CN108228521A - 一种高速串口通信网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用串口交换机的高速率串口通信网络。应用层兼容单主机‑多从机总线通信协议，如MODBUS；连接网络的单个设备包含一个或者多个主机，而且可以包含一个或者多个从机，这些主机和从机共用一个物理串口通道，通信数据帧以地址区分；从机只与一个主机，主机只与其所属的从机通信，所属关系根据组网配置得到；经过串口交换机以太网端口的数据兼容TCP/IP封装的主机‑多从机总线通信协议；串口交换机存储网络的主从机地址以及所属物理端口号或者设备号，这些信息根据组网配置得到。
Description
技术领域
本发明涉及串口通信技术领域，尤其涉及一种高速串口通信网络。
背景技术
传统的串行现场总线的特点是1)主从式结构；2)在任何时刻最多只有两个接入点有总 线控制权；3)通信有较大延迟。这种总线从结构上看就不稳定且不安全。因为，一旦主机故 障，从机就无法工作，整个系统可能瘫痪。另外，由于这种主从总线通信协议带有一定复杂 性，通信软件的开发难度较大，通信软件的安全难以保障，因此导致系统不安全性增加。而 在工业控制场合，通信吞吐量不大，满足通信吞吐量要求的难度不大，稳定性和安全性显得 更加重要。
现有的交换式网络，如星形和多星形网络，与主从式的现场总线相比具有很大的优越性。 因为，星形连接的交换机保证了每一个总线接入点之间的通信都是主对主通信。接入点故障 不会引起其它不相干点通信故障，保障系统的安全性。另外，主对主的通信协议可以非常简 单，因此开发出安全可靠的通信软件模块变得容易，保障了系统的安全性。再次，交换式的 总线的通信是多路并发，点对点数据吞吐能力和接入设备数量无关，打破了“共享带宽”的 瓶颈。最后一点，通信延迟可以得到控制。对于高实时要求的控制系统，星形连接是低成本
专利文献1：公开号106528486A(中国)所记载的一种串口数据交换的方法使用一种串 口交换机实现了高速高实时的串口通信。但是此方法只是给出了数据链路层的协议规范，未 提供应用层的规范。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种使用串口交换机的高速率串口通信网络，连接于网络的设备连接于串口交换机，一 个设备对应于一个接入物理端口，所述串口交换机，提取串口或者以太网端口接收到的数据 帧，根据所述数据帧的目标地址将所述数据帧转移至相应端口进行发送，连接于同一交换机 上的串口数据交换时，数据由处理器控制DMA实现中转，连接于不同交换机上的串口数据交 换时，数据要经过以太网端口中转；在串口数据的交换时单片机的处理器只做简单的判断和 控制，很少干预数据收发，数据收发由DMA控制完成。
在所述串口交换机的基础之上，满足以下通讯协议规范：
1)应用层兼容单主机-多从机总线通信协议；
2)连接网络的单个设备包含一个或者多个主机，而且可以包含一个或者多个从机，这些 主机和从机共用一个物理串口通道，通信数据帧以地址区分；
3)从机只与一个主机，主机只与其所属的从机通信，所属关系根据组网配置得到；
4)经过串口交换机以太网端口的数据兼容TCP/IP封装的主机-多从机总线通信协议；
5)串口交换机存储网络的主从机地址以及所属物理端口号或者设备号，这些信息根据网 络连接情况设定。
优选的，串口交换机从接收串口数据流中识别出完整数据帧。
优选的，所述单主机-多从机总线通信协议为MODBUS通信协议，所述以太网端口的TCP/IP 封装主机-多从机总线通信协议为MODBUS-TCP/IP协议。
本发明的有益效果是：借用了带以太网物理通道串口交换机，通信可以达到10Mbps，而 且具备高实时性。实现了多主-从模式的通信，使通信的能力大大提升，安全性和稳定性大大 提升。
附图说明
图1为作为一实施例的串口交换机硬件结构示意图。
图2为作为一实施例的所述串口交换机实现的星形串口网络。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图， 对本发明进一步详细说明。
一种使用串口交换机的高速率串口通信网络。连接于网络的设备连接于串口交换机，一 个设备对应于一个接入物理端口。所述串口交换机，提取串口或者以太网端口接收到的数据 帧，根据所述数据帧的目标地址将所述数据帧转移至相应端口进行发送，连接于同一交换机 上的串口数据交换时，数据由处理器控制DMA实现中转，连接于不同交换机上的串口数据 交换时，数据要经过以太网端口中转；在串口数据交换时单片机的处理器只做简单的判断和 控制，很少干预数据收发，数据收发由DMA控制完成。
参考图1和图2，所述交换机的工作原理可以如下实施例说明：1)假定连接于UART1的设备为1，依次连接UART2的设备号为2；UART3的设备号为3……；2)当设备1要发 送数据至设备5时，设备1发送的数据帧目标地址为设备5；3)交换机单片机侦测到数据帧 时，将数据帧通过DMA转发至设备5，经由UART5；4)当设备1要发送数据至设备8时， 而设备8与另外一台交换机连接，设备1发送的数据帧目标地址为设备8；3)单片机侦测到 数据帧时，将数据帧打包转发至以太网端口，经由以太网物理接口和以太网交换机至与之相 连的另外一台连接了设备8的以太网交换机，此交换机将以太网端口数据转交至设备8。
在所述串口交换机的基础之上，实现以下通讯协议规范：
1)应用层兼容单主机-多从机总线通信协议；
2)连接网络的单个设备包含一个或者多个主机，而且可以包含一个或者多个从机，这些 主机和从机共用一个物理串口通道，通信数据帧以地址区分；
3)从机只与一个主机，主机只与其所属的从机通信，所属关系根据组网配置得到；
4)经过串口交换机以太网端口的数据兼容TCP/IP封装的主机-多从机总线通信协议；
5)串口交换机存储网络的主从机地址以及所属物理端口号或者设备号，这些信息根据网 络连接情况设定。
作为本发明一个实施例，应用层兼容MODBUS总线应用层协议，任何路径连接通讯为 单主机-多从机模式；这些主机和从机虚拟集成在设备内部；单个设备可以包含一个或者多个 从机，这些主机和从机共用一个物理串口通道，通信数据帧以地址区分；从机只有一个主机， 主机只与其所属的从机通信，所属关系由需要设定得到；
一个实施例为上述参考图2的6台设备。假定6台设备都有1个 从机，设备1与设备2除了一个从机之外还有一个主机。虚线表示连 接为虚拟的，实际的物理连接为设备与串口交换机的连接。其中主1 与从2、从3、从4、从5连接，而主2与从1、从6虚拟连接。实现 这种虚拟连接的方案是：1)主机只发送从2、从3、从4、从5地址 的数据帧，串口交换机记忆着从2、从3、从4、从5所在的设备和 端口号，这些信息设定而得到，因此主1发送至从2、从3、从4、从5的数据帧都能转换至相应的设备；2)主2与主1的方式一样， 与从1、从6构成主从MODBUS总线；3)任何一台从机有唯一地址， 符合MODBUS总线协议，且只与一台主机通讯，任何一台主机只与 之连接的从机通讯；4)设备1接收到数据帧后，数据帧地址为1则 属于主2的请求帧，若为2、3、4、5则为从2、从3、从4、从5的 应答帧，其它地址则忽略。
但是这种通讯模式有一个问题：比如上述实施例中，主2发送请求帧时，正好有其它从 机发送至主1的应答帧，两个数据帧由不同的物理端口发送而来，串口交换机会缓存一个后 到的数据帧，等前面的数据帧发送至设备1完成，后发送缓存数据帧。其间需要设定一个等 待时间，以分开两个数据帧。这样设备1就收能正确到2条数据帧。但是这样的等待时间会 让网络的实时性变差。因此，我们可以选择不用等待，前述第一数据帧发送完成后，缓存数 据帧立刻发送。这种情况下，设备1必须在数据流中识别分割2个数据帧。而这种要求在 MODBUS协议下是可以实现的。
实现在接收数据流中识别分割2个MODBUS协议数据帧的方法是：根据MODBUS协议数据帧格式，计算出数据帧长度，然后根据这个长度提取数据帧，数据帧的下一字节为下一数据帧的首字节。比如主1接收到数据帧020103CD 6B 05……，首字节02为地址，判断出 这个数据帧为从2的应答帧，01为功能码，在01功能码下，下一字节03为字节数量，因此 此数据帧长度为8字节。通过这种主动识别的方法，可以使系统实时性更高，满足高实时的 场合。若数据需要经过串口交换机以太网端口的，则MODBUS数据帧可以打包成 MODBUS-TCP/IP协议数据帧进行传输。
本发明通讯网络建立在交换机基础之上，运用层，优选地使用MODBUS协议，但不限于MODBUS协议，满足一切以串口交换机为基础的单主机-多从机通讯协议。一种实施例是数据帧同时包含发送地址与目标地址的数据帧。这样的数据帧便于交换机进行数据交换。在 单主机多从机模式下，可实现与MODBUS协议下等效的数据交换。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种使用串口交换机的高速率串口通信网络，连接于网络的设备连接于串口交换机，一个设备对应于一个接入物理端口，所述串口交换机，提取串口或者以太网端口接收到的数据帧，根据所述数据帧的目标地址将所述数据帧转移至相应端口进行发送，连接于同一交换机上的串口数据交换时，数据由处理器控制DMA实现中转，连接于不同交换机上的串口数据交换时，数据要经过以太网端口中转；在串口数据的交换时单片机的处理器只做简单的判断和控制，很少干预数据收发，数据收发由DMA控制完成；其特征在于：
1)应用层为单主机-多从机总线通信协议；
2)连接网络的单个设备包含一个或者多个主机，而且可以包含一个或者多个从机，这些主机和从机共用一个物理串口通道，通信数据帧以地址区分；
3)从机只与一个主机，主机只与其所属的从机通信，所属关系根据组网配置得到；
4)经过串口交换机以太网端口的数据兼容TCP/IP封装的主机-多从机总线通信协议；
5)串口交换机存储网络的主从机地址以及所属物理端口号或者设备号，这些信息根据网络连接情况设定。
2.根据权利要求1所述的高速率串口通信网络，其特征在于，串口交换机从接收串口数据流中识别出完整数据帧。
3.根据权利要求1所述的高速率串口通信网络，其特征在于，所述单主机-多从机总线通信协议为MODBUS通信协议，所述以太网端口的TCP/IP封装主机-多从机总线通信协议为MODBUS-TCP/IP协议。
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