数据通过CAN总线发送给主节点；执行器应用通过有通用标准化访问接口的通信功能模块，调用相应的CAN驱动程序，从CAN总线接收来自主节点的操作指令，然后控制执行器进行相应操作；上层应用也可以通过有通用标准化访问接口的通信功能模块调用USB驱动程序或以太网驱动程序，来实现相应方式的通信处理。

6.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的主节点工作流程：

1)主节点启动应用程序；2)主节点初始化，处理启动状态开始依次运行所有工作状态，这些状态包括预启动、等待启动和使能状态，如启动正常最终主节点处于使能状态上；3)发送节点工作状态到CAN总线上；4)发送启动指令到总线，控制从节点进入操作状态；5)等待接收从节点执行操作后的报文；6)判断配置、管理、操作指令，决定是否处理这些指令；7)如果没有任何指令被接收，程序进入故障检测和错误处理，将错误信息以报文形式发给主节点；错误和故障的等级分为a）错误/故障信息但可以清除、b）错误/故障信息但无法清除和c）安全相关的错误/故障，一共三种；对于a）的情况，主节点发出清除的指令，错误/故障信息清除后，系统继续工作；对于b）的情况，配置节点会显示错误/故障信息所需要的技术服务；对于c）的情况，主节点发出终止指令，终止发出错误/故障信息节点的程序执行；8)主节点发送指令信息后，等待从节点反馈状态信息，随时监听从节点状态变化；如有状态变化，新状态发送给主节点；之后主节点检查指令，如有更改，发送新指令给从节点；如没有指令更新，回到等待状态，直到有新指令发送。

7.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的从节点工作流程：

1）本地程序初始化，硬件初始化；2）处理启动状态对预启动状态、等待启动状态、使能状态进行处理，启动正常时最终进入使能状态，然后通知主节点本地节点已进入准备状态；3）发送本地节点准备状态到CAN总线；4）等待配置节点的配置、管理指令和主节点的操作指令；5）如果没有任何指令接收，程序进入故障检测和错误处理，将错误信息以报文形式发给主节点；错误和故障的等级分为a）错误/故障信息但可以清除、b）错误/故障信息但无法清除和c）安全相关的错误/故障，一共三种；对于a）的情况，主节点发出清除的指令，错误/故障信息清除后，系统继续工作；对于b）的情况，配置节点会显示错误/故障信息所需要的技术服务；对于c）的情况，主节点发出终止指令，终止发出错误/故障信息节点的程序执行；6)指令接收并完成动作后，如果状态发生变化，新状态报文发送给主节点；如果状态无变化，回到等待接收指令状态；7)发送新状态报文后回到等待接收指令状态。

8.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的节点软件在线升级应用流程：

1）上电开机或远程重启需要程序软件升级的节点；2）判断工作模式，如果是升级模式，则进入等待配置节点发出升级命令请求；如果是正常工作模式，则计算flash中应用程序的校验码，与原保存的校验码比较是否匹配，如果匹配则启动应用程序；如果不匹配则返回到升级模式进行模式判断；3）接下来判断是否有程序升级请求，如果是则进入程序升级处理，配置节点将新程序及其校验码通过通信功能模块一同写入要升级节点的Flash中并进入等待配置节点命令请求的循环；如果不是，进入启动节点命令请求，判断是否进入重启本节点程序或回到等待配置节点命令请求的循环；4）新程序进入重启后，由于不再是升级模式，所以进入正常工作模式，比对校验码匹配后，启动新程序，完成在线升级过程。

9.根据权利要求1所述的实时网络控制系统，其特征在于：所述的中断服务程序流程：

1）定时器中断服务程序根据传感器初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到其设定值，决定是否执行传感器数据采集操作，然后通过通信功能模块将采集数据发送给主节点；2）定时器中断服务程序根据执行器初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到设定值，决定是否执行指定的执行器操作；3）定时器中断服务程序根据外设初始化阶段设定的时间周期判断计时是否达到其设定值，决定是否执行显示输出或按键输入操作；4）中断结束。