CN109728985A - 一种基于rs422和can总线异构的实时冗余通信系统 - Google Patents

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王效亮
曾宪科
栾婷
张成浩
张华�
张建国
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Abstract

本发明属于双冗余伺服控制系统技术领域，具体涉及一种用于火箭飞行控制的伺服系统不同智能单机的通信，用相对低廉的成本实现了高可靠通信，且具有自诊断和自恢复功能，确保了火箭等飞行控制系统的高可靠性的基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统；包括智能单机I和智能单机II，其中所述智能单机I上包括一个RS422接口和一个CAN接口，所述智能单机II上包括一个RS422接口和一个CAN接口；所述两个RS422接口之间设有RS422总线，所述两个CAN接口之间设有CAN总线；将RS422有效的数据组合为消息帧，每帧数据包含帧头、帧长度、帧标识、数据区、校验和帧尾，其中帧头、帧尾为固定字节字节、帧长度表示需要发送的有效数据的总长度。

Description

一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统
技术领域
本发明属于双冗余伺服控制系统技术领域，具体涉及一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信装置。
背景技术
大型伺服系统中要完成复杂的动作控制，需要多个智能单机协调工作，而更高级系统对伺服系统要求是唯一节点和接口，对应一个1553B的总线站点。本发明正是在该背景下，采用伺服系统内部设计高可靠冗余通信网络，解决分布式控制要求而发明，具体讲是一种由RS422总线和CAN总线实现的通信系统，用于伺服系统内部不同智能单机的通信，是具有低成本、高可靠、自诊断和自恢复的通信系统。
现有伺服系统大部分采用一路CAN总线，其缺点在于：
(1)只有一路总线进行通信，存在单点环节，一旦出现软件通信故障不能恢复就会出现通信失败，影响系统可靠性。
(2)不具备自诊断和自恢复功能，即当某个通信节点通信失败时，没有任何补救措施，导致系统瘫痪。
(3)受实现通信的硬件可靠性影响，当出现硬件或者传输线路故障时，会导致通信失败，系统瘫痪。
RS422总线是一种异步串行全双工总线。CAN总线是一种异步串行半双工总线。两种总线均具有很高的通讯可靠性和实时性,简单实用,硬件成本低。通讯媒体可以是双绞线、同轴电缆，数据传输速率可达1Mbits/s。本项目将RS422和CAN总线用于有高可靠性要求的航天工业领域，要求总线通信必须绝对可靠。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种用于火箭飞行控制的伺服系统不同智能单机的通信，用相对低廉的成本实现了高可靠通信，且具有自诊断和自恢复功能，确保了火箭等飞行控制系统的高可靠性的基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统。
本发明的技术方案是：
一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，包括智能单机I和智能单机II，其中所述智能单机I上包括一个RS422接口和一个CAN接口，所述智能单机II上包括一个RS422接口和一个CAN接口；所述两个RS422接口之间设有RS422总线，所述两个CAN接口之间设有CAN总线。
将RS422有效的数据组合为消息帧，每帧数据包含帧头、帧长度、帧标识、数据区、校验和帧尾，其中帧头、帧尾为固定字节字节、帧长度表示需要发送的有效数据的总长度。
所述RS422总线帧格式约定为：
信号名称：帧头；字节数：2；说明：表示消息帧的开始
信号名称：帧长度；字节数：1；说明：表征该帧数据数据区的长度N
信号名称：帧标识；字节数：1；说明：表征该数据帧的定义
信号名称：数据区；字节数：N；说明：Byte1、Byte2、Byte3…ByteN
信号名称：校验和；字节数：1；说明：数据区内容相加后，取低8位运算
信号名称：帧尾；字节数：2；说明：表示消息帧的结束。
所述CAN总线每条消息最多包含8个字节的特点，将有效的N个字节数据分为n条CAN总线消息；所述CAN总线应用层协议约定如下：
CAN消息定义：第一条消息；标准符：ID1；消息长度：8；字节：Byte1、Byte2、Byte3…Byte8、
CAN消息定义：第二条消息；标准符：ID2；消息长度：8；字节：Byte9、Byte10、Byte11…Byte16、
…
CAN消息定义：第n条消息；标准符：IDn；消息长度：N-n*8+8；字节：…ByteN。
在需要发送数据时，智能单机I通过制定的应用层协议分别将数据Byte1～N打包为RS422总线和CAN总线消息帧，然后将数据包分别通过RS422总线和CAN总线发送到智能单机II；智能单机II在接收到RS422总线消息帧后，进行帧头、帧尾、和校验判断，如果通过则认为该帧消息为有效消息，保存并作相应的处理，否则丢弃消息；智能单机II在接收到CAN总线消息帧后，按照消息帧ID的不同，提取有效的数据字节1～N。
本发明的有益效果是：
(1)系统使用RS422和CAN总线两种不同的总线进行通信，两条总线指令及数据实时对等传输，任何一路故障均不影响系统通信，可靠性大大提高。
(2)RS422和CAN总线均具有自诊断和自恢复功能，实时监测总线状态，任何一路总线由于软件运行异常、寄存器状态改变及通信错误等故障模式导致的通信异常均可自行修复，可靠性更高。
(3)RS422和CAN总线使用了不同的通信链路，不会因为硬件的故障而导致通信失败。
(4)RS422和CAN总线有不同的故障模式，使用两种不同总线可以实现异构冗余，不会因为任何一种总线固有的故障模式而影响另外一路总线的数通信，不影响整个系统的功能和性能。
(5)本发明提出了一种RS422和CAN总线实时通信系统，该系统采用两条不同类型的总线进行实时通信，且S422和CAN总线能有效避免数据冲突，通信双方主机和从机通信同时均实时监测总线状态，并实时进行状态诊断，当检测到任一条总线通信异常时，会采取恢复性措施。当一条总线通讯异常也无法恢复时，不影响整个系统的功能和性能，实现总线通信的高可靠性
附图说明
图1 CAN总线消息帧格式
图2 RS422总线和CAN总线硬件框图
图3 RS422总线和CAN总线发送流程
图4 RS422总线和CAN总线接收流程
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，包括智能单机I和智能单机II，其中所述智能单机I上包括一个RS422接口和一个CAN接口，所述智能单机II上包括一个RS422接口和一个CAN接口；所述两个RS422接口之间设有RS422总线，所述两个CAN接口之间设有CAN总线。
将RS422有效的数据组合为消息帧，每帧数据包含帧头、帧长度、帧标识、数据区、校验和帧尾，其中帧头、帧尾为固定字节字节、帧长度表示需要发送的有效数据的总长度。
所述RS422总线帧格式约定为：
信号名称：帧头；字节数：2；说明：表示消息帧的开始
信号名称：帧长度；字节数：1；说明：表征该帧数据数据区的长度N
信号名称：帧标识；字节数：1；说明：表征该数据帧的定义
信号名称：数据区；字节数：N；说明：Byte1、Byte2、Byte3…ByteN
信号名称：校验和；字节数：1；说明：数据区内容相加后，取低8位运算
信号名称：帧尾；字节数：2；说明：表示消息帧的结束。
所述CAN总线每条消息最多包含8个字节的特点，将有效的N个字节数据分为n条CAN总线消息；所述CAN总线应用层协议约定如下：
CAN消息定义：第一条消息；标准符：ID1；消息长度：8；字节：Byte1、Byte2、Byte3…Byte8、
CAN消息定义：第二条消息；标准符：ID2；消息长度：8；字节：Byte9、Byte10、Byte11…Byte16、
…
CAN消息定义：第n条消息；标准符：IDn；消息长度：N-n*8+8；字节：…ByteN。
在需要发送数据时，智能单机I通过制定的应用层协议分别将数据Byte1～N打包为RS422总线和CAN总线消息帧，然后将数据包分别通过RS422总线和CAN总线发送到智能单机II；智能单机II在接收到RS422总线消息帧后，进行帧头、帧尾、和校验判断，如果通过则认为该帧消息为有效消息，保存并作相应的处理，否则丢弃消息；智能单机II在接收到CAN总线消息帧后，按照消息帧ID的不同，提取有效的数据字节1～N。
本发明的内容为采用两条不同总线进行实时通信。设计合理的CAN总线和RS422总线设计应用层通信协议。通信双方主机和从机设计硬件电路实现CAN总线和RS422总线，按照应用层通讯协议设计软件，在软件中监测总线状态，并实时进行状态诊断，当检测到任一条总线通信异常时，会采取恢复性措施。该通信方式在发生一条总线通讯异常也无法恢复时，不影响整个系统的功能和性能，实现总线通信的高可靠性。完成该系统的应用可以分为以下三个步骤。
1制定CAN总线和RS422总线设计应用层通信协议
完成数字伺服控制器参数在线装订需要制定一套严格的1553B通信协议，针对RS422总线和CAN总线的不同特性进行设计。将需要通过总线传送的数据表示为Byte1、Byte2、Byte3…ByteN共N个字节。
按照RS422方便的自由组帧特性，将有效的数据组合为消息帧。每帧数据包含帧头、帧长度、帧标识、数据区、校验和帧尾。其中帧头、帧尾为固定字节字节、帧长度表示需要发送的有效数据的总长度。RS422总线帧格式约定如下。
按照CAN总线每条消息最多包含8个字节的特点，将有效的N个字节数据分为n条CAN总线消息。每条消息的格式遵循CAN总线2.0标准。
CAN总线CAN网络底层基本传输协议采用2.0B标准(符合ISO11898规范)。本协议采用CAN2.0B规范的11位标识符标的准帧格式，帧格式如图1所示。
CAN总线应用层将需要发送的N个字节按照下表顺序组合为n条消息，其中前(n-1)条消息每条消息包含8个字节，第n条消息字节数为(N-n*8+8)个，CAN总线应用层协议约定如下：
在两个智能单机中设计硬件接口电路，分别集成RS422总线和CAN总线，作为通信的硬件接口如图2所示。
如图3所示，在需要发送数据时，智能单机I通过制定的应用层协议分别将数据Byte1～N打包为RS422总线和CAN总线消息帧。然后将数据包分别通过RS422总线和CAN总线发送到智能单机II。
如图4所示，智能单机II在接收到RS422总线消息帧后，进行帧头、帧尾、和校验判断，如果通过则认为该帧消息为有效消息，保存并作相应的处理，否则丢弃消息。智能单机II在接收到CAN总线消息帧后，按照消息帧ID的不同，提取有效的数据字节1～N。

Claims (5)

1.一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，其特征在于：包括智能单机I和智能单机II，其中所述智能单机I上包括一个RS422接口和一个CAN接口，所述智能单机II上包括一个RS422接口和一个CAN接口；所述两个RS422接口之间设有RS422总线，所述两个CAN接口之间设有CAN总线。
2.如权利要求1所述的一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，其特征在于：将RS422有效的数据组合为消息帧，每帧数据包含帧头、帧长度、帧标识、数据区、校验和帧尾，其中帧头、帧尾为固定字节字节、帧长度表示需要发送的有效数据的总长度。
3.如权利要求2所述的一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，其特征在于：所述RS422总线帧格式约定为：
信号名称：帧头；字节数：2；说明：表示消息帧的开始
信号名称：帧长度；字节数：1；说明：表征该帧数据数据区的长度N
信号名称：帧标识；字节数：1；说明：表征该数据帧的定义
信号名称：数据区；字节数：N；说明：Byte1、Byte2、Byte3…ByteN
信号名称：校验和；字节数：1；说明：数据区内容相加后，取低8位运算
信号名称：帧尾；字节数：2；说明：表示消息帧的结束。
4.如权利要求1所述的一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，其特征在于：所述CAN总线每条消息最多包含8个字节的特点，将有效的N个字节数据分为n条CAN总线消息；所述CAN总线应用层协议约定如下：
CAN消息定义：第一条消息；标准符：ID1；消息长度：8；字节：Byte1、Byte2、Byte3…Byte8、
CAN消息定义：第二条消息；标准符：ID2；消息长度：8；字节：Byte9、Byte10、Byte11…Byte16、
…
CAN消息定义：第n条消息；标准符：IDn；消息长度：N-n*8+8；字节：…ByteN。
5.如权利要求1所述的一种基于RS422和CAN总线异构的实时冗余通信系统，其特征在于：在需要发送数据时，智能单机I通过制定的应用层协议分别将数据Byte1～N打包为RS422总线和CAN总线消息帧，然后将数据包分别通过RS422总线和CAN总线发送到智能单机II；智能单机II在接收到RS422总线消息帧后，进行帧头、帧尾、和校验判断，如果通过则认为该帧消息为有效消息，保存并作相应的处理，否则丢弃消息；智能单机II在接收到CAN总线消息帧后，按照消息帧ID的不同，提取有效的数据字节1～N。
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