CN112333067B - 一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通讯技术领域，公开了一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，包括：一个人机交互界面，一个集中式控制和通讯协调的主控制器，一个或一个以上的子控制器，一个信道选择器；高速SPI通讯和低速UART通讯相配合的高低速通讯系统，主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制传递系统状态信息。人机交互界面、主控制器以子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯，应用于监控多控制器系统，收集汇总所有控制器的状态信息，控制器的状态信息主要包括启停信号、故障状态、输出数据；本发明满足了系统通讯的实时性，实现并联运行系统的同步；满足人机交互和控制器之间的数据共享；提升了通讯系统的抗干扰能力。

Description

一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，尤其涉及并联运行多控制器系统的通讯系统及方法。

背景技术

目前，并联运行系统在石油、电力等行业获得广泛使用。单独使用一个控制器往往由于工艺或计算能力的不足等原因满足不了系统的控制要求，这时需要多个控制器进行并联运行。在这样一个系统中，一般包括人机交互界面、一个主控制器和多个子控制器。人机交互界面提供人机交互，负责将各类控制指令、数据下传，同时监控主控制器和子控制器运行状态。主控制器负责整个系统的控制，并实时快速将来自人机交互界面和自身的外部控制信号和运算处理后的数据传递到子控制器。子控制器实时响应控制信号，对接收到的运算数据和自身的数据进行二次运算处理。与此同时，并联运行系统通常需要一个同步信号来协助系统的同步运行。

传统的工业系统采用n套控制设备直接并联独自运行，控制设备拥有各自的人机交互界面，同时各个控制设备之间无通讯，这种控制方式简单粗暴，与控制设备单独运行并无差异。这种不基于通讯的并联运行系统，各个控制设备完全独立，也就无法做到统一控制，控制设备也无法做到同步运行；特别是当某一控制设备发生故障时，其他控制设备只能按照预设方案运行，无法进行动态调整。此外，对于多个控制设备的系统，如何实现各个控制设备的实时同步运行也是工业控制领域的一个难点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法。

本发明是这样实现的，一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，所述并联运行多控制器系统的通讯系统及方法包括：一个人机交互界面，一个集中式控制和通讯协调的主控制器，一个或一个以上的子控制器，一个信道选择器；高速SPI通讯和低速UART通讯相配合的高低速通讯系统。

主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制传递系统系统状态信息；

人机交互界面、主控制器以及一子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯。

进一步，所述一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，所述并联运行多控制器系统的通讯系统及方法将数据集进行定义及划分：

人机交互界面和主控制器数据集保持一致，数据集定义如下：

数据块0，系统的状态信息，系统的状态信息包括子控制的状态信息、来自人机交互界面和主控制的逻辑控制信息、主控制的运算数据。

数据块1，主控制私有数据，由主控制的状态信息、参数和监测量组成；

数据块2，控制设备1的私有数据，由子控制1的状态信息、参数和监测量组成；

数据块n+1，控制设备n的私有数据，由控制设备n的状态信息、参数和监测量组成；

子控制数据集定义如下：

私有数据块0，公共数据块，主要包含系统的状态信息，与人机交互界面和主控制器数据块0保存一致。

私有数据块1，子控制的私有数据，由子控制的状态信息、参数和监测量组成；

进一步，所述一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法的高速SPI通讯机制：SPI通信速率为10Mbit/s，发送周期Ts为200us；主控制器以广播通讯方式，定时向子控制器发布系统状态信息数据帧；发送周期到来，主控制器整合系统状态信息，封装数据帧，以广播方式，通过SPI端口将数据帧发送到所有子控制器；子控制器以中断的方式接收主控制器的数据，同时主控制器的SPI通讯的数据信号作为所有控制器的运行同步信号，使系统同步运行。

进一步，所述一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法的低速UART通讯机制人机交互界面读系统数据表的实现：人机交互界面和主控制器组成主从通讯系统，人机交互界面为主机端；主控制器负责将所有子控制数据整合到住控制器的数据表中，人机交互界面读主控制器和子控制器数据时，只需要读取主主控制器数据集即可；当数据轮询周期到来，按Modbus RTU协议0x03功能码轮询读取数据表数据；具体包括：

开始读取数据块0数据；

下一周期读数据块1数据；

下一周期读数据块2数据；

下一周期读数据块n+2数据；

重新开始取数据块0数据；

所述低速UART通讯机制上位机写系统数据的实现：

当人机交互需要改写数据时，系统按Modbus RTU协议0x06功能码改写数据表数据数据；

系统控制器的ID只起标识作用，主控制器根据上位机参数地址addr来选择子控制器或主控制器进行通讯：

ID_R＝addr>>12；

如果ID_R＝1，选主控制器，主控制器根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，完成本次通讯；

如果ID_R＝2，选子控制器1，主控制器转发上位机数据到子控制器1，子控制器1根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制器0的应答数据到上位机，完成本次通讯；

如果ID_R＝3，选子控制器2，主控制器转发上位机数据到主控制2，子控制器2根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制器1的应答数据到上位机，完成本次通讯；

如果addr＝n+1，选子控制器n，主控制器转发上位机数据到子控制器n，子控制器n根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制而n的应答数据到上位机，完成本次通讯；

本发明的另一目的在于提供所述并联运行多控制器系统的通讯系统及方法通讯程序执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制系统传递数据；

人机交互界面、主控制器以及一子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯。

本发明的另一目的在于提供主控制器拥有1个高速SPI通讯端口，2个低速UART通讯端口；子控制器拥有一个高速SPI通讯端口和一个低速UART通讯端口，子控制器的SPI通讯端口通过信号总线主控制器，子控制器的UART通讯端口的接收端口通过信号总线主控制器，子控制器的UART通讯端口的发送端口连接的信道选择器，通过信道选择器连接到主控制器；

通讯系统的高速SPI通讯和低速UART通讯都是基于不同通讯周期同时进行的，控制器通过接收中断处理通讯请求。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明包括：一个人机交互界面，一个集中式控制和通讯协调的主控制器，一个或一个以上的子控制器，一个信道选择器；高速SPI通讯和低速UART通讯相配合的高低速通讯系统，主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制传递系统状态信息，系统的状态信息主要包括子控制的状态信息、人机交互界面和主控制的逻辑控制信息、主控制的运算数据。人机交互界面、主控制器以子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯，应用于监控多控制器系统，收集汇总所有控制器的状态信息，控制器的状态信息主要包括启停信号、故障状态、输出数据；本发明利用SPI端口和UART端口实现高速和低速通讯，高速通讯应用于系统控制，满足了系统通讯的实时性，同时利用SPI的通讯数据作同步信号实现并联运行系统的同步；低速通讯应用于系统监控和数据汇总，满足人机交互和控制器之间的数据共享；为了提升通讯系统的抗干扰能力，通讯系统的的信号传输采样光纤传输。

本发明利用SPI端口和UART端口实现高速和低速通讯；高速通讯实现系统状态信息共享，满足系统控制的实时性，子控制器可以根据系统状态信息动态调整控制输出。低速通讯实现了系统状态监控，满足人机交互；同时利用周期性SPI的通讯数据作同步信号实现并联运行系统的同步；数据集按数据块设计的满足了多机通讯高效性；利用数据的地址信息来隐藏控制器实际ID，加强了系统数据的保密性；该方法做到了兼顾高速和低速的实时高效并联运行多控制器系统的通讯系统的通讯，并且不需要对系统增加额外硬件设施，通讯协议采用或基于成熟的MODBUS RTU协议，节省了软件实现的开销。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的多控制器运行系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统结构示意图。

图3是本发明实施例提供并联运行多控制器系统的通讯系统及方法示意图。

图4是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统的通讯系统及方法流程图。

图5是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统的通讯系统及方法高速SPI通讯流程图。

图6是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统的通讯系统及方法的并联运行多控制器系统同步信号产生机制图。

图7是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统的通讯系统及方法的子控制器UART通道选择流程图。

图8是本发明实施例提供的并联运行多控制器系统的通讯系统及方法的低速UART通讯流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多控制器并联运行通信控制方法、系统、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图2所示，本发明提供的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法包括：人机交互界面1、一个主控制器2、一个或一个以上子控制器3。

本发明提供的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，系统的通讯端口定义如图3所示。

主控制器12拥有1个高速SPI通讯端口，2个低速UART通讯端口；子控制器13拥有一个高速SPI通讯端口和一个低速UART通讯端口。信道选择器根据片选信号CS的值来选择对应的信道，CS的值由主控制器通讯数据地址来决定，CS＝addr>>12，如CS＝n+1，则选择子控制器n的通讯数据通道；

人机交互界面和主控制器通过串口进行通讯，人机交互界面、主控制器及子控制器组成链式通讯，高速SPI端口或者低速UART端口和子控制器进行通讯并联进行互不干扰，数据交互在主控制器内部完成。

如图4所示，本发明提供的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法包括以下步骤：

S101：主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制系统传递数据；

S102：上位机、主控制器以及一子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯。

本发明提供的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的多控制器并联运行通信控制方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如表1所示，本发明的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，为了满足系统要求，将数据集进行了详细定义。

人机交互界面和主控单元数据集保持一致，数据集定义及对应关系如下：

数据块0，系统的状态信息，系统的状态信息包括控制设备的状态信息、来自人机交互界面和控制单元的逻辑控制信息、控制单元的运算数据；

数据块1，主控单元的私有数据，由主控单元的状态信息、参数和监测量组成；

数据块2，控制设备1的私有数据，由控制设备1的状态信息、参数和监测量组成；

数据块n+1，控制设备n的私有数据，由控制设备n的状态信息、参数和监测量组成；

控制设备数据集定义如下：

私有数据块0，系统的状态信息，与系统数据保存一致。

私有数据块1，控制设备的私有数据，由控制设备的状态信息、参数和监测量组成；

表1系统数据集定义

如表2所示，本发明的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，为了满足系统要求，将数据集对应地址进行了详细定义。

本发明的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，在低速UART通讯应用中利用数据的地址信息来隐藏控制器实际ID，加强了系统数据的保密性，实际的ID_R＝addr>>12；控制器在同一时间只能选择一个字控制器进行通讯，片选信号CS＝addr>>12，信道选择器根据CS的值来选择对应子控制器，如CS＝n+1，则选择子控制器n进行通讯。

表2人机交互界面/主控制器数据集地址定义

本发明的一种并联运行多控制器系统的通讯系统及方法，其中高速数据帧的格式如表3所示。数据帧由帧头+系统状态信息+校验组成。由于高速数据是高频率实时发送的，所以从机接收到数据后不需返回数据。

表3

如图5所示，高速SPI通讯流程图：

①发送周期Ts到来，主控制器汇集系统状态信息并封装成发送数据帧；

②主控制器通过SPI端口向子控制器发送数据帧；

③子控制器接收完数据帧，对数据帧进行校验。

④子控制器根据校验结果进行相应处理。如校验失败，直接丢弃数据，维持自身上一个状态不变；校验成功，解读数据，并根据系统状态信息调整自身的控制与输出。

如图6所示，并联运行多控制器系统同步信号产生机制：

在并联运行多控制器系统中要求各控制器输出同步，本发明的实施中利用了高速SPI通讯发送数据中第一个接收字符作为同步信号，这个同步信号用来维持应用系统的同步运行，保持控制器输出一致。

如图7所示，子控制器UART通道选择流程图：

①人机交互界面向主控制发送改写数据请求；

②主控制器根据数据地址，重置片选信号CS的值，CS＝addr>>8；

③信道选择器根据CS的值选择对应子控制器将接收到的片选信号的值传递给通道选择器；

④通道选择器根据片选信号的值选择对应子控制器进行通讯。

如图8所示，低速UART通讯机制的流程图：

(1)人机交互界面与主控制器的通讯：

①人机交互界面向主控制器发送通讯请求；

②主控制器的串口0接收到人机交互界面的数据帧，通过MODBUS RTU协议判断人机交互界面通讯对象；

③如果通讯对象是主控制器本身，解读数据，封装应答数据帧，通过主控制器的串口0发送端口TX0将应答数据帧发送到人机交互界面；

以上3步就是人机交互界面与主控制器的通讯的全过程；

(2)人机交互界面与选定子控制器的通讯：

①人机交互界面向选定子控制器发送通讯请求；

②主控制器的串口0接收到人机交互界面的数据帧，通过MODBUS RTU协议判断人机交互界面通讯对象；

③如果通讯对象是子控制器，则将数据帧通过主机的串口1发送端口TX1发送到所有子控制器；

④对应子控制器接收来自主机的数据帧，解读数据，封装应答数据帧；

⑤子控制器将应答数据帧发送到主控制串口1；

⑥主控制串口1接收来自子控制器的数据帧，并通过主控制串口0将数据帧发送到人机交互界面。

⑦人机交互界面接收来自主机串口0的数据帧，解读数据。

以上7步就是人机交互界面、主控制、子控制器的链式通讯全部过程。

通过如图7所示的信道选择器的工作机制，可以人机交互界面实现与所有对应从机的通讯。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上结合具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些并非构成对发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可以作出许多变形和改进，本实例只采用了SPI端口和UART端口组成的一种并联运行系统的通讯机制，如果采用其它的高速和低速端口进行并联运行系统的通讯机制实现，这些也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种并联运行多控制器系统的通讯方法，其特征在于，所述并联运行多控制器系统包括：

一个人机交互界面，一个集中式控制和通讯协调的主控制器，一个或一个以上的子控制器，一个信道选择器；

主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制器传递系统状态信息；

人机交互界面、主控制器以及一子控制器机通过低速UART端口组成链式通讯；

所述多控制器并联运行通信控制方法的高速SPI通讯机制：SPI通信速率为10Mbit/s，发送周期Ts为200us；主控制器以广播通讯方式，定时向子控制器发布系统状态信息数据帧；发送周期到来，主控制器整合系统状态信息，封装数据帧，以广播方式，通过SPI端口将数据帧发送到所有子控制器；子控制器以中断的方式接收主控制器的数据，同时主控制器的SPI通讯的数据信号作为所有控制器的运行同步信号，使系统同步运行。

2.如权利要求1所述的一种并联运行多控制器系统的通讯方法，其特征在于，将数据集进行定义及划分：

人机交互界面和主控制器数据集保持一致，数据集定义如下：

数据块0，系统的状态信息，系统的状态信息包括子控制器的状态信息、来自人机交互界面和主控制器的逻辑控制信息、主控制器的运算数据；

数据块1，主控制器私有数据，由主控制器的状态信息、参数和监测量组成；

数据块2，子控制器1的私有数据，由子控制器1的状态信息、参数和监测量组成；

数据块n + 1，子控制器n的私有数据，由子控制器n的状态信息、参数和监测量组成；

子控制器数据集定义如下：

私有数据块0，公共数据块，包含系统的状态信息，与人机交互界面和主控制器数据块0保存一致；

私有数据块1，子控制器的私有数据，由子控制器的状态信息、参数和监测量组成。

3.如权利要求1所述的一种并联运行多控制器系统的通讯方法，其特征在于，所述人机交互界面和主控制器的数据集中包含系统所有数据块，子控制器数据集包含自身的私有数据块和公共数据块。

4.如权利要求2所述的一种并联运行多控制器系统的通讯方法，其特征在于，所述并联运行多控制器系统的通讯方法的低速UART通讯机制人机交互界面读系统数据集的实现：人机交互界面和主控制器组成主从通讯系统，人机交互界面为主机端；主控制器负责将所有子控制器数据整合到主控制器的数据集中，人机交互界面读主控制器和子控制器数据时，只需要读取主控制器数据集即可；当数据轮询周期到来，按Modbus RTU协议0x03功能码轮询读取数据集数据；具体包括：

开始读取数据块0数据；

下一周期读数据块1数据；

下一周期读数据块2数据；

…

下一周期读数据块n+1数据；

重新开始取数据块0数据；

所述低速UART通讯机制人机交互界面写系统数据的实现：

当人机交互需要改写数据时，系统按Modbus RTU协议0x06功能码改写数据表数据；

系统控制器的ID只起标识作用，主控制器根据人机交互界面参数地址addr来选择子控制器或主控制器进行通讯：

ID_R =addr>> 12；

如果ID_R = 1，选主控制器，主控制器根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，完成本次通讯；

如果ID_R = 2，选子控制器1，主控制器转发人机交互界面数据到子控制器1，子控制器1根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制器0的应答数据到人机交互界面，完成本次通讯；

如果ID_R = 3，选子控制器2，主控制器转发人机交互界面数据到子控制器2，子控制器2根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制器1的应答数据到人机交互界面，完成本次通讯；

如果ID_R = n + 1，选子控制器n，主控制器转发人机交互界面数据到子控制器n，子控制器n根据Modbus RTU协议改写自身数据，并返回应答数据，主控制器转发子控制器n的应答数据到人机交互界面，完成本次通讯。

5.一种并联运行多控制器系统的通讯系统，所述并联运行多控制器系统的通讯方法通讯程序执行时，使得处理器执行如下步骤：

主控制器通过高速SPI端口以广播通讯方式向所有子控制器系统传递数据；

上位机、主控制器以及一子控制器通过低速UART端口组成链式通讯；

所述多控制器并联运行通信控制方法的高速SPI通讯机制：SPI通信速率为10Mbit/s，发送周期Ts为200us；主控制器以广播通讯方式，定时向子控制器发布系统状态信息数据帧；发送周期到来，主控制器整合系统状态信息，封装数据帧，以广播方式，通过SPI端口将数据帧发送到所有子控制器；子控制器以中断的方式接收主控制器的数据，同时主控制器的SPI通讯的数据信号作为所有控制器的运行同步信号，使系统同步运行。

6.一种运行权利要求1~4任意一项所述一种并联运行多控制器系统的通讯方法的多控制器并联运行通信控制系统，其特征在于：

主控制器拥有1个高速SPI通讯端口，2个低速UART通讯端口；子控制器拥有一个高速SPI通讯端口和一个低速UART通讯端口，子控制器的SPI通讯端口连接信号总线主控制器，子控制器的UART通讯端口的接收端口连接信号总线主控制器，子控制器的UART通讯端口的发送端口连接的信道选择器，通过信道选择器连接到主控制器；

通讯系统的高速SPI通讯和低速UART通讯都是基于不同通讯周期同时进行的，控制器通过接收中断处理通讯请求。

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