CN106569897B - 基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及现场总线的轮询技术领域，即一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法与装置，其中的轮询方法包括：比较在线的从设备的优先级；根据所述优先级比较结果，选择优先级最高的从设备占用总线进行数据交互，数据交互完成后，对应的从设备休眠。该方法通过对各个设备和命令分配优先级，动态调整设备轮询周期，保证了高优先级设备的数据能够得到及时响应，并避免了高优先级设备数据繁忙时低优先级设备完全无法得到处理，解决了控制命令响应超时的问题，以及当从设备个数逐渐增多时重要设备的数据变化响应的问题。
Description
技术领域
本发明涉及现场总线的轮询技术，特别是一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法与装置。
背景技术
一主多从的轮询是现场总线通信的一种常见的处理方式，如半双工RS485、同步串口SPI、I2C等，都是通过主从轮询方式共享总线。RS485总线是当前通信管理机主从轮询总线中最常见的一种，通信管理机作为主设备，连接几个甚至到32个从设备。这种结构下，常见的轮询技术包括顺序轮询模式和优先级轮询模式。
在现有技术中，一主多从轮询方式组网使用环境下的顺序轮询模式的接入方式如图1所示。顺序轮询模式建立线性设备表，并按照顺序进行轮询或控制命令处理，所有设备具备相同的处理次数，这种处理模式具有通用性强、结构简单和易于实现的优点。但是顺序轮询模式基于顺序执行模式，当一条总线上从设备个数较多的时候数据响应变慢，无法满足时间要求。当有下行控制命令时，也无法快速切换到对应的被控制设备，导致控制命令响应超时失败。
优先级轮询模式是在顺序轮询模式的基础上，加入了控制命令优先级插入功能。当有下行控制命令时，优先处理控制命令，保证控制命令得到及时响应。但是优先级轮询模式部分解决了控制命令响应超时问题，并没有彻底解决从设备个数逐渐增多时重要设备的数据变化响应问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，用于解决重要设备和数据变化响应不及时的问题。同时，还提供了一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置。
为实现上述目的，本发明的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法包括：
在一个控制周期中，步骤如下：
a)调度步骤：比较在线的从设备的优先级，该优先级是指预先分配的轮询优先级，或者是在有控制命令时，以命令优先级替换对应从设备的轮询优先级得到的；所述控制命令包括不同的任务，所述不同的任务分别对应不同的命令优先级，所述命令优先级大于、等于或者小于所述轮询优先级；
b)数据交互步骤：根据所述优先级比较结果，选择优先级最高的从设备占用总线进行数据交互，数据交互完成后，对应的从设备休眠。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法的一种改进，该方法中所述数据交互完成后，从设备恢复为原有的轮询优先级。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法的另一种改进，该方法所述数据交互步骤中，从设备占用的总线时间为一个或一个以上的时间片。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法的进一步改进，该方法所述数据交互步骤中，对不同的从设备，根据数据数量、数据实时性和组网状态预分配不同数量的时间片。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法的更进一步改进，该方法中所述数据交互步骤中检测出设备离线后，暂时停止对该设备轮询，并设置超时定时器，超时时间到后重新对该设备轮询。
为实现上述目的，本发明的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置包括：
a)调度单元：比较在线的从设备的优先级，该优先级是指预先分配的轮询优先级，或者是在有控制命令时，以命令优先级替换对应从设备的轮询优先级得到的；所述控制命令包括不同的任务，所述不同的任务分别对应不同的命令优先级，所述命令优先级大于、等于或者小于所述轮询优先级；
b)数据交互单元：根据所述优先级比较结果，选择优先级最高的从设备占用总线进行数据交互，数据交互完成后，对应的从设备休眠。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置的一种改进，该装置的数据交互单元中，所述数据交互完成后，从设备恢复为原有的轮询优先级。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置的另一种改进，该装置的数据交互单元中，从设备占用的总线时间为一个或一个以上的时间片。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置的进一步改进，该装置的数据交互单元中，对不同的从设备，根据数据数量、数据实时性和组网状态预分配不同数量的时间片。
作为本发明上述基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置的更进一步改进，该装置的数据交互单元中检测出设备离线后，暂时停止对该设备轮询，并设置超时定时器，超时时间到后重新对该设备轮询。
本发明在调度时，一般根据预先分配的轮询优先级来选择从设备，当有控制命令时，用命令优先级替换对应从设备的轮询优先级，并且所述控制命令包括不同的任务，所述不同的任务分别对应不同的命令优先级，命令优先级大于、等于或者小于所述轮询优先级，从而可以根据控制命令的重要性不同，将控制命令对应任务置于轮询任务之前，之中，或者之后，从而平衡了控制命令与从设备一般性轮询之间的矛盾，使控制命令根据对应任务的不同得到及时的响应，解决了重要设备和数据变化响应不及时的问题，以及当从设备个数逐渐增多时重要设备的数据变化响应的问题。
附图说明
图1是一种轮询应用示意图；
图2是一种总线系统结构图；
图3是本发明方法应用示意图；
图4是本发明方法通讯过程流程图；
图5是启动轮询时序图；
图6是控制命令插入时序图；
图7是设备离线处理时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图4所示，1个主设备(主机)通过总线形式接入从设备，即：继电保护设备、测控设备、电度表1、电度表2、电度表3共5个设备。主设备通过对从设备按照优先级高低进行轮询，优先级最高的从设备占用总线进行数据交互。
从设备映射为任务，主设备按照任务模式与从设备信息交互，采用优先级进行轮询管理。
主设备具备任务调度功能，主机完成一次从设备通信操作后，重新进行调度(Schedule)，获得当前优先级最高的就绪设备。
主设备对从设备采用优先级管理，根据业务需求对不同设备的轮询分配不同的处理优先级(SetPriority)。
控制命令管理：根据规约定义对业务数据分配不同的优先级。并在相应设备需要下发控制命令时动态调整相应设备的优先级为命令优先级(SetPriority)。命令处理完成后，恢复正常轮询优先级(SetPriority)。
本实施例中约定，0为最高优先级，数值越大，优先级越低。具体按照如表1设置轮询优先级。
表1从设备通信相关设置信息
| 从设备 | 轮询优先级 | 休眠时间 | 命令优先级 |
| 继电保护设备 | 3 | 2 | 遥控0，定值1，总召唤3 |
| 测控设备 | 4 | 2 | 遥控0，总召唤3 |
| 电度表1 | 5 | 0 | 电度召唤3 |
| 电度表2 | 5 | 0 | 电度召唤3 |
| 电度表3 | 5 | 0 | 电度召唤3 |
本实施例中主设备根据业务需求对继电保护设备、测控设备、电度表1、电度表2、电度表3共5个设备的轮询优先级分别设置为3、4、5、5、5。在没有控制命令的时候，主设备对从设备按照轮询优先级顺序进行轮询。首先轮询优先级最高的继电保护设备，继而轮询测控设备，然后对轮询优先级同为5的电度表1、电度表2、电度表3进行顺序轮询，对于相同优先级的电度表1、2、3可以按照顺序进行轮询。轮询结束后，对应的从设备休眠。
在有控制命令的时候，根据规约定义对业务数据分配不同的优先级，例如，继电保护设备的遥控、定值和总召唤命令分别设为优先级0、1和3；测控设备的遥控和总召唤命令分别设为优先级0和3；电度表1、电度表2、电度表3的电度召唤命令均为优先级3。
例如在一个控制周期，调度时，比较优先级最高为测控设备，优先级为4，此时还存在控制命令，控制命令为电度表1的电度召唤命令，优先级为3，从而判断电度表1的电度召唤命令优先级大于测控设备的优先级，则将电度表1的电度召唤优先级3赋值为电度表1，电度表1开始占用总线，向主机上传数据。电度表1完成电度召唤命令之后，电度表1恢复轮询优先级5并且休眠。
下一个控制周期，再次进行调度和数据交互。
实施例2
作为本发明的进一步改进，实施例2的应用过程如图2所示，该实施例的设备模块如图4所示。实施例2采用与实施例1相同的系统结构，不同之处是实施例2在实施例1的基础上设置了时间片。
本实施例的通讯过程流程图如图3所示，系统组网方式确定后，首先根据设备类型和数量对设备时间片和优先级进行配置，再对业务数据优先级进行配置，然后对设备离线时间管理进行配置，最终生成配置数据表。主站启动轮询程序后，根据配置表和实际运行状态数据进行设备轮询调度，处理设备的业务数据。
具体流程为：
a)对应从设备配置优先级和时间片；
b)根据控制命令对从设备的优先级进行设定和修改；
c)主设备按照分配的时间片，对优先级最高的就绪设备进行通信；
d)根据数据响应情况，对从设备进行状态设置，无响应设置离线休眠模式，并设置离线超时时间，有响应则数据交互完成后设置休眠状态。
从图3中可以看出，本轮询算法完全采用了多任务操作系统的调度机制，始终对当前就绪的优先级最高的设备进行操作。
为保证低优先级设备也有时间得到处理，当高优先级设备操作结束后，会休眠一定时间，供低优先级的设备进行处理。休眠的时间由系统组网状态(设备优先级和个数)决定，既要保证高优先级设备响应时间满足要求，又要保证低优先级设备有得到响应的时间。
根据多任务操作系统调度的原则可以得出结论：在更高设备响应完成的情况下，较高优先级设备的最长轮询处理间隔仅与相同优先级设备个数和休眠时间有关。也就是说，高优先级设备数据响应时间不受低优先级设备个数变化的影响。
最低优先级设备轮询时间由高优先级休眠时间和最低优先级个数决定。对优先级最低的设备，其休眠时间固定为0，在总线空闲时对低优先级设备进行轮询。随设备增多，轮询间隔相应增加。
本实施例中约定，0为最高优先级，数值越大，优先级越低。如图4所示，1个主设备通过总线形式接入继电保护设备、测控设备、电度表1、电度表2、电度表3共5个设备。按照如表2设置轮询优先级、时间片大小、休眠时间长短和离线时间长短。
a)在线设备配置(RS485总线，IEC103协议)
表2从设备通信相关设置信息
b)启动后轮询时序状态
正常启动时，根据表2信息，主设备按照分配的时间片，对优先级最高的就绪设备进行通信，先对优先级为3的继电保护设备以长度为1的时间片进行通信，待时间片耗尽，对继电保护设备设置休眠时间为2。启动后轮询时序图如图5所示：
时间线为1时，优先级最高的就绪设备为继电保护设备1(优先级3)，进行处理。时间线1是指第一个时间片，时间线2是指第二个时间片，下面类同。
时间线为2时，继电保护设备1时间片(1个)耗尽进入休眠(2个时间片)，此时优先级最高的设备为测控设备1(优先级为4)，进行处理。
时间线为3时，测控和保护设备均处于休眠状态，此时优先级最高的就绪设备为三个电度表设备(优先级为5)，它们的处理按照顺序进行。首先对电度表1进行处理。
时间线为4时，继电保护设备1的休眠时间耗尽，重新进入就绪状态。作为优先级最高的就绪设备，直接进入运行状态，进行处理。
时间线为5时，测控设备的休眠时间耗尽，重新进入就绪状态。作为优先级最高的就绪设备，直接进入运行状态，进行处理。
时间线为6时，测控和保护设备均处于休眠状态，此时优先级最高的就绪设备为三个电度表设备(优先级为5)，它们的处理按照顺序进行，对电度表2进行处理。
时间线为7时，继电保护设备1的休眠时间耗尽，重新进入就绪状态。作为优先级最高的就绪设备，直接进入运行状态，进行处理。
时间线为8时，测控设备的休眠时间耗尽，重新进入就绪状态。作为优先级最高的就绪设备，直接进入运行状态，进行处理。
时间线为9时，测控和保护设备均处于休眠状态，此时优先级最高的就绪设备为三个电度表设备(优先级为5)，它们的处理按照顺序进行，对电度表3进行处理。
依次循环处理，保证在一个时间片，只有一个任务(设备)处于运行状态。
c)有控制命令时，典型状态时序
有控制命令插入时，轮询时序图如图6所示：
当电度表有电度命令时，调整其优先级为3，执行抢占命令，并根据优先级进行逐个从设备轮询操作。
继电保护设备休眠时间片耗尽，再次对其进行轮询，以长度为1的时间片进行通信，待时间片耗尽，对继电保护设备设置休眠时间为2，此时时间线为4；
此时测控设备休眠时间耗尽。对优先级为4的测控设备进行通信，此时有电度表优先级调整命令，对优先级为3的电度表1进行通信，并对此设备设置休眠时间为2，此时时间线为5；
继续对优先级为4的测控设备进行轮询操作，待时间片耗尽，对此设备设置休眠时间为2，此时时间线为6。
d)继电保护设备1因总线信号干扰导致离线状态
设备因总线信号干扰导致离线状态时，轮询时序图如图7所示：
从设备离线时处理，继电保护设备在时间线5时离线，剩余设备优先级为4、5，按照策略依次完成轮询操作；
待继电保护设备恢复时(此时时间线为n)，根据优先级原则，抢占最近的时间片，以长度为1的时间片进行通信，待时间片耗尽，对继电保护设备设置休眠时间为2。
实施例2中将继电保护设备、测控设备、电度表1、电度表2、电度表3共5个设备的时间片均设置为1，使得每个设备占用的时间均衡，高低优先级设备的数据都能够得到及时的响应，同时在设备个数较多时，优先级较高的设备或数据同样能得到及时响应，解决了重要设备和数据变化响应不及时的问题。
作为其他实施方式，还可以对不同的从设备，根据数据数量、数据实时性和组网状态预分配不同数量的时间片，通过动态调整设备轮询周期，能够更有针对性地结合考虑数据重要性、数据数量、数据实时性以及组网的状态，使最重要的数据、最需要实时性的数据能够得到最及时的响应，从而更彻底地解决了控制命令响应超时的问题，以及当从设备个数逐渐增多时重要设备的数据变化响应的问题，实现更优的状态解决重要设备和数据变化响应不及时的问题。
在本发明的基础上对轮询机制进行差异化处理，根据从设备的返回数据状态动态调整从设备的轮询优先级和休眠时间，达到更精细的处理。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，其特征在于，在一个控制周期中，步骤如下：
调度步骤：比较在线的从设备的优先级，该优先级是指预先分配的轮询优先级，或者是在有控制命令时，以命令优先级替换对应从设备的轮询优先级得到的；所述控制命令包括不同的任务，所述不同的任务分别对应不同的命令优先级，所述命令优先级大于、等于或者小于所述轮询优先级；
数据交互步骤：根据所述优先级比较结果，选择优先级最高的从设备占用总线进行数据交互，数据交互完成后，对应的从设备休眠，该从设备在休眠状态时暂时停止对其轮询。
2.根据权利要求1所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，其特征在于，所述数据交互完成后，从设备恢复为原有的轮询优先级。
3.根据权利要求1或2所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，其特征在于，所述数据交互步骤中，从设备占用的总线时间为一个或一个以上的时间片。
4.根据权利要求3所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，其特征在于，所述数据交互步骤中，对不同的从设备，根据数据数量、数据实时性和组网状态预分配不同数量的时间片。
5.根据权利要求3所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询方法，其特征在于，所述数据交互步骤中检测出设备离线后，暂时停止对该设备轮询，并设置超时定时器，超时时间到后重新对该设备轮询。
6.一种基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置，其特征在于，包括：
调度单元：比较在线的从设备的优先级，该优先级是指预先分配的轮询优先级，或者是在有控制命令时，以命令优先级替换对应从设备的轮询优先级得到的；所述控制命令包括不同的任务，所述不同的任务分别对应不同的命令优先级，所述命令优先级大于、等于或者小于所述轮询优先级；
数据交互单元：根据所述优先级比较结果，选择优先级最高的从设备占用总线进行数据交互，数据交互完成后，对应的从设备休眠，该从设备在休眠状态时暂时停止对其轮询。
7.根据权利要求6所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置，其特征在于，在所述的数据交互单元中，所述数据交互完成后，从设备恢复为原有的轮询优先级。
8.根据权利要求6或7所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置，其特征在于，在所述的数据交互单元中，从设备占用的总线时间为一个或一个以上的时间片。
9.根据权利要求8所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置，其特征在于，在所述的数据交互单元中，对不同的从设备，根据数据数量、数据实时性和组网状态预分配不同数量的时间片。
10.根据权利要求8所述的基于协作式多任务调度机制的共享总线的轮询装置，其特征在于，在所述的数据交互单元中检测出设备离线后，暂时停止对该设备轮询，并设置超时定时器，超时时间到后重新对该设备轮询。
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