CN113014693B - 一种多客户端温控组合服务器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多客户端温控组合服务器，包括单片机、单片机软件、处理器、FPGA逻辑控制模块及FPGA软件，通过以太网控制器和交换机连接多个客户端，其特征在于：在温控组合服务器中设有特定ARP缓冲连接池存储特定客户端的MAC地址信息，对于普通IP地址的客户端，根据该计算机MAC地址与温控组合服务器建立连接的时间排序，采用以新换旧的方式在活动ARP缓冲连接池中更新MAC地址信息。本发明确保了特定计算机MAC地址信息ARP缓冲连接池内锁定，增强了网络连接的可靠性，确保了温控组合服务器网络连接的可靠性。

Description

一种多客户端温控组合服务器
技术领域
本发明涉及一种多客户端ModBus TCP可靠连接的温控组合服务器。
背景技术
测发控设备舱控制系统状态监控计算机采用ModBus TCP通信协议与温控组合进行数据交互，为适应控制系统状态监控计算机通信协议，在以往设计中采用西门子S7-1200系列的PLC作为温控组合控制器的核心控制模块。在PLC内部集成了ModBus TCP通信协议的服务器模块MB_SERVER，实现温控组合服务器功能。
由于PLC属于进口工业级器件，在军品级考核的过程中不能满足质量等级的要求，利用FPGA+C8051架构的高质量等级的控制模块代替西门子工业级S7-1200的进口PLC模块。为实现与控制系统状态监控计算机ModBus TCP通信，该控制模块采用C8051单片机+CP2200实现以太网通信。在单片机控制软件中，采用可清零处理的活动连接池空间存储状态监控计算机与温控组合之间建立网络连接的连接信息。根据单片机存储器空间的大小及控制系统设计的要求，开辟了最多支持5台状态监控计算机的网络连接。温控组合服务器与状态监控计算机建立网络连接时，在TCP层(传输层)和ModBus应用层均采用可靠的处理，确保ModBus TCP网络连接的可靠性。现有技术存在以下缺陷：
(1)PLC内部采用服务器模块MB_SERVER实现通信指令，该指令只能满足ModBusTCP应用层数据传输的要求，不能对TCP层(传输层)、IP层(网络层)的数据信息进行配置，使用具有一定的局限性。
(2)PLC通信数据异常时，由于服务器模块MB_SERVER采用模块化封装，不能在其内部实现网络传输数据中设置网络监测点，不方便网络通信故障排查。
(3)控制系统端状态监控计算机与温控组合网络建立连接的情况下，在未进行正常网络分离的情况下断电，导致存储在温控组合内部的状态监控计算机网络连接信息未清除，再次进行网络连接时，导致网络连接存储空间占满，网络连接异常的情况。温控组合服务器端需要对控制系统端特定状态监控计算机的IP地址进行特殊处理，防止该类状态监控计算机因端口号发生变化，使得存储网络连接信息的活动连接池空间占满，导致网络连接异常。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有的温控组合服务器与客户端连接不可靠的问题，提供了一种支持多客户端网络可靠连接处理、可识别客户端端口号变化进行特定目标连接客户端优化处理的温控组合服务器模块。
本发明的技术方案：
一种多客户端温控组合服务器，包括单片机、单片机软件、处理器、FPGA逻辑控制模块及FPGA软件，通过以太网控制器和交换机连接多个客户端，其特征在于：在温控组合服务器中设有特定ARP缓冲连接池存储特定客户端的MAC地址信息，对于普通IP地址的客户端，根据该计算机MAC地址与温控组合服务器建立连接的时间排序，采用以新换旧的方式在活动ARP缓冲连接池中更新MAC地址信息。
在温控组合单片机控制软件内有活动连接池空间用于存储客户端的网络连接信息，在某一客户端端口号发生变化时，清空已存储过该客户端网络连接信息的活动连接池空间。
单片机软件内分别设置关闭状态(STATE_CLOSED)、监听状态(STATE_LISTEN)、SYN接收状态(STATE_SYN_RCVD)等状态，并通过SYN指令、ACK指令、FIN指令等指令实现状态转换。
在ModBus应用层中，根据客户端ModBus应用层数据进行解析，对功能码、初始寄存器等进行解析后，发送相应的应答数据。
服务器接收到ARP数据包后解析其是否是特定IP地址客户端，如果是则将其MAC地址存储至特定的ARP缓冲连接池，如果是普通IP地址客户端，首先判断活动ARP缓冲连接池空间是否占满，如果未满则存入空闲的活动ARP缓冲空间，如果占满则按照时间排序清除时间最老的MAC地址将当前的MAC地址存入。
接收到客户端的数据帧后遍历活动连接池空间，使用一个空的活动连接池空间存储连接信息并继续进行后续通讯，当检测到应答超时判断超时时间是否大于第一定值，大于该定值则发送分离指令断开网络。
所述客户端为状态监控计算机。
温控组合服务器连接通风装置、百叶窗、加热器和测温模块。
本发明的有益效果：
本发明确保了温控组合服务器模块的TCP传输层具有对特定IP地址的ARP处理、端口识别及特定目标机端口号变化后对网络连接存储空间的处理、网络通信序列号判读等手段确保温控组合服务器网络的可靠连接处理。与现有的技术比较，本发明的优点是:
1、在温控组合服务器中采用了特定ARP缓冲连接池和活动ARP缓冲连接池空间存储不同类型的计算机的MAC地址信息，确保了特定计算机MAC地址信息ARP缓冲连接池内锁定。
2、通过对温控组合服务器TCP传输层中采用IP地址限定和端口变化检测处理，有效防止活动连接池空间被占满导致网络连接异常的情况，增强了网络连接的可靠性。
3、温控组合服务器通过MAC地址和TCP传输层优化处理，并在网络数据应用层的有效数据解析和处理，提高了ModBus TCP在网络层、传输层、应用层可靠耦合，确保了温控组合服务器网络连接的可靠性。
附图说明
图1是温控组合服务器系统架构图。
图2是ARP缓冲连接池处理流程。
图3是TCP连接及控制流程图。
图4是活动连接池空间信息转换图。
图5是TCP可靠连接状态转换图。
图6是ModBus应用层处理流程。
具体实施方式
如图1：温控组合服务器采用C8051单片机+CP2200实现网络通信，状态监控计算机(客户端)通过交换机与温控组合服务器连接实现数据查询功能、控制指令传输等功能。在接收到状态监控计算机的数据，单片机控制软件进行数据解析后，若该数据为查询指令，则向状态监控计算机应答数据；若该数据为控制指令，单片机控制软件将控制指令通过串口发送至FPGA控制软件实现对温控组合相应模块的控制。温控组合服务器包括单片机、CP2200、单片机软件、FPGA逻辑控制模块(内嵌软核CPU)、FPGA软件等，单片机和FPGA内嵌软核CPU通过RS232接口连接，温控组合服务器还连接通风装置、百叶窗、加热器和测温模块。
温控组合服务器在处理ARP协议时，由于控制系统的状态监控计算机建立网络连接后，不能断开网络，为确保控制系统特定状态监控计算机的MAC地址不被ARP地址老化机制清除。在温控组合服务器中开辟特定ARP缓冲连接池存储控制系统特定状态监控计算机的MAC地址信息，对于未执行的计算机IP地址的MAC地址信息，则根据该计算机MAC地址与温控组合服务器建立连接的时间排序，采用以新换旧的方式在ARP缓冲连接池内更新MAC地址信息。
进一步的，ARP处理流程如图2，服务器接收到ARP数据包后解析数据，如果是特定IP地址的计算机则存储至制定的ARP缓冲连接池，如果是普通IP地址则从存入未被占用的活动ARP缓冲连接池，如果活动ARP缓冲连接池空间占满，则采用时间排序法将存储时间最老的MAC地址清除并存入当前的普通IP地址的MAC地址。
在状态监控计算机与温控组合之间建立网络连接时，为了实现温控组合服务器与客户端网络的可靠连接，在温控组合单片机控制软件内开辟了5个活动连接池空间用于存储状态监控计算机的网络连接信息。在网络连接时，状态监控计算机与温控组合服务器之间进行三次握手操作后建立网络连接；同时网络连接信息中的IP地址、端口号、传输序列号、应答序列号等信息存储在网络活动连接池空间内。活动连接池空间作为TCP发送数据和接收数据时数据解析和数据装定的中转存储空间，是温控组合服务器模块支持多客户端网络连接的必要条件。由于活动连接池空间有限，为实现活动连接空间的有效利用，在某一状态监控计算机端口号发送变化时，清空已存储过该状态监控计算机网络连接信息的活动连接池空间，可实现活动连接池空间的重利用，防止活动连接池空间被占满的情况。
如图3：服务器接到客户端的数据帧后，遍历5个活动连接池空间，使用一个空的活动连接池空间存储连接信息，进行AYN连接指令、ACK应答指令及查询指令等交互，当发送应答数据检测到超时，如果超时传输的时间大于2s，则重新发送应答数据，若超时传输的时间小于2s或不出现传输超时，则检测IP不活动时间是否大于15s，如果IP不活动时间大于15s则发送分离指令，将处于连接状态但不活动的IP地址的网络断开。
如图4，接收TCP空间结构和发送TPC空间结构之间有五个活动连接池空间结构，每个客户端接入后分配采用不同的活动连接池空间结构进行数据传输。
单片机软件内分别设置关闭状态(STATE_CLOSED)、监听状态(STATE_LISTEN)、SYN接收状态(STATE_SYN_RCVD)等状态，并通过SYN指令、ACK指令、FIN指令等指令实现状态转换。具体的TCP状态转换过程如图5。
在ModBus应用层中，根据客户端ModBus应用层数据进行解析，对功能码、初始寄存器等进行解析后，发送相应的应答数据。如图6ModBus应用处理流程为：开始后服务器接收数据帧，首先判断是否支持的功能码，是则判断读取寄存器数量是否在0x01与0x7D之间，是则判断起始地址和寄存器数量是否OK，是则开始处理请求判断是否读多个寄存器OK，是则服务器发送正常数据帧，结束。在上述每一个判断过程中若为否则进行异常处理，服务器发送异常数据处理帧，结束。

Claims (8)

1.一种多客户端温控组合服务器，包括单片机、单片机软件、处理器、FPGA逻辑控制模块及FPGA软件，通过以太网控制器和交换机连接多个客户端，其特征在于：在温控组合服务器中设有特定ARP缓冲连接池存储特定IP地址客户端的MAC地址信息，对于普通IP地址的客户端，根据普通IP地址的客户端MAC地址与温控组合服务器建立连接的时间排序，采用以新换旧的方式在活动ARP缓冲连接池中更新MAC地址信息。
2.根据权利要求1所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：在温控组合单片机控制软件内有活动连接池空间用于存储客户端的网络连接信息，在某一客户端端口号发生变化时，清空已存储过该客户端网络连接信息的活动连接池空间。
3.根据权利要求2所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：单片机软件内分别设置关闭状态(STATE_CLOSED)、监听状态(STATE_LISTEN)、SYN接收状态(STATE_SYN_RCVD)，并通过SYN指令、ACK指令、FIN指令实现状态转换。
4.根据权利要求2所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：在ModBus应用层中，根据客户端ModBus应用层数据进行解析，对功能码、初始寄存器进行解析后，发送相应的应答数据。
5.根据权利要求1所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：服务器接收到ARP数据包后解析其是否是特定IP地址客户端，如果是则将其MAC地址存储至特定的ARP缓冲连接池，如果是普通IP地址客户端，首先判断活动ARP缓冲连接池空间是否占满，如果未满则存入空闲的活动ARP缓冲空间，如果占满则按照时间排序清除时间最老的MAC地址将当前的MAC地址存入。
6.根据权利要求2所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：接收到客户端的数据帧后遍历活动连接池空间，使用一个空的活动连接池空间存储连接信息并继续进行后续通讯，当检测到应答超时判断超时时间是否大于第一定值，大于该定值则发送分离指令断开网络。
7.根据权利要求1-4任一项所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：所述客户端为状态监控计算机。
8.根据权利要求5所述的多客户端温控组合服务器，其特征在于：温控组合服务器连接通风装置、百叶窗、加热器和测温模块。
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