CN109981404A - 自组网网络结构及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自组网网络结构及其诊断方法，包括：在自组网网络结构的环网状态正常时，由主控模块从一侧通信接口向相邻的从动模块发送扫描帧；从动模块在接收和识别扫描帧后，根据扫描帧生成自身的设备识别号；从动模块将自身的设备识别号插入扫描帧中，得到更新后的扫描帧；从动模块将更新后的扫描帧发送给相邻的下一个从动模块，或者主控模块，将最后一个从动模块反馈的更新后的扫描帧记为目标扫描帧；目标扫描帧中包含有所有从动模块的设备识别号；主控模块完成对所有从动模块的组态配置。本发明中的方法无需工程人员挨个对设备进行设备识别号的配置，可以自动识别出组网中每个设备的网络位置，以及在出现链路或者设备故障时的故障点。

Description

自组网网络结构及其诊断方法

技术领域

本发明涉及工业控制网络技术领域，具体地，涉及自组网网络结构及其诊断方法。

背景技术

工业网络尤其是舰船等特殊应用场合对于通信的可用性和可靠性有着较高的要求，在一些距离远，节点多的应用场合下，环型的网络拓扑结构无论在层次化组网、节省线路资源(比如光纤、cable等)上，还是在保障通信可靠性上都有其他网络拓扑结构不具备的优点。

工业环网系统在构成系统之前，往往需要对系统中的每个模块进行配置，如设备出厂ID，物理MAC地址等。当系统规模较大时，挨个对每个模块进行配置不仅使得工作量庞大、繁琐，同时也容易因各种人为因素产生重复、错乱等问题。

现行已有的自组网方式，大多是基于无线通信的，自组网协议、方法在网络的上层实现。申请号201710963166.7，名称为：基于CAN总线的多节点自动组网方法，公开了利用CAN总线的仲裁机制，CAN节点之间通过监听、随机发送、竞争等方式生产CAN ID，期间某一个CAN最后确定自身的CAN ID或许需要经过多次冲突竞争才能确定。当节点规模较大时，冲突会更明显，且效率较低，并且该方法只适用于总线型或者星型结构的网络中，不适用于环网结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自组网网络结构及其诊断方法。

第一方面，本发明实施例提供一种自组网网络结构的诊断方法，包括：

判断自组网网络结构的环网状态是否正常，若所述自组网网络结构的环网状态正常，则由主控模块从一侧通信接口向相邻的从动模块发送扫描帧；其中所述扫描帧中包含有所述主控模块的设备识别号；

从动模块在接收和识别所述扫描帧后，根据所述扫描帧生成自身的设备识别号；

所述从动模块将自身的设备识别号插入所述扫描帧中，得到更新后的扫描帧；

所述从动模块将所述更新后的扫描帧发送给相邻的下一个从动模块，或者主控模块，其中，将最后一个从动模块反馈的更新后的扫描帧记为目标扫描帧；所述目标扫描帧中包含有所有从动模块的设备识别号；

所述主控模块完成对所有从动模块的组态配置。

可选地，判断所述自组网网络结构的环网状态是否正常，包括：

当所述主控模块从一侧通信接口向相邻的从动模块发送判断帧；若所述主控模块在预设的时间内，未在另一侧的通信接口接收到反馈的判断帧，则确定所述自组网网络结构的环网状态不正常；若所述主控模块在预设的时间内，在另一侧的通信接口接收到反馈的判断帧，则确定所述自组网网络结构的环网状态正常。

可选地，若所述自组网网络结构的环网状态不正常，则由所述主控模块从两侧的通信接口向相邻的从动模块发送自检通知帧；

以所述主控模块发送自检通知帧为起始时间点，等待预设的时长后；所述主控模块与所述从动模块同时通过自身的两侧通信接口发送出线路自检帧；

根据所述线路自检帧的接收情况，标记所述从动模块的通信接口状态；若所述从动模块的通信接口接收到相邻从动模块或者主控模块发送的线路自检帧，则对应的通信接口为正常；否则，所述通信接口为异常。

可选地，在根据所述线路自检帧的接收情况，标记所述从动模块的通信接口状态之后，还包括：

所述主控模块从两侧的通信接口向相邻的从动模块发送扫描帧；

从动模块的一侧通信接口在接收和识别所述扫描帧后，根据所述扫描帧生成自身的设备识别号；

所述从动模块将自身的设备识别号插入所述扫描帧中，得到更新后的扫描帧；

判断所述从动模块的另一侧通信接口是否正常；

若所述从动模块的另一侧通信接口正常，则将所述更新后的扫描帧发送给相邻的下一个从动模块，或者主控模块，其中，将最后一个从动模块反馈的更新后的扫描帧记为目标扫描帧；所述目标扫描帧中包含有所有从动模块的设备识别号；所述主控模块完成对所有从动模块的组态配置。

若所述从动模块的另一侧通信接口异常，则所述从动模块将所述更新后的扫描帧原路返回给所述主控模块。

可选地，所述设备识别号包括：设备的ID号、MAC地址；标识号用于表征不同的从动模块。其中，从动模块在网络中的位置是通过扫描帧中数据中标识号所处的字段得知的。

可选地，所述通信接口包括：以太网接口、CAN接口、RS485接口中的任一形式。

可选地，还包括：

断开所述自组网网络结构，并在所述自组网网络结构中增加新的从动模块，或者删减从动模块，得到更新后的自组网网络结构；

所述主控模块自动检测从动模块的增加和删除，并识别新增或者删除的从动模块的网内位置；其中，新增从动模块生成设备标识号、上报设备标识号以及组态配置过程中，网内其他从动模块保持正常通信。

第二方面，本发明实施例提供一种自组网网络结构，应用如第一方面中任一项所述的自组网网络结构的诊断方法；所述自组网网络结构包括：

主控模块和至少一个从动模块，所述主控模块与所述从动模块通过通信接口依次连接形成环状网络结构；且所述主控模块和从动模块均具备两个通信接口；其中，

所述主控模块，用于向所述从动模块发送扫描帧，并接收所述从动模块根据所述扫描帧反馈的设备识别号；以及在获取到所有从动模块的设备识别号之后，自动完成对所述从动模块的组态配置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的自组网网络结构及其诊断方法，无需工程人员挨个对设备进行设备识别号的配置，可以自动识别出组网中每个设备的网络位置，以及在出现链路或者设备故障时的故障点。并且能够支持设备的即插即用。另外，在线路出现故障的时候，可以带故障启动并运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的自组网网络结构的拓扑示意图；

图2为本发明实施例提供的自组网网络结构的诊断方法的流程图；

图3为本发明实施例基于以太网协议的扫描帧格式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的自组网网络结构的拓扑示意图，如图1所示，本实施例中的自组网网络结构包括一个主控模块和n个从动模块，n为大于等于1的自然数。所述主控模块与所述从动模块通过通信接口依次连接形成环状网络结构；且所述主控模块和从动模块均具备两个通信接口；其中，所述主控模块，用于向所述从动模块发送扫描帧，并接收所述从动模块根据所述扫描帧反馈的设备识别号；以及在获取到所有从动模块的设备识别号之后，自动完成对所述从动模块的组态配置。

图2为本发明实施例提供的自组网网络结构的诊断方法的流程图。参见图2，本实施例基于以太网接口，环形以太网通信来详述以太网物理MAC地址的自动分配，网络结构的获取以及网络诊断等功能，假设此实施例中网络规模不多于256个设备。图3为本发明实施例基于以太网协议的扫描帧格式示意图。

本实施例中，主控模块管理整个网络及配置信息。该用户可以通过设备描述文件——XDD文件向主控模块进行配置写入。主控模块通过XDD文件可以获知所有设备的通信信息，如设备类型、每个设备需要收发的数据等。同时，用户只需对主控模块进行MAC地址等的分配写入。自组网过程包括以下几个步骤：

步骤1：环网正常的情况下，上电后，主控模块从一侧端口(A口)发送扫描帧。扫描帧包括帧头、数据和帧尾，具体参考附图3为基于以太网协议的扫描帧格式。其中数据段起始位置的前6个字节(称为数据段1，第7～12个字节为数据段2，依次类推)插入了主控模块的MAC地址，数据段2插入从动模块自动生成MAC地址的参考值(高4个字节以及第6个字节为主控模块的MAC[47:16]和MAC[7:0]；第5个字节用于标记主控模块从A口还是B口发出扫描报文，此处通过0或者1表示，0代表A口，1代表B口)，其余数据段为0。

步骤2：当紧邻主控制器A口的第一个从动模块接收到数据帧，从动模块判断帧类型，当帧类型为扫描帧，从扫描帧的数据部分以一个数据段即6个字节为单位依次读取MAC地址，直至数据段为0位置。该从动模块根据最后读取的数据段1的值进行自加1来生成自身的MAC地址，并放入扫描帧数据中数据段3位置后转发该扫描帧给下一个从动模块。

步骤3：环网内的从动模块依次进行扫描报文的判断、MAC自加插入和转发。

步骤4：主控模块从B口返回扫描帧，从扫描帧的数据中读取网内的所有从动模块的MAC地址。同时，根据扫描帧中的MAC值所在的数据段，主控模块可以清晰的获知每个模块处于环网中的哪个位置。

步骤5：当环网链路断开异常时，主控模块从A口发送扫描帧后，B口无法返回的扫描帧。主控模块在从A口发送扫描帧后开始计时，当计时时间达到T_timeout后还未从B口收到扫描帧，则判断等待超时，启动线路自检。超时时间T_timeout可配，T_timeout≥环网内设备个数×10us，其中10us为转发一个100Byte的扫描帧所需时间。

步骤6：主控模块从A、B口同时发送线路自检通知帧。主动模块从开始发送该帧开始计时，等待一个时间周期T2，确保线路自检通知帧已经轮询完网内所有从动模块。从动模块收到该帧后，等待一个时间周期T2。

步骤7：在等待T2时间后，主控模块、从动模块开始同时向A、B口发送线路自检帧，相邻的模块将会从一侧端口收到线路自检帧，当收到该帧后，则标记当前端口处于正常通信状态。当所有的模块都收发完线路自检帧后，各模块都完成了端口状态标记。链路异常断开的两侧的两个模块所对应的端口将标记为端口异常。

步骤8：主控模块在完成端口标记后，从A、B口同时发送扫描帧，从动模块接收扫描帧，依次产生并插入MAC地址到扫描帧中。如果该从动模块是从A口接收扫描帧，且B口处于正常通信状态，则该从动模块将更新后的扫描帧从B口转发给下一个从动模块；如果该从动模块的B口处于异常状态，则将扫描帧从A返回扫描帧给上一个从动模块。上一个从动模块已经处理过扫描帧，则不再进行二次处理，判断为扫描帧后直接往另一个端口转发，经过一级级转发最后回到主控模块。

步骤9：主控模块将从A、B口分别收到一个返回的扫描帧，两个扫描帧中分别包含了主控模块A口到链路断开处之间的所有从模块的MAC地址，和主控模块B口到链路断开处之间的所有从模块的MAC地址。通过解析两个扫描帧，主控模块可以获取所有的设备的MAC地址，并获知每个模块在网内的位置以及链路断开的位置。

步骤10：主控模块根据每个模块的MAC地址进行点对点发送组态配置数据。主控模块从A、B口同时发送配置数据，在环网正常情况下，从动模块将会从A、B口先后收到主控模块的配置帧，从动模块需要进行重复帧的处理，并根据配置帧进行参数配置。

步骤11：在系统进入正常通信后，如果环网正常，主控模块会周期性的从一侧发送扫描帧；如果环网断开，主控模块会周期性的从两侧发生扫描帧。当有新模块加入时，新模块会响应扫描帧，根据扫描帧中的MAC值生成自身的MAC值。主控模块收到返回的扫描帧后根据数据值即获知有新设备加入并对其进行组态配置。

需要说明的是，在系统正常通信且环网正常的情况下，如果新模块需要插入，需经过先断开环网、接入新模块、恢复环网三个步骤。当断开环网时，主控模块、从动模块仍然可以继续通信，但是在通信过程只能收到一份数据，此时主控模块和从动模块可知环网断开。链路断开两侧模块将会在下次通信中上报网络断开、断开端口给主控模块。主控模块根据环网断开、新模块加入、环网恢复以及从动模块上报的端口断开信息可判断新接入模块所处的网络位置。

另外，在系统正常通信且环网断开的情况下，新模块的接入只能接在两侧链路的尾端。主控模块根据接收新加入模块数据的端口轻易可判断新接入模块处于链路哪一侧。

本发明中的方法支持基于环型拓扑结构的网络通信的自组态和通信。环网正常的情况下，上电后，主控模块从一侧端口(A口)发送扫描帧。扫描帧包括帧头、数据和帧尾，数据段1中插入了主控模块的设备识别号，数据段2插入从动模块自动生成设备识别号的参考值，其余数据段为0。当紧邻主控制器A口的第一个从动模块接收到数据帧，从动模块判断帧类型，当帧类型为扫描帧，从扫描帧的数据部分以一个数据段即6个字节为单位依次读取设备识别号，直至数据段为0位置。该从动模块根据最后读取的数据段1的值进行自加1来生成自身的设备识别号，并放入扫描帧数据中数据段3位置后转发该扫描帧给下一个从动模块。环网内的从动模块依次进行扫描报文的判断、设备识别号自加插入和转发。

主控模块从A口发送扫描帧后开始计时，当环网链路断开异常时，等待超时后还未从B口收到扫描帧，则启动线路自检。主控模块从A、B口同时发送线路自检通知帧。收到自检通知帧并等待T2时间后，主控模块、从动模块开始同时向A、B口发送线路自检帧，相邻的模块将会从一侧端口收到线路自检帧，当收到该帧后，则标记当前端口处于正常通信状态。当所有的模块都收发完线路自检帧后，各模块都完成了端口状态标记。链路异常断开的两侧的两个模块所对应的端口将标记为端口异常。主控模块在完成端口标记后，从A、B口同时发送扫描帧，从动模块接收扫描帧，依次产生并插入设备识别号到扫描帧中。如果该从动模块是从A口接收扫描帧，且B口处于正常通信状态，则该从动模块将更新后的扫描帧从B口转发给下一个从动模块；如果该从动模块的B口处于异常状态，则将扫描帧从A返回扫描帧给上一个从动模块。上一个从动模块已经处理过扫描帧，则不再进行二次处理，判断为扫描帧后直接往另一个端口转发，经过一级级转发最后回到主控模块。主控模块将从A、B口分别收到一个返回的扫描帧，通过解析两个扫描帧，主控模块可以获取所有设备的设备识别号，并获知每个模块在网内的位置以及链路断开的位置。

在系统进入正常通信后，如果环网正常，主控模块会周期性的从一侧发送扫描帧；如果环网断开，主控模块会周期性的从两侧发生扫描帧。当有新模块加入时，新模块会响应扫描帧，根据扫描帧中的设备识别号生成自身的设备识别号。主控模块收到返回的扫描帧后根据数据值即获知有新设备加入并对其进行组态配置。

在系统正常通信且环网正常的情况下，如果新模块需要插入，需经过先断开环网、接入新模块、恢复环网三个步骤。当断开环网时，主控模块、从动模块仍然可以继续通信，但是在通信过程只能收到一份数据，此时主控模块和从动模块可知环网断开。链路断开两侧模块将会在下次通信中上报网络断开、断开端口给主控模块。主控模块根据环网断开、新模块加入、环网恢复以及从动模块上报的端口断开信息可判断新接入模块所处的网络位置。

在系统正常通信且环网断开的情况下，新模块的接入只会接在两侧链路的尾端。主控模块根据接收新加入模块数据的端口轻易可判断新接入模块处于链路哪一侧。

需要说明的是，本发明中的方法同时支持基于线性拓扑结构的网络通信的自组态和通信。

需要说明的是，本发明中的方法中的通信口可以是以太网接口、CAN接口、RS485接口等一切可以以数据帧方式收发的接口。

需要说明的是，本发明中的方法无需用户对控制系统中的通信模块进行逐个配置ID号、MAC地址等信息，用户只需对主控模块或者配置模块进行配置。

需要说明的是，本发明中的方法通过扫描帧的方式，从动模块可以自动产生相互不重复的ID号、MAC地址等设备识别号。由于主控模块或配置模块根据扫描帧中的数据段对应的设备识别号及顺序，因此可以获知所有模块所处的网内位置。

需要说明的是，本发明中的方法在环网异常断开时，系统仍然可以自启动、自组态。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，包括：

判断自组网网络结构的环网状态是否正常，若所述自组网网络结构的环网状态正常，则由主控模块从一侧通信接口向相邻的从动模块发送扫描帧；其中所述扫描帧中包含有所述主控模块的设备识别号；

从动模块在接收和识别所述扫描帧后，根据所述扫描帧生成自身的设备识别号；

所述从动模块将自身的设备识别号插入所述扫描帧中，得到更新后的扫描帧；

所述从动模块将所述更新后的扫描帧发送给相邻的下一个从动模块，或者主控模块，其中，将最后一个从动模块反馈的更新后的扫描帧记为目标扫描帧；所述目标扫描帧中包含有所有从动模块的设备识别号；

所述主控模块完成对所有从动模块的组态配置。

2.根据权利要求1所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，判断所述自组网网络结构的环网状态是否正常，包括：

当所述主控模块从一侧通信接口向相邻的从动模块发送判断帧；若所述主控模块在预设的时间内，未在另一侧的通信接口接收到反馈的判断帧，则确定所述自组网网络结构的环网状态不正常；若所述主控模块在预设的时间内，在另一侧的通信接口接收到反馈的判断帧，则确定所述自组网网络结构的环网状态正常。

3.根据权利要求2所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，若所述自组网网络结构的环网状态不正常，则由所述主控模块从两侧的通信接口向相邻的从动模块发送自检通知帧；

以所述主控模块发送自检通知帧为起始时间点，等待预设的时长后；所述主控模块与所述从动模块同时通过自身的两侧通信接口发送出线路自检帧；

根据所述线路自检帧的接收情况，标记所述从动模块的通信接口状态；若所述从动模块的通信接口接收到相邻从动模块或者主控模块发送的线路自检帧，则对应的通信接口为正常；否则，所述通信接口为异常。

4.根据权利要求3所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，在根据所述线路自检帧的接收情况，标记所述从动模块的通信接口状态之后，还包括：

所述主控模块从两侧的通信接口向相邻的从动模块发送扫描帧；

从动模块的一侧通信接口在接收和识别所述扫描帧后，根据所述扫描帧生成自身的设备识别号；

所述从动模块将自身的设备识别号插入所述扫描帧中，得到更新后的扫描帧；

判断所述从动模块的另一侧通信接口是否正常；

若所述从动模块的另一侧通信接口正常，则将所述更新后的扫描帧发送给相邻的下一个从动模块，或者主控模块，其中，将最后一个从动模块反馈的更新后的扫描帧记为目标扫描帧；所述目标扫描帧中包含有所有从动模块的设备识别号；所述主控模块完成对所有从动模块的组态配置。

若所述从动模块的另一侧通信接口异常，则所述从动模块将所述更新后的扫描帧原路返回给所述主控模块。

5.根据权利要求1所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，所述设备识别号包括：设备的ID号、MAC地址；所述设备标识号用于表征不同的从动模块。

6.根据权利要求1所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，所述通信接口包括：以太网接口、CAN接口、RS485接口中的任一形式。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的自组网网络结构的诊断方法，其特征在于，还包括：

断开所述自组网网络结构，并在所述自组网网络结构中增加新的从动模块，或者删减从动模块，得到更新后的自组网网络结构；

所述主控模块自动检测从动模块的增加和删除，并识别新增或者删除的从动模块的网内位置；其中，新增从动模块生成设备标识号、上报设备标识号以及组态配置过程中，网内其他从动模块保持正常通信。

8.一种自组网网络结构，其特征在于，应用如权利要求1-7中任一项所述的自组网网络结构的诊断方法；所述自组网网络结构包括：

主控模块和至少一个从动模块，所述主控模块与所述从动模块通过通信接口依次连接形成环状网络结构；且所述主控模块和从动模块均具备两个通信接口；其中，

所述主控模块，用于向所述从动模块发送扫描帧，并接收所述从动模块根据所述扫描帧反馈的设备识别号；以及在获取到所有从动模块的设备识别号之后，自动完成对所述从动模块的组态配置。