CN110891007B - 一种双冗余高速总线的激光设备通信系统 - Google Patents

一种双冗余高速总线的激光设备通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，涉及设备通信配置领域，该系统包括总线冗余系统和以太网冗余系统，所述总线冗余系统包括2条CAN总线，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均与2条CAN总线相连，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统在进行数据收发时，向每条CAN总线均进行收发数据操作；所述以太网冗余系统包括2个以太网，所述激光设备的每个子系统均与2个以太网相连，所述激光设备的每个子系统在进行数据发送时，向每个以太网均进行收发数据操作。本发明能够加强各分系统间数据交互过程中可靠性与安全性的需求，有效满足激光设备对通信设备的要求。

Description

一种双冗余高速总线的激光设备通信系统
技术领域
本发明涉及设备通信配置领域，具体涉及一种双冗余高速总线的激光设备通信系统。
背景技术
激光设备具备快速灵活、精确打击和抗电磁干扰等优越性，激光设备作为定向性瞄准设备，在使用时需要做到准确识别、快速捕捉，这就需要大量实时安全可靠的图像、数据等信息驱动，从而对激光设备通信系统提出了相当高的要求。目前，在激光设备通信系统的工程实践中常用的总线技术主要包括：RS485/422总线技术、CAN(Controller AreaNetwork，控制器局域网络)总线技术、以太网总线技术、1553B等。
RS485/422总线是为了解决RS232串口通信距离短、只能支持点对点通信等缺点而产生的，RS485/422总线接口规范之规定了物理层的接口电气特性：两线、半双工、多点通信的标准，没有规定任何通信协议。基于RS485/422网络通信协议可以是自己定义的，最主要是支持一主多从通信结构，支持点对多点通信，广泛应用于控制领域。RS485/422优缺点主要有：总线最大可以支持10Mbps传输速率(传输距离12m)，最大通信距离为1200m(110Kbps通信速率)，接口芯片便宜，支持厂家众多，实现简单方便，布线简单，支持点对多点通信模式。但是由于其采用主机轮询，下位机应答的通信方式来解决数据冲突问题，相对来说，实时性不强，总线利用率较低，特别是当整个网络通信节点众多的情况下，实时性问题难以得到保障。某个节点出现错误，有可能导致整个网络通信瘫痪。采用差分平衡电路传输，具备将强的抗干扰能力，但是在外界具有强烈干扰的情况下，也是会出现较大的通信失败的几率。RS485/422总线一般在通信数据量不大，实时性要求不是十分严格，各个节点权限平等的系统中使用。
CAN总线又称控制局域网，由于该总线技术在实时性、可靠性和灵活性上具有较好的技术优势而得到了广泛的应用。CAN总线节点部分主从，通信方式灵活，各个节点信息分为不同的优先级来仲裁总线解决数据冲突问题，优先级最高的节点至少可以在134微秒内得到传输，采用非破坏性总线仲裁技术，可以在网络负载较重的情况下也不会崩溃，所以CAN总线的实时性非常好。CAN总线采用短帧结构，使得其传输时间短，受干扰概率低，自带校验检错功能，使得其可靠性有相当的保证。CAN总线能够在节点错误严重的情况下自动关闭，保证不影响整个总线的正常运行。CAN总线的优缺点主要有：CAN总线不分主从，采用优先级方式仲裁总线，CAN总线传输速率与传输距离成反比，传输速率最高可达1Mbps(通信距离小于40m)，传输距离最远可达10km(通信速率为5Kbps)，其在100kbps的通信速率下其通信距离为600m左右。CAN总线在处理突发数据多单数据量不大且实时性可靠性要求高的系统中受到广泛的应用。
以太网总线技术采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with/Collision Detecti，载波侦听多路访问/冲突检测)机制解决数据冲突问题，在网络节点较多、网络负载较重的情况下，其实时性难以得到保证。随着快速以太网技术的发展，以太网的带宽不断增加，从原先的10M至100M到现在开始普及的千兆以太网，网络交换机的出现和光纤技术在以太网技术中的普及，使得以太网技术的应用越来越普及。以太网技术的优缺点有：以太网具有带宽大，数据通信容量大的优点，能够与互联网进行无缝对接，直接与现有的办公软件以及相关的网络软件直接通信而无需做任何转换，使得现场监控数据能够远程光传输并与信息管理层直接通信，但是以太网技术在数据实时性和可靠性上与现场总线仍然有一定的差距，并且在现场布线以及设备成本上还是远高于现场总线的相关成本。
MIL-STD-1553B总线是美国空军电子子系统联网的标准总线，是一种中央集权式的串行总线。该总线采用指令应答方式实现系统通讯，采用冗余通道和奇校验以及相应的错误处理来提高系统通讯的可靠性。由于53B总线具有极高的可靠性，从而在航空、航天、军事等领域的电子联网系统中得到广泛应用。1553B总线的优缺点有：1553B总线具有较好的实时性，其通过合理的差错控制措施和特有的方式命令，具有较高的可靠性，但1553B总线价格高昂，限制了它在部分领域的普遍性应用。
根据上述几种常见的总线技术特点不难看出，单一的总线技术无法满足激光设备对通信总线的要求，因此设计一种高时效性、高可靠性、大带宽的、低成本的通信总线在激光设备系统中就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，能够加强各分系统间数据交互过程中可靠性与安全性的需求，有效满足激光设备对通信设备的要求。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是，包括：
总线冗余系统，所述总线冗余系统包括2条CAN总线，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均与2条CAN总线相连，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统在进行数据收发时，向每条CAN总线均进行收发数据操作；
以太网冗余系统，所述以太网冗余系统包括2个以太网，所述激光设备的每个子系统均与2个以太网相连，所述激光设备的每个子系统在进行数据发送时，向每个以太网均进行收发数据操作；
其中，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均分配同一条CAN总线作为默认CAN总线，当从默认CAN总线中接收的数据异常时，则对另一条CAN总线接收的数据进行处理，所述激光设备的每个子系统均分配同一个以太网作为默认以太网，当从默认以太网线中接收的数据异常时，则对另一个以太网接收的数据进行处理。
在上述技术方案的基础上，所述激光设备的每个子系统均包括2个数据收发控制模块，所述数据收发控制模块用于向以太网中收发数据，每个数据传输高实时性要求的子系统中的数据收发控制模块还用于向CAN总线中收发数据。
在上述技术方案的基础上，
所述总线冗余系统的2条CAN总线分别为第一CAN总线和第二CAN总线，其中，第一CAN总线为默认CAN总线；
所述激光设备的每个子系统上的2个数据收发控制模块分别为第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块，每个数据传输高实时性要求的子系统的第一数据收发控制模块均连接第一CAN总线，第二数据收发控制模块均连接第二CAN总线；
在上述技术方案的基础上，对于数据传输高实时性要求的子系统，单个子系统在从CAN总线中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。
在上述技术方案的基础上，
所述以太网冗余系统的2个以太网分别为第一以太网和第二以太网；
所述激光设备每个子系统的第一数据收发控制模块均连接第一以太网，第二数据收发控制模块均连接第二以太网。
在上述技术方案的基础上，对于激光设备的子系统，单个子系统在从以太网中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。
在上述技术方案的基础上，
所述激光设备的子系统包括综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统；
所述综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统和雷达系统为数据传输高实时性要求的子系统。
在上述技术方案的基础上，
所述瞄准跟踪系统用于采集目标的图像信息；
所述激光器系统用于采集激光器舱内的图像信息；
所述雷达系统用于采集目标的空间方位信息；
所述供冷系统用于对激光器进行冷却；
所述辅助系统用于辅助完成激光设备的出光准备条件；
所述综合控制系统用于向瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统下发控制指令。
在上述技术方案的基础上，所述综合控制系统还用于对瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统的自身状态进行采集。
在上述技术方案的基础上，每个以太网中均设有网络交换机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：CAN总线和以太网均采用冗余设计，激光设备的子系统在CAN总线和以太网中均进行数据的收发操作，子系统在进行数据接收操作时，若1条CAN总线或1个以太网出现错误，导致传输的数据异常，但子系统在进行数据发送操作时向2条CAN总线或2个以太网中均有发送数据，此时子系统可以对从另1条CAN总线或另1个以太网中接收的数据进行处理，通过CAN总线与以太网进行数据的交互，并且通过设计双冗余通信的方式，通过检查接收数据是否异常，来决定是否切换数据接收通道，加强了各分系统间数据交互过程中可靠性与安全性的需求，有效满足激光设备对通信设备的要求。
附图说明
图1为本发明实施例中一种双冗余高速总线的激光设备通信系统的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，采用双冗余设计，能够有效满足激光设备对通信总线的高时效性、高可靠性、大带宽和低成本的要求，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，包括总线冗余系统和以太网冗余系统，总线冗余系统包括2条CAN总线，激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均与2条CAN总线相连，激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统在进行数据收发时，向每条CAN总线均进行收发数据操作。以太网冗余系统包括2个以太网，激光设备的每个子系统均与2个以太网相连，激光设备的每个子系统在进行数据发送时，向每个以太网均进行收发数据操作。每个以太网中均设有网络交换机。进一步的，以太网可以采用千兆以太网。
本发明实施例中的激光设备的子系统包括综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统，综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统和雷达系统为数据传输高实时性要求的子系统。瞄准跟踪系统用于采集目标的图像信息；激光器系统用于采集激光器舱内的图像信息；雷达系统用于采集目标的空间方位信息；供冷系统用于对激光器进行冷却；辅助系统用于辅助完成激光设备的出光准备条件；综合控制系统用于向瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统下发控制指令。综合控制系统还用于对瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统的自身状态进行采集。
具体的，本发明实施例中，综合控制系统与瞄准跟踪系统之间传输的数据主要包括：综合控制系统对瞄准跟踪系统下发的指令、瞄准跟踪系统的状态信息以及瞄准跟踪系统探测的目标图像信息。由于瞄准跟踪系统需要实时对目标进行跟踪瞄准，因此综合控制系统对瞄准跟踪系统下发的控制指令需要能够快速响应，属于高实时性信息，采用CAN总线进行传输，瞄准跟踪系统的状态关系着激光炮能否正常出光，采用CAN总线进行传输，瞄准跟踪系统探测的目标图像信息属于大容量数据，采用以太网进行传输。综合控制系统与激光器系统之间传输的数据主要包括：综合控制系统对激光器系统下发的控制指令、激光器系统的状态信息以及监控摄像头对激光器舱内监视的图像信息。其中，激光器需要对综合控制系统下发的控制指令进行快速响应，属于高实时性信息，采用CAN总线进行传输；激光器系统的状态反应了激光器是否能够正常出光，具有高实时性，采用CAN总线进行传输；激光器舱内监视的图像信息属于大容量数据并且是用于进行存储，采用以太网进行传输。
综合控制系统与供冷系统之间传输的数据主要包括：综合控制系统对供冷系统的下发的控制指令以及供冷系统的状态信息。供冷系统需在激光炮工作之前开启，因此供冷系统收到的控制指令属于非实时性信息，采用以太网进行传输；供冷系统的状态信息实时性要求也不高，采用以太网进行传输。综合控制系统与雷达系统之间传输的数据主要包括：综合控制系统对雷达系统下发的控制指令、雷达系统的状态信息以及雷达系统获取的目标的空间方位信息。其中，雷达收到的控制指令为展开与撤收，对实时性要求不高，采用以太网进行传输；雷达系统的状态信息对实时性要求不高，采用以太网进行传输；雷达系统获取的目标空间方位信息指引瞄准跟踪系统对目标进行跟踪，是高实时性数据，采用CAN总线进行传输。综合控制系统与辅助系统之间传输的数据主要包括：综合控制系统对辅助系统下发的控制指令和辅助系统的状态信息，辅助系统是在激光炮出光之前完成自身工作，以满足激光炮的出光条件，因此综合控制系统对其下发的控制指令不需要较高的实时性，采用以太网的方式进行传输；辅助系统的状态信息也通过以太网的方式进行传输。
激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均分配同一条CAN总线作为默认CAN总线，当从默认CAN总线中接收的数据异常时，则对另一条CAN总线接收的数据进行处理，所述激光设备的每个子系统均分配同一个以太网作为默认以太网，当从默认以太网线中接收的数据异常时，则对另一个以太网接收的数据进行处理，当然，当从默认CAN总线中接收的数据为正常时，则直接对从CAN总线中接收的数据进行处理，当从默认以太网线中接收的数据为正常时，则直接对从太网线中接收的数据进行处理。例如对于瞄准跟踪系统，其发出的自身状态信息，发送至2条CAN总线中进行传输，其它用于接收瞄准跟踪系统状态信息的子系统能够从2条CAN总线中都收到瞄准跟踪系统的状态信息，当总线冗余系统的1条CAN总线出问题导致数据传输错误后，当前子系统还能从另一条CAN总线接收到瞄准跟踪系统的状态信息数据并处理，保证每个子系统能够稳定接收其它子系统所发送的数据，避免数据遗失。瞄准跟踪系统所发出的目标图像信息，发送至2个以太网中进行传输，其它用于接收目标图像信息的子系统能够从2个以太网中都收到瞄准跟踪系统的状态信息，当总线冗余系统的1个以太网出问题导致数据传输错误后，当前子系统还能从另一个以太网接收到目标图像信息数据并处理。
进一步的，激光设备的每个子系统均包括2个数据收发控制模块，所述数据收发控制模块用于向以太网中收发数据，每个数据传输高实时性要求的子系统中的数据收发控制模块还用于向CAN总线中收发数据。总线冗余系统的2条CAN总线分别为第一CAN总线和第二CAN总线，其中，第一CAN总线为默认CAN总线。激光设备的每个子系统上的2个数据收发控制模块分别为第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块，每个数据传输高实时性要求的子系统的第一数据收发控制模块均连接第一CAN总线，第二数据收发控制模块均连接第二CAN总线。对于数据传输高实时性要求的子系统，单个子系统在从CAN总线中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理，对于每个数据传输高实时性要求的子系统，在接受数据时，均按照此种方式进行处理，保证子系统总能接收到正确的数据并进行处理。
以太网冗余系统的2个以太网分别为第一以太网和第二以太网；激光设备每个子系统的第一数据收发控制模块均连接第一以太网，第二数据收发控制模块均连接第二以太网。对于激光设备的子系统，单个子系统在从以太网中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。例如，对于综合控制系统，综合控制系统的第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。
本发明实施例的双冗余高速总线的激光设备通信系统，CAN总线和以太网均采用冗余设计，激光设备的子系统在CAN总线和以太网中均进行数据的收发操作，子系统在进行数据接收操作时，若1条CAN总线或1个以太网出现错误，导致传输的数据异常，但子系统在进行数据发送操作时向2条CAN总线或2个以太网中均有发送数据，此时子系统可以对从另1条CAN总线或另1个以太网中接收的数据进行处理，通过CAN总线与以太网进行数据的交互，并且通过设计双冗余通信的方式，通过检查接收数据是否异常，来决定是否切换数据接收通道，加强了各分系统间数据交互过程中可靠性与安全性的需求，有效满足激光设备对通信设备的要求。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于，包括：
总线冗余系统，所述总线冗余系统包括2条CAN总线，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均与2条CAN总线相连，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统在进行数据收发时，向每条CAN总线均进行收发数据操作；
以太网冗余系统，所述以太网冗余系统包括2个以太网，所述激光设备的每个子系统均与2个以太网相连，所述激光设备的每个子系统在进行数据发送时，向每个以太网均进行收发数据操作；
其中，所述激光设备的每个数据传输高实时性要求的子系统均分配同一条CAN总线作为默认CAN总线，当从默认CAN总线中接收的数据异常时，则对另一条CAN总线接收的数据进行处理，所述激光设备的每个子系统均分配同一个以太网作为默认以太网，当从默认以太网线中接收的数据异常时，则对另一个以太网接收的数据进行处理；
其中，所述激光设备的子系统包括综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统；所述综合控制系统、瞄准跟踪系统、激光器系统和雷达系统为数据传输高实时性要求的子系统，每个以太网中均设有网络交换机。
2.如权利要求1所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：所述激光设备的每个子系统均包括2个数据收发控制模块，所述数据收发控制模块用于向以太网中收发数据，每个数据传输高实时性要求的子系统中的数据收发控制模块还用于向CAN总线中收发数据。
3.如权利要求2所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：
所述总线冗余系统的2条CAN总线分别为第一CAN总线和第二CAN总线，其中，第一CAN总线为默认CAN总线；
所述激光设备的每个子系统上的2个数据收发控制模块分别为第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块，每个数据传输高实时性要求的子系统的第一数据收发控制模块均连接第一CAN总线，第二数据收发控制模块均连接第二CAN总线。
4.如权利要求3所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：对于数据传输高实时性要求的子系统，单个子系统在从CAN总线中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。
5.如权利要求2所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：
所述以太网冗余系统的2个以太网分别为第一以太网和第二以太网；
所述激光设备每个子系统的第一数据收发控制模块均连接第一以太网，第二数据收发控制模块均连接第二以太网。
6.如权利要求5所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：对于激光设备的子系统，单个子系统在从以太网中数据接收时，第一数据收发控制模块和第二数据收发控制模块接收数据后，对第一数据收发控制模块接收的数据进行检查，若检查结果为数据正常，则对第一数据收发控制模块接收的数据进行处理，若检查结果为数据异常，则对第二数据收发控制模块接收的数据进行处理。
7.如权利要求1所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：
所述瞄准跟踪系统用于采集目标的图像信息；
所述激光器系统用于采集激光器舱内的图像信息；
所述雷达系统用于采集目标的空间方位信息；
所述供冷系统用于对激光器进行冷却；
所述辅助系统用于辅助完成激光设备的出光准备条件；
所述综合控制系统用于向瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统下发控制指令。
8.如权利要求7所述的一种双冗余高速总线的激光设备通信系统，其特征在于：所述综合控制系统还用于对瞄准跟踪系统、激光器系统、雷达系统、供冷系统和辅助系统的自身状态进行采集。
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