CN105929794A - 一种即插即用的工业网络扩展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及网络系统技术领域，具体地说是一种即插即用的工业网络扩展方法。一种即插即用的工业网络扩展方法，包括PC模块、运动控制卡、IO板、执行机构，其特征在于：PC模块采用数据线双向连接运动控制卡，运动控制卡采用数据线双向连接执行机构；PC模块采用网线连接交换机或者路由器；所述的交换机或者路由器通过若干端口采用网线分别连接若干IO板，IO板采用数据线双向连接执行机构。同现有技术相比，便于扩展，当IO数量不够时，通过以太网再增加一块或多块IO板即可方便的实现扩展IO数量；即插即用，操作简单，便于安装，只需要一根网线即可方便的实现硬件连接，无需额外的转换电路。
Description
技术领域
本发明涉及网络系统技术领域，具体地说是一种即插即用的工业网络扩展方法。
背景技术
一般工控系统由PC应用程序、运动控制卡、执行机构和IO板组成。PC应用程序负责人机界面交互、路径规划、指令的发送、状态的监控和显示等工作；运动控制卡通常基于PCI总线，用以实现多个步进/伺服电机的协调控制；执行机构为电机和机床等，最终执行运动控制卡的指令，完成用户规划好的一系列动作和走出相应的路径；IO板通常专门用于数字输入、数字输出、D/A输出、PWM输出等。
IO板通常为独立的板卡，由运动控制卡控制或者PC直接控制，接口一般为RS232或者RS485总线，但是会存在以下不足：1.通信速度不够快，效率较低。以高性能的ARM芯片STM32F407为例，其USART的通信速率在8倍过采样时最高仅达到10.5Mbit/s，在16倍过采样时，最高只有5.25Mbit/s。且速率较高时，传输距离变短，抗干扰能力变弱。2.不方便扩展。当一个IO板的输入输出口数量不能满足需要时，需要重新设计一块拥有更多输入输出口的板子来代替原来的IO板，不能通过增加IO板的数量的方式扩展IO。3.RS232/485占用PCB面积较大，浪费资源，且和电脑连接时可能需要电平转换器件，例如USB转RS232。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种即插即用的工业网络扩展方法。硬件上采用以太网网口代替RS232或者RS485总线，以UDP广播的方式通信，扩展IO时，只需要通过以太网再增加一块或者若干块IO板即可。
为实现上述目的，设计一种即插即用的工业网络扩展方法，包括PC模块、运动控制卡、IO板、执行机构，其特征在于：PC模块采用数据线双向连接运动控制卡，运动控制卡采用数据线双向连接执行机构；PC模块采用网线连接交换机或者路由器；所述的交换机或者路由器通过若干端口采用网线分别连接若干IO板，IO板采用数据线双向连接执行机构。
所述的PC模块的工作流程分为扫描配置IO板流程及正常使用IO板流程；所述的PC模块为UDP服务器或者UDP服务端和UDP客户端。
所述的PC模块扫描配置IO板流程如下，
(1)当PC模块为UDP服务器时，初始化UDP服务器，UDP服务器进行监听端口；
(2)UDP服务器扫描200ms，记录扫描到的所有的ID号；
(3)判断扫描到的IO板的数量和实际连接的数量是否相等，是则将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，否则检查硬件连接或者UDP服务器重新扫描；
(4)UDP服务器将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，此时，输入输出口的逻辑编号从序号小的IO板开始依次增大；
(5)UDP服务器扫描配置IO板结束。
所述的PC模块正常使用IO板流程如下，
(1)当PC模块为UDP服务端和客户端时，初始化UDP服务端和客户端，PC一直作为服务端监听端口接收数据，发送数据时PC作为UDP客户端；
(2)PC模块检查文件保存的ID号，并判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，是则PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态，否则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到；
(3)PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态；
(4)UDP服务端检查接收是否超时，是则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，否则检查是否接收到数据；
(5)UDP服务端检查是否接收到数据，是则处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I(x*n+y)，否则将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号；
(6)UDP服务端处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I(x*n+y)，当前输出口的状态转换规则和输入相同，并发送消息给状态处理线程；
(7)状态处理线程接收消息；
(8)当状态处理线程要求设置Oz的状态时，将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号，IO板的ID(K)＝ID(Z/m)，IO板的输出为O(z％m)；(9)UDP服务端和客户端发送设置IO状态指令，该指令为广播发送，目标地址255.255.255.255；
(10)UDP服务端继续检查接收是否超时，继续工作。
所述的IO板的工作流程如下，
(1)IO板中的GPIO、Systick、参数、网络PHY及协议栈初始化，Systick每1ms中断一次同时SystickCnt加1，上发时间间隔未被上位机设置时，默认g_upload_time＝5ms，同时从FLASH读取系统的ID，ID未设置时为“111111111111”；
(2)判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，是则判断是否设置了ID，否则设置网络断开时的输出口状态，并默认为全部输出关闭，然后延时5ms，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(3)判断是否设置了ID，是则判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，否则判断是否接收到设置ID指令；
(4)判断是否接收到设置ID指令，是则设置ID，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(5)判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，是则UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号，否则判断是否接收到数据；
(6)UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号；
(7)判断是否接收到数据，是则判断收到的ID号是否与自身ID匹配，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(8)判断收到的ID号是否与自身ID匹配，是则根据不同的指令进行处理不同的任务，指令分为查询系统信息、设置网络断开时的输出口状态、设置上发时间间隔以、设置输出口状态等，如果指令非法，丢弃；否则视为指令非法，丢弃；
(9)数据处理完毕，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，继续工作。
本发明同现有技术相比，便于扩展，当IO数量不够时，通过以太网再增加一块或多块IO板即可方便的实现扩展IO数量；即插即用，操作简单，一般的方案当使用TCP/IP通信时，需要板卡拥有和PC在同一网段的IP地址，使用前需要设置，较为繁琐，本发明以UDP广播的方式通信，无需手动设置IP地址，即插即用；传输距离远、抗干扰能力强，通信速度快，以太网工作在全双工模式、100Mbit/s的通信速度，当PC和IO板都使用千兆的以太网芯片时，可以获得1Gbit/s的通信速度；便于安装，只需要一根网线即可方便的实现硬件连接，无需额外的转换电路。
附图说明
图1为工控系统IO板连接方式——运动控制卡连接IO板。
图2为工控系统IO板连接方式——PC连接IO板。
图3为工控系统UDP广播扩展IO的方式。
图4为PC模块扫描配置IO板的流程图。
图5为PC模块使用IO板的流程图。
图6为IO板的工作流程示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1，图2所示，IO板通常为独立的板卡，由运动控制卡控制或者PC直接控制，接口一般为RS232或者RS485总线，但是会存在以下不足：1.通信速度不够快，效率较低。以高性能的ARM芯片STM32F407为例，其USART的通信速率在8倍过采样时最高仅达到10.5Mbit/s，在16倍过采样时，最高只有5.25Mbit/s。且速率较高时，传输距离变短，抗干扰能力变弱。2.不方便扩展。当一个IO板的输入输出口数量不能满足需要时，需要重新设计一块拥有更多输入输出口的板子来代替原来的IO板，不能通过增加IO板的数量的方式扩展IO。3.RS232/485占用PCB面积较大，浪费资源，且和电脑连接时可能需要电平转换器件，例如USB转RS232。
如图3所示，PC模块采用数据线双向连接运动控制卡，运动控制卡采用数据线双向连接执行机构；PC模块采用网线连接交换机或者路由器；所述的交换机或者路由器通过若干端口采用网线分别连接若干IO板，IO板采用数据线双向连接执行机构。
可以通过交换机或者路由器方便的通过增加IO板的方式扩展IO数量。当只有一个IO板时，可以不使用交换机和路由器，将PC的网口和IO板的网口用一根网线连接即可，网线既可以是交叉线也可以是直连线。
PC模块既是UDP服务器也是UDP客户端，接收数据时PC模块作为UDP服务器监听本地端口SVR_PORT(IO板发送时的目标端口)。发送数据时，PC模块作为UDP客户端使用随机端口向远端端口IO_PORT(IO板监听的端口)广播发送，发送的数据包含IO板的ID号，IO板可以使用该IO号识别指令是否是发送给自己，广播发送的目标地址为255.255.255.255，如此，所有的IO板均可以收到PC发来的数据。使用ID号区分不同的IO板，所以不关注IO板的IP地址，所有IO板的地址一样，例如1.2.3.4。同样地，IO板既是UDP服务器也是UDP客户端，接收数据时IO板作为服务器监听本地端口IO_PORT(PC发送时的目标端口)，发送数据时，IO板作为客户端使用随机端口向远端端口SVR_PORT(PC监听的端口)广播发送，发送的数据含有自身的ID号，可以让PC模块识别到是哪一块IO板发来的数据，广播发送的目标地址同样为255.255.255.255。
由于使用的是UDP广播通信，所有的IO板的IP地址可以默认一样，使用不同的ID号来区分不同的IO板，无需设置IP地址，操作大大简化，从而可以轻易的实现即插即用。
使用过程中需要对不同的板子进行寻址操作。寻址规则如下：如表1所示，表1为0～K号IO板的输入输出编号表，假设每一块IO板有n个输入，m个输出，当有K+1块IO板时，假设IO板的编号分别为0～K，ID号分别为ID0-IDk,则第K号IO板的输入编号为I(K*n)～I((K+1)*n-1)，输出编号为O(K*m)～O((K+1)*m-1)。当PC端应用程序访问IO口时，只需事先扫描所有的IO板并给予编号保存即可，如果增加或减少了IO板，需要重新扫描并编号。
当收到ID号为IDx(0<＝x<＝K)的IO板的输入y(0<＝y<＝n-1)有效时，查找之前保存的扫描记录可知IDx的序号为x，则IDx的y输入的序号为I(x*n+y)，读取的输出口状态和输入口寻址规则相同；当要访问输出口Oz时，IO板的序号为z/m即ID(z/m)，输出口在IO板上的序号为(z％m)，即O(z％m)(％为取余数操作)。
举例说明，假设有3块IO板，每个IO板有15个输入，16个输出，IO板的ID号分别为150914100003、150914100001、150914100002，将它们编号为0号、1号、2号，输入分别为I0-I14、I15-I29，I30-I44，输出口分别为O0-O15，016-O31，O32-O47。当2号IO板的8号输入为1时，即I38为1(x＝2，n＝15，y＝8，I(x*n+y)＝I38。当要输出O20为1时，即IO板1的4号输出口有效(ID(z/m)＝ID(20/16)＝ID1，O(z％m)＝O(20％16)＝O4)。根据指令及状态的不同，如表2至表6所示，表2为设置指令表，表3为查询系统信息表，表4为设置网络断开时的输出口状态表，表5为设置上发间隔表，表6为设置输出口状态和读取输入口状态表。
表1
| 序号 | ID号 | I(一个IO板n个输入) | O(一个IO板m个输出) |
| 0 | ID0 | I0～I(n-1) | O0～O(m-1) |
| 1 | ID1 | I(n)～I(2n-1) | O(m)～O(2m-1) |
| 2 | ID2 | I(2n)～I(3n-1) | O(2m)～O(3m-1) |
| …… | …… | …… | …… |
| K | IDK | I(K*n)～I((K+1)*n-1) | O(K*m)～O((K+1)*m-1) |
PC模块的工作流程分为扫描配置IO板流程及正常使用IO板流程。
如图4所示，PC模块扫描配置IO板流程如下，
(1)当PC模块为UDP服务器时，初始化UDP服务器，UDP服务器进行监听端口；
(2)UDP服务器扫描200ms，记录扫描到的所有的ID号；
(3)判断扫描到的IO板的数量和实际连接的数量是否相等，是则将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，否则检查硬件连接或者UDP服务器重新扫描；
(4)UDP服务器将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，此时，输入输出口的逻辑编号从序号小的IO板开始依次增大；
(5)UDP服务器扫描配置IO板结束。
如图5所示，PC模块正常使用IO板流程如下，
(1)当PC模块为UDP服务端和客户端时，初始化UDP服务端和客户端，PC一直作为服务端监听端口接收数据，发送数据时PC作为UDP客户端；
(2)PC模块检查文件保存的ID号，并判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，是则PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态，否则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到；
(3)PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态；
(4)UDP服务端检查接收是否超时，是则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，否则检查是否接收到数据；
(5)UDP服务端检查是否接收到数据，是则处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I(x*n+y)，否则将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号；
(6)UDP服务端处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I(x*n+y)，当前输出口的状态转换规则和输入相同，并发送消息给状态处理线程；
(7)状态处理线程接收消息；
(8)当状态处理线程要求设置Oz的状态时，将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号，IO板的ID(K)＝ID(Z/m)，IO板的输出为O(z％m)；
(9)UDP服务端和客户端发送设置IO状态指令，该指令为广播发送，目标地址255.255.255.255；
(10)UDP服务端继续检查接收是否超时，继续工作。
如图6所示，IO板的工作流程如下，
(1)IO板中的GPIO、Systick、参数、网络PHY及协议栈初始化，Systick每1ms中断一次同时SystickCnt加1，上发时间间隔未被上位机设置时，默认g_upload_time＝5ms，同时从FLASH读取系统的ID，ID未设置时为“111111111111”；
(2)判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，是则判断是否设置了ID，否则设置网络断开时的输出口状态，并默认为全部输出关闭，然后延时5ms，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(3)判断是否设置了ID，是则判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，否则判断是否接收到设置ID指令；
(4)判断是否接收到设置ID指令，是则设置ID，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(5)判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，是则UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号，否则判断是否接收到数据；
(6)UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号；
(7)判断是否接收到数据，是则判断收到的ID号是否与自身ID匹配，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
(8)判断收到的ID号是否与自身ID匹配，是则根据不同的指令进行处理不同的任务，指令分为查询系统信息、设置网络断开时的输出口状态、设置上发时间间隔以、设置输出口状态等，如果指令非法，丢弃；否则视为指令非法，丢弃；
(9)数据处理完毕，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，继续工作。
表2
表3
表4
表5
表6
Claims (5)
1.一种即插即用的工业网络扩展方法，包括PC模块、运动控制卡、IO板、执行机构，其特征在于：PC模块采用数据线双向连接运动控制卡，运动控制卡采用数据线双向连接执行机构；PC模块采用网线连接交换机或者路由器；所述的交换机或者路由器通过若干端口采用网线分别连接若干IO板，IO板采用数据线双向连接执行机构。
2.根据权利要求1所述的一种即插即用的工业网络扩展方法，其特征在于：所述的PC模块的工作流程分为扫描配置IO板流程及正常使用IO板流程；所述的PC模块为UDP服务器或者UDP服务端和UDP客户端。
3.根据权利要求2所述的一种即插即用的工业网络扩展方法，其特征在于：所述的PC模块扫描配置IO板流程如下，
（1）当PC模块为UDP服务器时，初始化UDP服务器，UDP服务器进行监听端口；
（2）UDP服务器扫描200ms，记录扫描到的所有的ID号；
（3）判断扫描到的IO板的数量和实际连接的数量是否相等，是则将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，否则检查硬件连接或者UDP服务器重新扫描；
（4）UDP服务器将所有的ID号进行编号并保存，便于之后使用时读取，此时，输入输出口的逻辑编号从序号小的IO板开始依次增大；
（5）UDP服务器扫描配置IO板结束。
4.根据权利要求2所述的一种即插即用的工业网络扩展方法，其特征在于：所述的PC模块正常使用IO板流程如下，
（1）当PC模块为UDP服务端和客户端时，初始化UDP服务端和客户端，PC一直作为服务端监听端口接收数据，发送数据时PC作为UDP客户端；
（2）PC模块检查文件保存的ID号，并判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，是则PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态，否则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到；
（3）PC模块作为客户端发送指令，查询IO板的系统信息，设置IO板上发的时间间隔，设置断开网络时的输出状态；
（4）UDP服务端检查接收是否超时，是则报警，报警解除后重新判断文件保存的ID号是否全部被扫描到，否则检查是否接收到数据；
（5）UDP服务端检查是否接收到数据，是则处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I（x*n+y），否则将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号；
（6）UDP服务端处理接收到的数据，将IO板的x的输入y转换成逻辑编号I（x*n+y），当前输出口的状态转换规则和输入相同，并发送消息给状态处理线程；
（7）状态处理线程接收消息；
（8）当状态处理线程要求设置Oz的状态时，将逻辑输出编号Oz转换成某一IO板的实际编号，IO板的ID（K）=ID（Z/m），IO板的输出为O（z%m）；
（9）UDP服务端和客户端发送设置IO状态指令，该指令为广播发送，目标地址255.255.255.255；
（10）UDP服务端继续检查接收是否超时，继续工作。
5.根据权利要求1所述的一种即插即用的工业网络扩展方法，其特征在于：所述的IO板的工作流程如下，
（1）IO板中的GPIO、Systick、参数、网络PHY及协议栈初始化，Systick 每1ms中断一次同时SystickCnt 加1，上发时间间隔未被上位机设置时，默认g_upload_time = 5ms，同时从FLASH读取系统的ID，ID未设置时为“111111111111”；
（2）判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，是则判断是否设置了ID，否则设置网络断开时的输出口状态，并默认为全部输出关闭，然后延时5ms，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
（3）判断是否设置了ID，是则判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，否则判断是否接收到设置ID指令；
（4）判断是否接收到设置ID指令，是则设置ID，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
（5）判断SystickCnt是否是g_upload_time的整数倍，是则UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号，否则判断是否接收到数据；
（6）UDP广播发送当前的输入输出状态以及自己的ID号；
（7）判断是否接收到数据，是则判断收到的ID号是否与自身ID 匹配，否则继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位；
（8）判断收到的ID号是否与自身ID 匹配，是则根据不同的指令进行处理不同的任务，指令分为查询系统信息、设置网络断开时的输出口状态、设置上发时间间隔以、设置输出口状态等，如果指令非法，丢弃；否则视为指令非法，丢弃；
（9）数据处理完毕，继续判断网络芯片PHY的Link状态是否置位，继续工作。
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