CN112463705A - 一种串口双环网冗余通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串口双环网冗余通信方法，环网中第i个节点通信方法为：接收第i‑1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i+1个节点；接收第i+1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i‑1个节点；其中，0<i<＝n，n为环网节点数，n>2，所述环网中的节点包括处理器与串口收发器组，且所述环网中节点与节点之间采用异步通信模式；本发明的有益效果为应用于性能要求不高、低成本、物理通信接口数量少以及节点较多的任一通信场景中；支持各个节点之间采用不同标准，使得环网通信可以应用于更广泛的硬件平台上；在提高了环网通信可用性和健壮性的同时，降低了环网通信的设计复杂度，利于更可靠的方式部署到更广泛的、分布式的应用场景中。

Description

一种串口双环网冗余通信方法
技术领域
本发明涉及双环网冗余通信技术领域，尤其涉及一种串口双环网冗余通信方法。
背景技术
环形拓扑结构网络，即环网(Ring Network)，是一种使用一个连续的环将每台设备连接在一起的网络形式。目前在工业现场控制系统、芯片内运算单元互联系统、以太网网络系统等情形中都能见到环网结构的身影。
环网上每个节点都与两个相邻的节点相连，节点之间为点对点链路，但仅存在单向数据传输。环上传输的任何信息都必须穿过所有节点，如果其中任何一个节点断开，环上节点间通信便会中止。为了克服这种拓扑结构的脆弱问题，每个节点还会额外连接到另一个环上，组成双环网，如此当一个环路断开后，还有一个环路能继续工作。
环网相对于星型网络等拓扑形式，其网络结构简单，投资小，无需集线器或交换机这样的专用节点集中设备。由于环网对物理传输线路和协议限制很少，理论上只要每个节点至少具备双向、单工的传输端口，只要总体性能能满足需求，环网系统就能组建起来，为通信互联搭建带来了很高的灵活性，可通过替换物理链路形式组件适用于不同场景的环网通信系统。
但是在现有技术中的环网系统，大部分环网系统基于以太网建立，几乎没有基于普通串口建立的环网系统，对于性能要求不高、无以太网接口、物理通信接口数量受限、有较多节点需要信息互联的情形下，传统以太网环网方案无能为力，且环网形式的工业现场总线系统中，可能存在不同角色定位的节点(主控节点与受控节点，或持有令牌节点和未持有令牌节点)，则在某一时刻的数据通信总是仅能由一个节点发起，其它节点也仅在数据到达时才进行传递工作。从环网整体的数据流角度看，其类似于同步通信，适合同步性能要求比较高的场景。但存在不同角色定位节点的通信代码复杂度不同的情况，也不太适用于各节点角色定位相同、有分布式特性、同步性能要求不高的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串口双环网冗余通信方法，通过在环网中设置不同节点构成的网络，在环网中采用反向双环网的设计，并与节点之间的异步通信模式进行配合，将串口收发器作为传输接口，提供了通信冗余，提高了环网通信的可用性以及健壮性，降低了环网通信的设计复杂度。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明公开了一种串口双环网冗余通信方法，环网中第i个节点通信方法为：接收第i-1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i+1个节点；接收第i+1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i-1个节点；其中，0<i<＝n，n为环网节点数，n>2，所述环网中的节点包括处理器与串口收发器组，且所述环网中节点与节点之间采用异步通信模式；各个节点定时主动将持有的最新自身信息和其它节点信息传递到下一个节点，而非接收到上一个节点的数据后才进行传递。
传统的通过环网将各个设备或仪器连接起来的网络，是在基于以太网基础上进行建立的，但是对于没有以太网接口或节点之间需要进行信息互联的情形下，传统的以太网无法实现这些功能；本发明提供了一种串口双环网冗余通信方法，在网络传输的过程中采用反向双环网设计的方法，在节点与节点之间采用异步通信模式进行数据传输，并设置串口收发器作为数据传输接口，提供了通信冗余同时提高了环网通信的可用性以及健壮性，降低了网络传输的设计复杂程度实现了能够将网络传输的模式应用于更广泛的硬件平台上。
优选地，所述n个节点中，当第i个节点的一条数据传输链路中出现无效节点时，这条传输链路信息出现异常，则通过其他链路进行数据传输，所述无效节点为无法获取其他节点信息的节点。
当单个节点失效的时候，可以通过单个节点相邻的两个节点之间相互连通，进行正常的数据信息交换，而无效节点中的数据共享集与私有数据集从无效开始，就没存在的意义了。
优选地，所述处理器设有第一全双工通道与第二全双工通道；所述串口收发器组包括第一串口收发器与第二串口收发器；所述第一全双工通道连接第一串口收发器，所述第一串口收发器用于传输第一数据流；所述第二全双工通道连接第二串口收发器，所述第二串口收发器用于传输第二数据流，所述第一环数据流与所述第二环数据流为反向传输数据流。
设置第一环数据流与第二环数据流的方向相反，主要是实现在环网中能够从不同路径的传输过程，能够将节点中需要进行传输的数据传输到需要接受数据的节点中，且如果某一节点或某一路径损坏时，可以通过另一路径对数据进行单环传输。
优选地，所述通信方法用于分布式节点的数据共享，每个节点都包括用于共享数据信息的共享数据集以及用于节点运行时单独持有的私有数据集，且节点中的共享数据集根据传输数据进行实时更新，所述共享数据集包括第一环共享数据集与第二环共享数据集。
优选地，所述第一环共享数据集与所述第二环共享数据集存储在共享数据集软件缓冲区。
设置软件缓冲区将第一环共享数据集与第二环共享数据集集中在一个区域内，更为方便的实现节点中的共享数据集的更新。
优选地，所述节点中的共享数据集根据传输数据进行实时更新包括：
若传输数据中的数据条目有效且时间新，则对节点共享数据集进行实时更新，否则不更新共享数据集。
优选地，所述第一串口收发器包括TX端与RX端，所述TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；所述RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据。
优选地，所述第二串口收发器包括TX端与RX端，所述TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；所述RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据。
优选地，所述第一串口收发器与所述第二串口收发器的配置形式为8位数据位、1位停止位、无效验位以及无流控制；
所述8位数据位用于数据信息与通信线路信息对应；
所述1位停止位、无效验位以通信帧为单位进行校验，用于减少链路层额外数据信息；
所述无流控制用于提高环网通信对串口设备的适应性。
优选地，所述第一串口收发器与所述第二串口收发器均采用RS232或RS422或RS485标准型号的串口。
串口收发器可以采用RS232、RS422或RS485等不同电气特性标准的收发器，选取哪一种收发器是根据环网通信在实际的应用场景以及根据场景所需要的需求进行判定的，通过采用不同型号的串口收发器，降低了节点设备对外部连接器引脚数量的要求，利于控制成本和减少系统的设计约束。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、采用本发明提供的一种串口双环网冗余通信方法，能够应用于性能要求不高、低成本、物理通信接口数量少以及节点较多的任一通信场景中，为系统通信设计提供了可选方案；
2、采用本发明提供的一种串口双环网冗余通信方法，串口可以采用RS232、RS485、RS422多种不同的技术标准，支持各个节点之间采用不同标准，环网通信可以应用于更广泛的硬件平台上；
3、采用本发明提供的一种串口双环网冗余通信方法，通过对方向双环网的设计，在运行时，每个节点的定位相同并采用异步通信模式，在提高了通信系统可用性和健壮性的同时，降低了环网通信系统的设计复杂度，利于系统以更可靠的方式部署到更广泛的、分布式的应用场景中；
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为串口双环网冗余通信系统整体示意图
图2为节点之间的连接原理示意图
图3是节点内部结构示意图
图4为通信系统中含有无效节点时通信网络的结构示意图
图5为串口双环网通信系统各节点与数据集的关系示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例公开了一种串口双环网冗余通信方法，如图1和图4所示，为串口双环网通信，环网中第i个节点通信方法为：接收第i-1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i+1个节点；接收第i+1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i-1个节点；其中，0<i<＝n，n为环网节点数，n>2，环网中的节点包括处理器与串口收发器组，且环网中节点与节点之间采用异步通信模式；在节点上采用同时在两种不同方向传输数据的方法进行数据传输，当节点之间相互连接的时候，形成了一个反向双环网传输的系统，但是总的输出传输是上游节点将输出传输到下游节点中，但是两环的数据流的传输方向相反，使得节点与节点之间实现双环网的冗余通信，且双环网能够同时、并行工作，避免额外耗时的环路通断检查和备用环路切换逻辑，利于简化系统软件实现，节点与节点之间采用的是定时、主动发动数据的方式，让下游节点能够及时接收到上游节点发送过来的数据信息。
当第i个节点的一条数据传输链路中出现无效节点时，这条传输链路信息出现异常，则通过其他链路进行数据传输，无效节点为无法获取其他节点信息的节点；无效节点为无法获取其它节点的信息的节点，0<i<n，当环网拓扑结构中单个或连续多个节点失效时，环网剩余节点依然能够正常交换信息，相当于两个断开的环网重新组成了一个单环网；节点与节点之间采用异步通信模式进行数据传输，无通信角色定位差异。各个节点定时主动将持有的最新自身信息和其它节点信息传递到下游节点，而非接收到上游节点的数据后才进行传递。
通信方法用于分布式节点的数据共享，每个节点都包括用于共享数据信息的共享数据集以及用于节点运行时单独持有的私有数据集，且节点中的共享数据集根据传输数据进行实时更新，共享数据集包括第一环共享数据集与第二环共享数据集。其中，私有数据集实在环网中进行运行的时候，节点所独自带有的的不会在环网中进行传递的从其他节点中看不到的数据集，共享数据集是在环网运行状态中节点所持有的但是对各个节点进行开放的，且会根据数据流的传输在环网通信中进行传递，以某个节点为起始节点，数据绕行一圈回到该节点后，该节点才能知晓共享数据集汇中其它节点的信息。
如图5所示，图中的“理论共享数据集”为整个系统在假设没有传输延迟的情况下，每个节点应该看到的共享数据集内容，由于实际上系统具有不可消除的通信延迟，那么在某个给定时间点下，不同节点持有的共享数据集之间、节点数据与理论共享数据集之间都可能会不同。这种情况在各个节点更新数据频率很高的情况下容易出现，但随着更新频率降低而降低该情况的出现频率。
第一环共享数据集与第二环共享数据集存储在共享数据集软件缓冲区，节点中的数据共享集根据传输经过的数据流进行实时更新，当通信双环网系统初始运行时，每个节点上没有任何数据信息，当数据传输信息开始时，数据传输到每个节点上时，节点上就会根据所传输的信息数据尽心更新存储，再将数据传输到下一个节点中，在循环一圈之后的环网中，每个节点都会存储共享数据信息，且存储的共享数据信息都会实施更新到软件缓冲区中，进行集中缓存。
如图1-3所示，处理器设有第一全双工通道与第二全双工通道；第一全双工通道连接第一串口收发器，第二全双工通道连接第二串口收发器，这里采用的是普通串口作为通信的物理层和链路层，其中物理层不限定RS232、RS422或RS485这些不同的电气特性标准；使用RS232的情况下，每个节点仅需要提供4根物理线路用于通信；使用RS422或RS485的情况下，每个节点仅需要提供8根物理线路用于通信，能节约物理连接线路以及降低节点设备对外部连接器引脚数量的要求，利于控制成本和减少系统设计约束，物理层对环网通信系统的通信逻辑不造成影响，但具体使用哪种标准需要根据通信系统实际使用场景和需求而定，且在通信系统中，各个节点之间可基于不同的串口物理层标准互联，不影响链路层等更上层次的逻辑，其中串口波特率无固定限制，需要根据节点间互联实际使用的串口物理层、通信距离、使用环境和系统通信性能等需求等情况来具体确定串口波特率，使得特率越高，性能越高且环网通信延迟越小。
第一串口收发器包括TX端与RX端，TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据，第二串口收发器包括TX端与RX端，TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据，在环网系统中，串口收发器与串口收发器之间直接以数据流的传输方式，实现数据信息的直接传输。
第一串口收发器用于传输第一环数据流；第二串口收发器用于传输第二环数据流，第一环数据流与第二环数据流为反向数据流，第一数据流与第二数据流为传输方向相反的数据流设计，构成了反向双环网设计，当环网拓扑结构中单个或连续多个节点失效时，环网剩余节点依然能够正常交换信息，相当于两个断开的环网重新组成了一个单环网。
第一串口收发器与第二串口收发器的配置形式为8位数据位、1位停止位、无效验位以及无流控制；8位数据位用于数据信息与通信线路信息对应；1位停止位、无效验位用于减少每传输8位数据位时额外占用的信息，从而达到减少链路层额外数据信息的效果，同时为了保证依然具备通信校验效果，实行了以通信帧为单位的校验方式；无流控制用于提高通信系统对串口设备的适应性，且串口的波特率无固定限制，根据节点之间的实际连接情况以及使用环境和系统通信性能的需求等情况来确定说使用的串口波特率，其中，通信帧采用的是静态设计，就是在系统上电运行前，预先设计好的状态，且节点数量变更后，整个通信帧需要先进行修改，确保每个节点适应新的通信帧后，系统在运行，可以使用在不同需求的场景下，且采用的是CRC32的校验方式对通信帧进行校验，简化了处理器对通信帧的处理，利于通信系统更容易达到更高安全等级。
本发明采用网络传输的双环网的设置节点，且在节点中采用串口器的方式进行节点与节点之间的网络连接，使得串口双环网冗余通信能够应用于性能要求不高、低成本、物理通信接口数量少以及节点较多的任一通信场景中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串口双环网冗余通信方法，其特征在于：环网中第i个节点通信方法为：
接收第i-1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i+1个节点；
接收第i+1个节点发送的数据信息，并将数据信息发送到第i-1个节点；
其中，0<i<＝n，n为环网节点数，n>2，所述环网中的节点包括处理器与串口收发器组，且所述环网中节点与节点之间采用异步通信模式。
2.根据权利要求1所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：当第i个节点的一条数据传输链路中出现无效节点时，该传输链路信息出现异常，则通过第i个节点的其他链路进行数据传输，所述无效节点为无法获取其他节点信息的节点。
3.根据权利要求1所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：所述处理器设有第一全双工通道与第二全双工通道；所述串口收发器组包括第一串口收发器与第二串口收发器；所述第一全双工通道连接第一串口收发器，所述第一串口收发器用于传输第一数据流；所述第二全双工通道连接第二串口收发器，所述第二串口收发器用于传输第二数据流，所述第一环数据流与所述第二环数据流为反向传输数据流。
4.根据权利要求3所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：所述通信方法用于分布式节点的数据共享，且每个节点都包括用于共享数据信息的共享数据集以及用于节点运行时单独持有的私有数据集，且节点中的共享数据集根据传输数据进行实时更新，所述共享数据集包括第一环共享数据集与第二环共享数据集。
5.根据权利要求4所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：所述第一环共享数据集与所述第二环共享数据集存储在共享数据集软件缓冲区。
6.根据权利要求5所述的一种串口双环网冗余通信方法，其特征在于：所述节点中的共享数据集根据传输数据进行实时更新包括：
若传输数据中的数据条目有效且时间新，则对节点共享数据集进行实时更新，否则不更新共享数据集。
7.根据权利要求3所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：所述第一串口收发器包括TX端与RX端，所述TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；所述RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据。
8.根据权利要求3所述的一种串口环网冗余通信方法，其特征在于：所述第二串口收发器包括TX端与RX端，所述TX端用于发送数据到下一个串口收发器的RX端；所述RX端用于接收上一个串口收发器中TX端发送的数据。
9.根据权利要求7或8所述的一种串口双环网冗余通信方法，其特征在于：所述第一串口收发器与所述第二串口收发器的配置形式为8位数据位、1位停止位、无效验位以及无流控制；
所述8位数据位用于数据信息与通信线路信息对应；
所述1位停止位、无效验位以通信帧为单位进行校验，用于减少链路层额外数据信息；
所述无流控制用于提高环网通信对串口设备的适应性。
10.根据权利要求9所述的一种串口双环网冗余通信方法，其特征在于：所述第一串口收发器与所述第二串口收发器均采用RS232或RS422或RS485标准型号的串口。
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