CN110531686A - 一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法 - Google Patents

一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法，包括：处理器模块、至少两个主机接入模块、至少一个从机接入模块；所述主机接入模块和从机接入模块分别连接所述处理器模块，用于实现主机和处理器模块、从机和处理器模块之间的通信。本发明在原单主485网络上扩展1路主机接口，共具有3个RS485接口，每个口都采用电源隔离和信号隔离，带有TVS,自恢复保险丝。结合缓存协调的软件算法，当两主机同时通信时，另一路主机的数据被缓存，待总线空闲时，再通信另一路，完全解决了单主多从协议上多主机的通信故障问题，避免了数据碰撞，且合理利用了处理器内存资源和逻辑单元资源，具有通信可靠，效率高的有益效果。

Description

一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法
技术领域
本发明涉及单主多从通信领域，具体涉及一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法。
背景技术
随着物联网概念的提出，相关产业的落地，物联网产业迎来飞速的发展，遍布于世界各个角落的电子传感器，仪表，设备，控制器等等，电子终端设备都有接入物联网的需求，而绝大多数存量终端并不具备多余的接口来加入物联网，这就使得物联网最后1公里面临巨大挑战。
在存量市场上，仪表，控制器，传感器等等，有很大部分采用的是2线制485，而所支持的协议绝大多数是MODBUS协议，自由协议。Modbus协议采用的是简单的主从应答机制，即主机向从机发送请求，从机对主机的请求进行应答。该协议公开发表且无版权税，有许多公司的产品支持Modbus协议。同时，Modbus网络在通讯的时候有着较高的可靠性，并且其帧格式较简单，较易进行开发。按照Modbus协议规定，Modbus网络中只能存在一个主机，其余均为从机。这样一主多从的结构存在以下几个问题。首先，一旦主机出现故障，则整个网络陷于瘫痪，无法实现对从机的查询工作。其次，单主机网络架构无法实现多主机对于网络内部资源的访问。由于单主机网络架构存在以上的缺点，如何在Modbus网络中实现多主机共存，并实现多主机对于网络的访问的成为当今Modbus网络所需要解决的一个难题。
如果为了实现万物互联而替换硬件，更改程序，改变架构，那么将会耗费巨大的人力物力，并且也使得原有设备变的不稳定。单主多从协议不支持多主机，目前的通用做法就是强行在总线上加入主机，然后通过在主机上设置不同的采样周期，或者是通过某种手段监测总线空闲，来减少两个主机的冲突。然而这种手段并不可以绝对避免数据碰撞。为此，申请号为201721065206.8的中国专利，公开了一种基于Modbus协议的多主机通讯系统：当通讯系统运行时，多个Modbus通讯主机同时请求Modbus通讯从机信息时，利用中断处理方式，将多个Modbus通讯主机的通道分别进行标记，存入DMA缓冲区，进行轮询中断处理，首先将第一个Modbus通讯主机的请求信息通过RS485接口模块发送给Mod bus通讯从机，此后根据Modbus通讯协议在中断程序中进行Modbus通讯主机和Modbus通讯从机信息的交互，当交互完成后，释放Modbus通讯主机和Modbus通讯从机的通路，然后进行第二个Modbus通讯主机和Mod bus通讯从机的通讯交互，依此类推。
上述对多主机Modbus通讯通道的分别进行标记，存入DMA缓冲区，并轮询中断的方式，轮流进行主从交互，虽然实现了多主机对于网络内部资源的访问，来减少两个主机的冲突。然而这种手段并没有从根本上解决数据碰撞，且轮询中断、轮流进行主从交互的单线程执行方式，并没有合理利用单片机内存资源和逻辑单元资源，导致通信效率低下，迫切需要加以改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于单主多从协议实现多主机的装置及其方法。本发明在原单主485网络上扩展1路主机接口，共具有3个RS485接口，每个口都采用电源隔离和信号隔离，带有TVS,自恢复保险丝。结合缓存协调的软件算法，当两主机同时通信时，另一路主机的数据被缓存，待总线空闲时，再通信另一路，完全解决了单主多从协议上多主机的通信故障问题，避免了数据碰撞，且合理利用了处理器内存资源和逻辑单元资源，具有通信可靠，效率高的有益效果。
为实现所述技术目的，本发明的技术方案是：一种基于单主多从协议实现多主机的装置，包括：处理器模块、至少两个主机接入模块、至少一个从机接入模块；
所述主机接入模块和从机接入模块分别连接所述处理器模块，用于实现主机和处理器模块、从机和处理器模块之间的通信。
进一步，所述处理器模块包括型号为STC15W的处理器及其最小系统。
进一步，所述主机接入模块、从机接入模块采用型号为ADM2483的磁隔离RS485收发器。
进一步，还包括：
电源输入模块，采用型号为XL1509的线性稳压器，将输入电源降压至所述处理器的工作电压；
显示模块，用于主机和处理器、从机和处理器的通信状态显示以及处理器运行状态的显示。
进一步，还包括看门狗模块，看门狗模块包括型号为SGM706的多功能微处理器监控电路，及型号为MT9700的功率开关电路，用于防止不明原因导致的装置死机。
作为本发明的一种优选的实施方案，基于上述内容，还包括隔离电源模块，隔离电源模块采用型号为B0505S的电源模块，并连接所述功率开关电路，用于给各个主机接入模块、从机接入模块供给相互不相关的电源，隔断电的联系，防止相互间的干扰。
一种基于单主多从协议实现多主机的方法，使用了上述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其包括以下步骤：
S1：处理器时刻监控各个主机发来的数据，并只存储1个通信帧的数据；
S2：处理器将以所述步骤S1中，来自不同主机的数据存储于不同的存储区，且不相互重叠；
S3：处理器检测这各个存储区是否有新的数据，如果有并且从机总线空闲，则发送此存储区的数据到从机总线；
S4：发送完毕后，开始等待从机总线的响应信息，如果在预设的时间内收到数据，则立即将接收到的数据发送到该存储区对应的主机处，如果没有接收到数据那么处理器继续监控存储区。
作为本发明的一种实施例，所述步骤S1中，有主机1和主机2两个主机接入处理器，对应存在第一主机接入模块和第二主机接入模块；
所述步骤S2中，处理器内部划分A存储区、B存储区两个存储区。
进一步，处理器将所述A存储区划分为A接收缓冲区、A发送缓冲区，处理器时刻监控第一主机接入模块，一旦接收到主机1发来的数据，立即存入A接收缓存区，同时监控A发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机1；
B存储区划分为B接收缓冲区、B发送缓冲区，处理器时刻监控第二主机接入模块，一旦接收到主机2发来的数据，立即存入B接收缓存区，同时监控B发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机2。
进一步，所述步骤S3和S4中，处理器时刻监控A接收缓冲区，B接收缓冲区，如果A接收缓冲区内有数据，立即将A缓冲区数据从处理器接口发出到从机接入模块的从机总线上，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么处理器继续监控B接收缓冲区和A接收缓冲区，但是此时先监控B接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入A发送缓冲区，然后再监控B接收缓冲区和A接收缓冲区；
如果B接收缓冲区内有数据，立即将B缓冲区数据从接口发出到从机总线，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么处理器继续监控A接收缓冲区和B接收缓冲区，但是此时先监控A接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入B发送缓冲区，然后再监控A接收缓冲区和B接收缓冲区。
本发明的有益效果在于：
本发明在原单主485网络上扩展1路主机接口，共具有3个RS485接口，每个口都采用电源隔离和信号隔离，带有TVS,自恢复保险丝。结合软件算法，实现了单主多从2线制485网络中不能实现多主机同时采集的问题，使数据可以被另外的设备采集，而不需要对原有程序进行变更，不需要做任何替换。将大幅减少升级成本和减少升级时间，减少升级风险。
本发明通过缓存协调机制，当两主机同时通信时，另一路主机的数据被缓存，待总线空闲时，再通信另一路，完全解决了单主多从协议上多主机的通信故障问题，避免了数据碰撞，且合理利用了处理器内存资源和逻辑单元资源，具有通信可靠，效率高的有益效果。
附图说明
图1是本发明基于单主多从协议实现多主机的装置模块化原理示意图；
图2是本发明电源输入模块的电路原理图；
图3是本发明看门狗模块的电路原理图；
图4是本发明隔离电源模块的电路原理图；
图5是本发明显示模块的电路原理图；
图6是本发明第一主机接入模块的电路原理图；
图7是本发明第一主机接入模块的电路原理图；
图8是本发明从机接入模块的电路原理图；
图9是本发明处理器模块的电路原理图。
图10是本发明基于单主多从协议实现多主机的方法模块化原理示意图；
图11是本发明的A功能块逻辑原理图；
图12是本发明的B功能块逻辑原理图；
图13是本发明的C功能块逻辑原理图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种基于单主多从协议实现多主机的装置，如图1所示，包括：处理器模块、至少两个主机接入模块、至少一个从机接入模块；
所述主机接入模块和从机接入模块分别连接所述处理器模块，用于实现主机和处理器模块、从机和处理器模块之间的通信。本发明在原单主通信网络上扩展1路主机接口，共具有3个通信接口，为多主机通信提供了硬件基础。
进一步，如图9所示，所述处理器模块包括型号为STC15W的处理器及其最小系统。STC15W支持外部RAM扩展，方便了各主机和从机之间的通信数据寄存。
进一步，如图6-8所示，所述主机接入模块、从机接入模块采用型号为ADM2483的磁隔离RS485收发器，用于给3个RS485收发器供给相互不相关的电源。隔断电的联系，防止相互间的干扰。本发明的三个RS485收发器每个口都采用电源隔离和信号隔离，带有TVS,自恢复保险丝。
进一步，如图2和图5所示，还包括：
电源输入模块，采用型号为XL1509的线性稳压器，将输入电源降压至所述处理器的工作电压；电源从xs6的1,2脚接入，电压范围DC9-30V。通过DC/DC芯片降压到5V，供内部芯片使用。D1二极管防止直流电源的反接，DZ1过压保护，将电压限制在DC30V附近。本发明支持DC9-DC30V供电，具有过压保护。
显示模块，用于主机和处理器、从机和处理器的通信状态显示以及处理器运行状态的显示。3只双色LED灯，LED1，LED2，LED3用于显示3个RS485收发器的通信状态，LED4用于显示处理器的工作状态，处理器工作正常时，此灯会每隔500ms切换亮灭状态。
进一步，如图3所示，还包括看门狗模块，看门狗模块包括型号为SGM706的多功能微处理器监控电路，及型号为MT9700的功率开关电路，用于防止不明原因导致的装置死机。看门狗芯片U11一直监测单片机发出的交替信号，如果持续1.6秒状态不反转，则通过S1切断单片机的电源后再恢复，从而保证单片机可靠工作。
作为本发明的一种优选的实施方案，基于上述内容，如图4所示，还包括隔离电源模块，隔离电源模块采用型号为B0505S的电源模块，并连接所述功率开关电路，用于给各个主机接入模块、从机接入模块供给相互不相关的电源，隔断电的联系，防止相互间的干扰。
一种基于单主多从协议实现多主机的方法，使用了上述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其包括以下步骤：
S1：处理器时刻监控各个主机发来的数据，并只存储1个通信帧的数据；
S2：处理器将以所述步骤S1中，来自不同主机的数据存储于不同的存储区，且不相互重叠；
S3：处理器检测这各个存储区是否有新的数据，如果有并且从机总线空闲，则发送此存储区的数据到从机总线；
S4：发送完毕后，开始等待从机总线的响应信息，如果在预设的时间内收到数据，则立即将接收到的数据发送到该存储区对应的主机处，如果没有接收到数据那么处理器继续监控存储区。通过以上的缓存协调机制，当两主机同时通信时，另一路主机的数据被缓存，待总线空闲时，再通信另一路，完全解决了单主多从协议上多主机的通信故障问题，避免了数据碰撞。
作为本发明的一种实施例，所述步骤S1中，有主机1和主机2两个主机接入处理器，对应存在第一主机接入模块和第二主机接入模块；步骤S1中：处理器时刻监控主机1发来的数据，并只存储1个通信帧的数据，依靠3.5T时间来判断帧尾。同时时刻监控主机2发来的数据，并只存储1个通信帧的数据，依靠3.5T时间来判断帧尾。
为了清楚的表明本发明基于单主多从协议实现多主机的方法，如图10所示，按照模块化程序编程方法，以下将处理器内程序划分为A功能块、B功能块、C功能块三个功能块。所述A功能块1用以接收主机1发来的通信报文并放入A接收缓存，将A发送缓存区的报文发送回主机1。所述B功能块2用以接收主机2发来的通信报文并放入接收缓存，将B发送缓存区的报文发送回主机2。所述C功能块用以将A接收缓存和B接收缓存发送到从机总线，将总线响应的报文区分放入A发送缓存和B发送缓存。本发明可实现多线程工作，合理利用了处理器内存资源和逻辑单元资源，具有通信可靠，效率高的有益效果。
所述步骤S2中，处理器内部RAM中，划分A存储区、B存储区两个存储区。
进一步，如图11所示，处理器将所述A存储区划分为A接收缓冲区、A发送缓冲区，A功能块时刻监控第一主机接入模块，一旦接收到主机1发来的数据，立即存入A接收缓存区，同时监控A发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机1；
如图12所示，B存储区划分为B接收缓冲区、B发送缓冲区，B功能块时刻监控第二主机接入模块，一旦接收到主机2发来的数据，立即存入B接收缓存区，同时监控B发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机2。
进一步，如图13所示，所述步骤S3和S4中，C功能块时刻监控A接收缓冲区，B接收缓冲区，如果A接收缓冲区内有数据，立即将A缓冲区数据从处理器接口发出到从机接入模块的从机总线上，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么C功能块继续监控B接收缓冲区和A接收缓冲区，但是此时先监控B接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入A发送缓冲区，然后再监控B接收缓冲区和A接收缓冲区；
如果B接收缓冲区内有数据，立即将B缓冲区数据从接口发出到从机总线，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么C功能块继续监控A接收缓冲区和B接收缓冲区，但是此时先监控A接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入B发送缓冲区，然后再监控A接收缓冲区和B接收缓冲区。
而本方法引入缓存协调机制，将完全避免此种情形。当两主机同时通信时，另一路主机的数据被缓存，待总线空闲时，再通信另一路。完全解决了单主多从协议上多主机的通信故障问题。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，包括：处理器模块、至少两个主机接入模块、至少一个从机接入模块；
所述主机接入模块和从机接入模块分别连接所述处理器模块，用于实现主机和处理器模块、从机和处理器模块之间的通信。
2.根据权利要求1所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，所述处理器模块包括型号为STC15W的处理器及其最小系统。
3.根据权利要求2所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，所述主机接入模块、从机接入模块采用型号为ADM2483的磁隔离RS485收发器。
4.根据权利要求3所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，还包括：
电源输入模块，采用型号为XL1509的线性稳压器，将输入电源降压至所述处理器的工作电压；
显示模块，用于主机和处理器、从机和处理器的通信状态显示以及处理器运行状态的显示。
5.根据权利要求4所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，还包括看门狗模块，看门狗模块包括型号为SGM706的多功能微处理器监控电路，及型号为MT9700的功率开关电路，用于防止不明原因导致的装置死机。
6.根据权利要求5所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，还包括隔离电源模块，隔离电源模块采用型号为B0505S的电源模块，并连接所述功率开关电路，用于给各个主机接入模块、从机接入模块供给相互不相关的电源，隔断电的联系，防止相互间的干扰。
7.一种基于单主多从协议实现多主机的方法，使用了如权利要求1所述的基于单主多从协议实现多主机的装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：处理器时刻监控各个主机发来的数据，并只存储1个通信帧的数据；
S2：处理器将以所述步骤S1中，来自不同主机的数据存储于不同的存储区，且不相互重叠；
S3：处理器检测这各个存储区是否有新的数据，如果有并且从机总线空闲，则发送此存储区的数据到从机总线；
S4：发送完毕后，开始等待从机总线的响应信息，如果在预设的时间内收到数据，则立即将接收到的数据发送到该存储区对应的主机处，如果没有接收到数据那么处理器继续监控存储区。
8.根据权利要求7所述的一种基于单主多从协议实现多主机的方法，其特征在于：
所述步骤S1中，有主机1和主机2两个主机接入处理器，对应存在第一主机接入模块和第二主机接入模块；
所述步骤S2中，处理器内部划分A存储区、B存储区两个存储区。
9.根据权利要求8所述的一种基于单主多从协议实现多主机的方法，其特征在于：
处理器将所述A存储区划分为A接收缓冲区、A发送缓冲区，处理器时刻监控第一主机接入模块，一旦接收到主机1发来的数据，立即存入A接收缓存区，同时监控A发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机1；
B存储区划分为B接收缓冲区、B发送缓冲区，处理器时刻监控第二主机接入模块，一旦接收到主机2发来的数据，立即存入B接收缓存区，同时监控B发送缓存区是否有数据，如果有立即发送回主机2。
10.根据权利要求9所述的一种基于单主多从协议实现多主机的方法，其特征在于，
所述步骤S3和S4中，处理器时刻监控A接收缓冲区，B接收缓冲区，如果A接收缓冲区内有数据，立即将A缓冲区数据从处理器接口发出到从机接入模块的从机总线上，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么处理器继续监控B接收缓冲区和A接收缓冲区，但是此时先监控B接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入A发送缓冲区，然后再监控B接收缓冲区和A接收缓冲区；
如果B接收缓冲区内有数据，立即将B缓冲区数据从接口发出到从机总线，并开始等待从机总线的响应，如果从机总线不能响应，那么处理器继续监控A接收缓冲区和B接收缓冲区，但是此时先监控A接收缓冲区，如果从机总线响应了数据，那么处理器先将接收到的数据存入B发送缓冲区，然后再监控A接收缓冲区和B接收缓冲区。
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