CN113545011A - 大数据包菊花链串行总线 - Google Patents

Abstract

一种用于工业过程的通信系统，包括与主控制器串联的多个从模块。主控制器存储定义有序的报文序列和与每个报文相关联的标识符的通信调度。主控制器通过从模块向下行发送报文到从模块的终端模块。终端从模块生成返回报文，该返回报文向上行被发送到主控制器。每个从模块接收每个下行报文，基于报文标识符标识该报文是否与来自从模块的响应信息相关联，并且将响应信息插入到对应的上行报文中。

Description

大数据包菊花链串行总线

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月17日提交的美国临时申请第62/780,561号“大数据包菊花链串行总线(LARGE PACKET DAISY CHAIN SERIAL BUS)”的权益，该申请整体通过引用方式并入本文中。

本申请还要求于2019年5月22日提交的美国临时申请第62/851,248号“大数据包菊花链串行总线(LARGE PACKET DAISY CHAIN SERIAL BUS)”的权益，该申请整体通过引用方式并入本文中。

背景技术

诸如工业涂覆过程、工业精加工过程或其他工业过程之类的工业过程通常包含多个传感器、致动器和其他相互连接以交换信息以使过程自动化的一个或多个部分的设备。例如，某些工业涂覆过程包括互连的传感器和其他设备以监测和控制过程参数，诸如流体压力、流速、罐液位、搅拌器速度以及与涂覆过程相关的其他参数。过程参数的自动监测和控制既可以提高过程效率，又可以减少系统停机时间。

诸如涂覆和精加工过程之类的某些工业过程可能涉及烟雾或其他可燃材料。因此，此类过程中组件的本质安全通常是限制可用于点火的电能和热能的重要考虑因素。同时，随着工业过程监控和控制的连接性和复杂性的增加，此类系统使用的通信带宽也增加了。因此，本质安全和通信带宽都可以是用于监测和控制工业过程参数的通信系统的重要方面。

发明内容

在一个示例中，用于工业过程的通信系统包括主控制器和多个从模块。多个从模块与主控制器串联连接。多个从模块包括初始从模块和终端从模块。主控制器被配置成存储通信调度，该通信调度定义有序的报文的序列、和与每个报文相关联的标识符，并且根据通信调度，将具有标识符的报文通过初始从模块沿下行方向发送到终端从模块。主控制器还被配置成接收源自终端从模块并由终端从模块通过初始从模块沿上行方向发送到主控制器的返回报文。初始从模块被配置成接收下行报文，基于下行报文中包括的标识符，标识下行报文是否与来自相应从模块的响应信息相关联，并且将响应信息插入到具有与下行报文中的报文标识符对应的标识符的上行报文中。终端从模块被配置成接收下行报文，生成具有与下行报文中包括的标识对应的标识符的上行报文，并且沿上行方向发送上行报文。

在另一示例中，一种用于在通信系统中进行通信的方法，该通信系统包括主控制器和与主控制器串联的多个从模块包括：根据存储在主控制器的存储器中的通信调度，通过初始从模块沿下行方向从主控制器向终端从模块发送下行报文和下行报文的标识符。该方法还包括：当报文向下行传递时，在多个从模块中的每一个处接收下行报文；由多个从模块中的每一个，基于下行报文中包括的标识符来标识与来自相应从模块的响应信息相关联的下行报文；在终端从模块处接收下行报文；以及由终端从模块生成具有与下行报文中包括的标识符对应的标识符的上行报文。该方法还包括将上行报文从终端从模块通过初始从模块沿上行方向发送到主控制器；由多个从模块将响应信息插入到上行报文中，该上行报文具有与标识为与来自相应从模块的响应信息相关联的下行报文对应的标识符；以及在主控制器处接收上行报文。

附图说明

图1是与工业过程一起使用的示例通信系统的示意框图。

图2是示出用以接收和发送下行通信的收发器的进一步细节的示意框图。

图3是示出用以接收和发送上行通信的收发器的进一步细节的示意框图。

图4A至图4E是示出与通信系统一起使用的示例模块标识过程的示意框图。

具体实施方式

根据本公开的技术，与工业过程(例如，涂覆过程、精加工过程或其他工业过程)一起使用的通信系统使得能够在主控制器设备与多个从模块之间高速传递大数据包。多个从模块可以是(和/或连接到)工业过程的部件，诸如压力传感器、泵、致动器、阀、马达、流体体积传感器、温度传感器或工业过程的其他部件。主控制器和从模块以菊花链的形式从主控制器设备串联连接到在模块标识过程期间(例如，在系统初始化或启动时)由主控制器标识的串行最后一个从模块，并且被配置成终端从模块。诸如串行通信、光通信或其他低压通信连接中的一种或多种之类的低压通信连接可用于利于系统的本质安全，诸如与可能涉及可燃烟气(例如，涂覆、精加工或其他此类过程)的工业过程一起使用。

源自主控制器设备的报文通过多个从模块中的每一个从主控制器沿下行方向传播到终端从模块。为了增加数据吞吐量，以例如每毫秒一个包的速率从主控制器发送大数据包(例如，300字节、500字节或其他大小的数据包)。主控制器根据定义有序的报文序列的通信调度来发送下行报文。在一些示例中，从模块中的每一个存储通信调度并利用调度来标识(和预测)接收到的报文，从而减少每个报文的报头信息量和与之相关联的处理延迟、以及增加系统的通信带宽。

当报文向下行传递时，源自主控制器的报文由从模块中的每一个接收。从模块中的每一个标识该报文是否与相应从模块相关联，解析该报文中包括的有效载荷信息并对其进行操作，并向主控制器准备被包括在的上行报文中的响应信息。响应于接收到报文，终端从模块产生具有报文标识符(例如，包括报文的调度标识在内的报头信息)的新报文，并且将该报文作为响应通过多个从模块上行发送到主控制器。从模块中的每一个在它们被向上行传递时接收返回报文，并且将响应信息插入到与相应从模块相关联的那些报文中。

因此，实现本文描述的技术的通信系统实现了主控制器设备与多个从模块之间的大数据包的高速通信。可以由主控制器和从模块中的每一个存储的通信调度的使用使得报文能够被引导到(例如，关联到)多个从模块，而无需与每个报文相关联的每个从模块的标识信息被包括在报头信息中。此外，通信调度的使用可以使从模块能够有效地标识并且在某些示例中预测报文，从而实现从模块的快速响应时间以减少系统的处理延迟。

图1是可以与诸如涂覆过程、精加工过程或其他工业过程之类的工业过程一起使用的通信系统10的示意框图。如图1中所示，通信系统10包括主控制器12和从模块14A-14N。主控制器12包括下行发送器16和上行接收器18，但在一些示例中，发送器16和接收器18可以组合成单个收发器。如图1中所示，主控制器12进一步存储通信调度20，诸如在主控制器12的计算机可读存储器内。在一些示例中，诸如图1的示例，从模块14A-14N中的每一个还可以诸如将通信调度20存储在从模块14A-14N的计算机可读存储器中。

从模块14A-14N中的每一个包括下行收发器和上行收发器。即，如图1中所示，从模块14A包括下行收发器22D和上行收发器22U。从模块14B包括下行收发器24D和上行收发器24U。从模块14N包括下行收发器26D和上行收发器26U。应当理解，虽然在图1的示例中将下行收发器和上行收发器示出为单独的部件，但这类下行收发器和上行收发器可以在包括下行收发器和上行收发器两者的公共通信总线中实现。例如，从模块14A的下行收发器22D和上行收发器22U可以实现为共享例如微处理器和/或计算机可读存储器以用于发送下行和上行通信的公共通信总线的一部分。类似地，从模块14B-14N中的任何一个都可以使用公共通信总线来实现对应的下行收发器和上行收发器。此外，应当理解，关于从模块14A-14N的字母N表示任意数量，使得通信系统10可以包括任意数量的从模块14A-14N。

虽然为了清楚和易于说明的目的未在图1的示例中示出，但主控制器12和从模块14A-14N中的每一个包括一个或多个处理器和计算机可读存储器。一个或多个处理器的示例可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他等效的离散或集成逻辑电路中的一个或多个。

主控制器12和从模块14A-14N的计算机可读存储器可以被配置成在操作期间将信息存储在主控制器12和从模块14A-14N内。在一些示例中，计算机可读存储器可以被描述为计算机可读存储介质。在一些示例中，计算机可读存储介质可以包括非暂时性介质。术语“非暂时性”可以表示存储介质没有具体实施在载波或传播信号中。在某些示例中，非暂时性存储介质可以存储可以随时间改变的数据(例如，在RAM或缓存中)。主控制器12和从模块14A-14N的计算机可读存储器可以包括易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器的示例可以包括随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和其他形式的易失性存储器。非易失性存储器的示例可以包括磁性硬盘、光盘、闪存或电可编程存储器(EPROM)或电可擦除可编程(EEPROM)存储器的形式。

主控制器12可以是被配置成与通信系统10的诸如从模块14A-14N之类的部件通信耦合的控制器设备，用于在工业过程的操作期间监测和控制部件。在一些示例中，主控制器12包括和/或可操作地耦合到显示设备和/或用户界面元件(例如，按钮、刻度盘、呈现在触敏显示器上的图形控制元件或其他用户界面元件)以实现用户与主控制器12的交互，诸如用于系统的初始化、监测和/或控制。虽然在图1的示例中未示出，在某些示例中，主控制器12诸如经由有线或无线通信网络或两者而通信地耦合到一个或多个远程计算设备。从模块14A-14N可以是(和/或连接到)工业过程的部件，诸如压力传感器、泵、致动器、阀、马达、流体体积传感器、温度传感器或工业过程的其他部件。

如图1中所示，主控制器12和从模块14A-14N在主控制器12与从模块14N之间串联电耦合和/或通信耦合。从模块14A被连接以从主控制器12接收下行通信并经由下行收发器22D将下行通信发送到从模块14B。从模块14A还被连接以从从模块14B接收上行通信并经由上行收发器22U将上行通信发送到主控制器12。从模块14B被连接以从从模块14A接收下行通信并经由下行收发器24D沿下行方向(例如，向或朝向从模块14N)发送通信。从模块14B还被连接以从从模块14N(或在从模块14N的方向上)接收上行通信并经由上行收发器24U将上行通信发送到从模块14A。从模块14N被连接以经由下行收发器26D从从模块14B(或在从模块14B的方向上)接收下行通信。从模块14N还被连接以经由上行收发器26U向从模块14B(或在朝向从模块14B的方向上)发送上行通信。

因此，连接到主控制器12的从模块14A可以被认为是初始从模块。位于从模块系列的终端处的从模块14N可以被认为是终端从模块。连接在初始从模块14A与终端从模块14N之间的从模块14B可以被认为是中间从模块。在一些示例中，诸如当通信系统10包括连接在从模块14B与从模块14N之间的附加从模块时，附加从模块也可以被认为是中间从模块。在某些示例中，通信系统10可以不包括从模块14B、或连接在从模块14A(例如，初始从模块)与从模块14N(例如，终端从模块)之间的其他中间从模块。即，在一些示例中，通信系统10可以包括主控制器12和仅两个从模块，诸如从模块14A(例如，初始从模块)和从模块14N(例如，终端从模块)。

主控制器12与从模块14A-14N之间(即，主控制器12与从模块14A之间，以及从模块14A和14N中的每一个之间)的连接可以采用串行通信连接(例如，RS-232、RS-485、串行外设接口(SPI)或其他串行通信连接)、光学接口连接或其他形式的通信。在一些示例中，使用诸如串行接口通信和光接口通信之类的低电压通信接口可以利于通信系统10的本质安全，以在存在例如烟气或其他危险品的情况下限制电能和/或热能。在某些示例中，通信连接可以包括连接类型的组合，诸如串行通信和光通信(例如，用于危险位置与非危险位置之间的通信)。因此，主控制器12的收发器16和接收器18、以及从模块14A-14N的收发器22D、22U、24D、24U、26D和26U可以采用：能够根据对应模块之间的通信连接而发送和接收数据的任何收发器(或发送器和接收器的其他组合)的形式。

在操作中，主控制器12通过初始从模块14A沿下行方向经由发送器16向终端从模块14N发送报文。在通信系统10包括连接在初始从模块14A与终端从模块14N之间的中间从模块(例如，中间从模块14B或其他中间从模块)的示例中，主控制器12通过初始从模块14A沿下行方向经由中间从模块向终端从模块14N发送报文。在通信系统10不包括连接在初始从模块14A与终端从模块14N之间的中间从模块的示例中，主控制器12通过初始从模块14A沿下行方向经由发送器16向终端从模块14N发送报文而不通过任何中间从模块传递报文。主控制器12根据存储在例如主控制器12的计算机可读存储器处的通信调度20发送报文。通信调度20定义有序的报文序列和与每个报文相关联的标识符。通信调度20可以定义例如数十、数百、数千或其他数量的有序的报文序列。每个报文可以与一个或多个从模块14A-14N相关联。

由通信调度20定义的报文可以包括报头信息和报文有效载荷信息。报头信息可以包括例如定义报文类型的报文类标识符。示例报文类型可以包括但不限于紧急类类型、模块标识类类型、模块配置类类型、模块调度类类型、命令类类型、状态类类型和引导加载程序类类型。报文类标识符可以采用例如位序列(例如，四位)或其他标识符的形式。在一些示例中，报头信息还可以包括报头有效载荷信息。例如，报头有效载荷信息可以采用位序列(或其他标识符)的形式来标识目的地模块，诸如从模块14A-14N中的任何一个的唯一标识符。在一些示例中，报头有效载荷信息可以标识(例如，经由位序列)对应报文的调度标识符，诸如由通信调度20定义的有序报文序列内的报文的顺序号的指示。在一些示例中，报头有效载荷信息可以包括附加信息，诸如用于定义与报文相关联的附加信息的可选位。在某些示例中，报文报头包括十六位信息，四位定义报文类类型并且其余十二位定义头有效载荷信息，但其他报头大小也是可能的。在一些示例中，报头信息可以包括报文长度信息，其标识报文中包括的数据量(例如，位数、字节数或数据量或长度的其他指示)。

报文有效载荷信息包括与从模块14A-14N中的一个或多个相关联的命令和/或请求信息。报文有效载荷信息可以包括例如用于控制连接到从模块14A-14N的致动器、阀、泵或其他部件的操作的命令信息，和/或来自连接到从模块14A-14N的部件的状态、位置或其他信息的请求。

报文有效载荷信息可以包括与从模块14A-14N中的任何一个或多个相关联的信息。例如，报文有效载荷信息可以包括300字节、400字节、500字节或其他数量的有效载荷信息，有效载荷信息对应于从模块14A-14N中的一个或多个。报文有效载荷信息内与从模块14A-14N中的每一个相关联的模块对应的信息的位置可以由通信调度20定义。例如，通信调度20可以针对有序的报文序列中的每一个定义与相应报文相关联的从模块14A-14N中的每一个，以及报文内对应于与相应从模块相关联的报文有效负载信息的位置(例如，来自报文内定义位置的存储器偏移值，诸如报文的开始、报文有效载荷的开始，或其他定义的位置)。在一些示例中，通信调度20可以进一步定义与报文相关联的从模块14A-14N中的对应一个的本地存储器地址、与对应于相应从模块的报文相关联的有效载荷信息的大小(例如，与从模块相关联的报文部分的长度)、以及上行报文内的存储器偏移值，其中相应从模块将响应信息插入到上行报文中。

如图1中所示，从模块14A-14N中的每一个可以将通信调度20存储在相应从模块的计算机可读存储器内。在一些示例中，主控制器12可以向从模块14A-14N中的每一个发送通信调度20，诸如在系统初始化操作模式期间。在某些示例中，主控制器12可以基于主控制器12与终端从模块14N之间的串联连接的从模块14A-14N的标识和相对位置来确定通信调度20。例如，主控制器12可以在模块标识过程期间标识从模块14A-14N中每一个的标识和相对位置(例如，串联连接的顺序)，如下文进一步描述。

在操作中，当下行报文从主控制器12传递到从模块14N时，由主控制器12发送的下行报文由从模块14A-14N中的每一个接收。从模块14A-14N中的每一个基于由主控制器12包括在报文中的标识符来标识报文，例如在将报文类类型指示为命令报文的报文的报头信息和指示由通信调度20定义的有序报文序列内的报文的顺序号的调度标识符内。

从模块14A-14N中的每一个基于存储在相应从模块处的通信调度20确定报文是否与相应从模块相关联。响应于确定了相应从模块与报文不相关联，相应从模块向下行发送报文。响应于确定了相应从模块与报文相关联，从模块使用通信调度20标识报文内对应于从模块的信息所在的位置，从对应位置检索信息，标识从模块是否与响应信息相关联(以及从模块插入响应信息的上行报文中的位置)，并向下行发送报文。在相应从模块与报文的响应信息相关联的那些情况下，从模块开始对响应信息进行排队以插入到对应的上行响应报文中，如下文进一步描述。

在图1的示例中，从模块14N被配置成终端从模块(即，串行最后一个从模块)。因此，响应于接收到源自主控制器12的下行报文，从模块14N生成与接收到的下行报文对应的新响应报文。例如，从模块14N可以生成具有报头信息的新响应报文，该报头信息将报文类标识为响应(或状态)报文，并且包括接收到的下行报文的调度标识符。在一些示例中，从模块14N可以将响应信息插入到响应报文中(如通信调度20所定义)，并且将响应报文通过中间从模块(在该示例中为从模块14B)和初始从模块(在该示例中为从模块14A)发送到主控制器12。在通信系统10不包括中间从模块14B(或其他中间从模块)的示例中，终端从模块14N通过初始从模块14A沿上行方向将响应报文发送到主控制器12而不通过任何中间从模块传递报文。

当上行响应报文向上行传递到主控制器12时，上行响应报文被从模块中的每一个接收。每个相应的从模块基于包括在报文中的标识符来标识报文，诸如包括在报头信息中的调度标识符。每个相应的从模块将响应信息插入到具有报文标识符的上行报文中，该报文标识符对应于与来自相应从模块的响应信息相关联的先前接收的下行报文。响应信息在由存储在相应从模块的计算机可读存储器中的通信调度20定义的位置处被插入到上行报文中。

因此，通信系统10能够在主控制器12与从模块14A-14N之间高速传递大数据包(例如，在300字节和500字节之间)。使用通信调度20使得下行报文能够包括比将每个报文寻址到多个从模块所需的更少的报头信息，从而减少系统的处理延迟并增加系统通信带宽。此外，包括独立的上行收发器和下行收发器在内的从模块14A-14N可以同时且异步地发送和接收信息，从而通过使从模块14A-14N在接收到对应上行响应之前准备好响应信息以插入上行通信，来进一步增加系统的通信带宽。

图2是示出从模块14A(图1)的下行收发器22D接收和发送下行通信的进一步细节的示意框图。尽管下面关于下行收发器22D描述了图2的示例，但是应当理解，图2的技术适用于任何下行收发器22D、24D和26D。

如图2中所示，下行收发器22D包括接收缓冲器28、缓冲存储器30、发送缓冲器32、返回存储器34和处理器36。由下行收发器22D接收的下行通信数据被传递到接收缓冲器28。接收缓冲器28内的数据使用直接存储器存取(DMA)被移动到缓冲存储器30，图2中示出为DMA1(例如，第一DMA)。缓冲存储器30内的存储器位置由DMA1自动递增，并且存储器的大小被设置为大于传入报文的定义大小(例如，300字节、500字节或其他报文大小)的DMA块。当从接收缓冲器28到缓冲存储器30的存储器传送开始时，事件例如由处理器36管理的事件被触发。触发的事件使字节计数器递增并且第二DMA传送(在图2中示出为DMA2)将数据从缓冲存储器30移动到发送缓冲器32。缓冲存储器30内的数据下行朝向终端从模块14N(图1)发送。

字节计数器被配置成在接收到第一阈值字节数后中断，第一阈值字节数对应于在下行通信开始时包括的报头信息的定义大小(例如，一个字节、两个字节或其他整体或小数字节数)。在一些示例中，处理器36针对包括在报头信息中的固定长度校验值(例如，位序列)对接收到的报头信息和有效载荷信息执行循环冗余校验(CRC)。响应于确定了校验值满足CRC，处理器36解析接收到的报头信息以标识报文的调度标识符，该调度标识符指示由通信调度20(图1)定义的有序报文序列内的报文顺序。响应于确定了校验值不满足CRC，处理器36可以在没有进一步处理的情况下向下行发送接收到的报文，或者可以避免处理报文和向下行发送报文。

处理器36基于通信调度20中包括的信息来标识与从模块14A相关联的报文内的信息的起始位置和与从模块14A相关联的报文内的数据的长度(或大小)。字节计数器被重新配置成在接收到与从模块14A相关联的报文内的数据的长度(或大小)后中断，并且在中断期间将从起始位置到所标识的长度(或大小)接收到的报文内的数据移动到存储器中而由从模块14A处理。

图3是示出从模块14A(图1)的上行收发器22U接收和发送上行通信的进一步细节的示意框图。虽然下面关于上行收发器22U描述了图3的示例，但是应当理解，图3的技术适用于任何上行收发器22U、24U和26U。

如图3中所示，上行收发器22U包括接收缓冲器38、缓冲存储器40、CRC缓冲存储器41、发送缓冲器42和处理器44。在图3的示例中，上行收发器22U与下行收发器22D共享返回存储器34(例如，实现为公共通信总线的一部分)，但在其他示例中，上行收发器22U可以包括单独的返回存储器，下行收发器22D的返回存储器内的信息由例如从模块14A的处理器移动到单独的返回存储器。类似地，虽然上行收发器22U被示出为具有与下行收发器22D的处理器36(图2)分离的处理器44，但在其他示例中，上行收发器22U和下行收发器22D可以共享公共处理器。

由上行收发器22U接收的上行数据被传递到接收缓冲器38。接收缓冲器38内的数据使用DMA而移动到缓冲存储器40，在图3中示出为DMA 1。缓冲存储器38内的存储器位置由DMA自动递增，并且存储器的大小被设置为大于传入报文的定义大小(例如，300字节、500字节或其他大小)的DMA块。当从接收缓冲器38到缓冲存储器40的存储器传送开始时，例如由处理器44管理的事件被触发。触发事件使字节计数器递增并且第二DMA传送(在图3中示出为DMA2)将数据从缓冲存储器40移动到发送缓冲器42。缓冲存储器42内的数据向上行朝向主控制器12(图1)发送。

字节计数器被配置成在接收到第一阈值字节数后中断，第一阈值字节数对应于在上行通信开始时包括的报头信息的定义大小(例如，一个字节、两个字节或其他整体或小数字节数)。处理器44基于通信调度20中包括的信息标识与从模块14A的返回信息相关联的上行报文内的起始位置和相关联的返回信息的长度(或大小)。字节计数器被重新配置成在接收到第二阈值字节数后中断，第二阈值字节数对应于上行报文的起始位置和与从模块14A相关联的报文内的位置之间的字节数。响应于中断，与返回信息相关联的数据长度从返回存储器34传送到发送缓冲器42。在一些示例中，DMA 2被重新配置(例如，由处理器44)成从返回存储器34向发送缓冲器42传送数据。在其他示例中，诸如图3的示例，第三DMA(示出为DMA 3)用于从返回存储器34向发送缓冲器42传送数据。字节计数器再次被重新配置成在第三阈值字节数之后中断，第三阈值字节数对应于与返回信息相关联的数据长度(即，数据的字节数)。

发送缓冲器42内的数据也被移动到CRC缓冲存储器41。处理器44对发送缓冲器42内的数据执行CRC(即，数据经由DMA 1从缓冲存储器40移动到发送缓冲器42，并且数据经由DMA 3从返回存储器34移动到发送缓冲器42)。在从发送缓冲器42传送数据之后，中断启动计算出的CRC到发送缓冲器42的DMA传送(例如，在上行报文的末尾或在发送缓冲器42内的另一个定义的位置)，图3中示出为DMA4。此外，处理器44将计算的CRC与CRC标准进行比较，诸如在接收到的上行报文数据中包括的固定长度校验值。

响应于确定了计算出的CRC不满足CRC标准，处理器44使对应于从模块14A的故障节点标识符(FNID)从CRC缓冲存储器传送到发送缓冲器42(例如，在计算出的CRC之后的位置或在发送缓冲器42内的另一个定义位置处)。对应于从模块14A的故障节点标识符标识从模块14A，并且指示通过从模块14A的收发器22U的上行通信不满足CRC校验，因此指示来自从模块14A的通信可能包括错误的通信数据。响应于确定了计算出的CRC满足CRC标准，处理器44不使对应于收发器22U的故障节点标识符传送到发送缓冲器42。

在某些示例中，收发器从模块14A-14N中的每一个可以响应于确定了通过收发器22U-26U中的相应一个的通信不满足CRC标准而插入单独的故障节点标识符。在其他示例中，从模块14A-14N中的每一个可以用对应于从模块14A-14N中的相应一个的故障节点标识符来更新单个故障节点标识符(例如，对应的上行通信内的单个位置)。在此类示例中，在主控制器12(图1)处接收到的故障节点标识符可以指示最上行(例如，在通信路径中最靠近主控制器12)且与潜在地错误的通信数据相关联的从模块14A-14N中的一个。在某些示例中，主控制器12可以利用从从模块14A-14N中对应于故障节点标识符的从模块上行的那些从模块接收的通信数据，并且可以忽略(或以其他方式避免利用)从从模块14A-14N中对应于故障节点标识符的从模块下行的那些从模块接收的数据。发送缓冲器42内包括CRC和故障节点标识数据的数据作为上行报文的一部分被发送。

图4A至图4E是示出与通信系统10一起使用的示例模块标识过程的示意框图。如关于图4A至图4E的示例所示出和描述，主控制器12可以标识从模块14A-14N在从模块14A-14N的串联连接内的相对位置(即，从模块14A-14N的串联连接的顺序)以及从模块14A-14N的标识信息(例如，类型、型号、序列号或其他标识信息)。此外，主控制器12可以确定从模块14A-14N中的哪一个是从模块14A-14N中串行最后一个，并且可以将从模块14A-14N中串行最后一个配置成生成返回报文和向上行发送返回报文的终端从模块。因此，图4A至图4E的技术使得任何数量和任何类型的从模块能够与主控制器12串联连接，而无需预先提供从模块14A-14N或主控制器12的连接顺序。此外，从模块14A-14N中的任何一个可以被配置成充当终端从模块，这种配置由主控制器12基于为特定应用和/或工业过程实现的连接顺序而启用。

关于图4A至图4E描述的标识过程可以在例如通信系统10的操作的初始化阶段期间由主控制器12实现，诸如在主控制器12的启动或通电期间。在一些示例中，标识过程可以在通信系统10的操作期间重复以标识是否已添加新从模块、是否已移除从模块14A-14N中的任何个，和/或从模块中的任何一个是处于故障状态还是以其他方式无法通信。

从模块14A-14N中的每一个可以例如在计算机可读存储器处存储标识相应从模块的目的地标识符。例如，如图4A中所示，从模块14A可以存储目的地标识符(ID)46A，从模块14B可以存储目的地ID 46B，并且从模块14N可以存储目的地ID 46N。目的地ID 46A-46N用作通信系统10内的相应从模块的唯一标识符。因此，在一些示例中，主控制器12可以向下行发送报文，该报文包括经由目的地ID 46A-46N标识从模块14A-14N中的对应一个的报头信息。

图4A的示例示出了处于初始状态的通信系统10，例如，在由主控制器12初始化之前。如图4A中所示，从模块14A-14N中的每一个可以被预先提供以存储具有对应于未初始化(或未标识)模块的定义值的目的地ID。例如，如在图4A的示例中，从模块14A-14N中的每一个都可以被预先提供以存储具有十六进制值0x0000的目的地ID，但任何定义的标识符(使用任何字母数字代码)可以被预定义为对应于未初始化的模块。

为了标识和初始化从模块14A-14N，主控制器12向下行发送标识报文，该标识报文寻址到对应于未初始化模块的定义目的地ID(在该示例中为0x0000)。例如，主控制器12可以向下行发送具有报头信息的报文，该报头信息将该报文标识为标识类类型(例如，定义为标识类类型报文的位序列)和对应于未初始化模块的目的地ID。此外，标识类类型报头信息可以包括命令目的地ID。从模块14A-14N可以被配置成(例如，在存储器中)将命令目的地ID存储为与相应从模块相关联的目的地ID。

从模块14A-14N可以被配置成响应具有与存储在相应从模块中的目的地ID匹配的目的地ID的标识类报文，而无需向下行重新发送标识类报文。从模块14A-14N还可以被配置成向下行重新发送与存储在相应从模块中的目的地ID不匹配的那些标识类报文，并且向上行重新发送所有接收到的上行标识类报文。

如图4A中所示，对标识类模块的响应可以包括相应从模块的新存储的目的地ID、以及相应从模块的标识信息。标识信息可以包括例如模块类型信息、模块版本信息、模块序列号信息或标识相应从模块的其他信息。

如图4A中的示例所示，响应于接收到由主控制器12向下行发送的具有对应于未初始化模块的目的地ID(在该示例中为0x0000)的标识类报文，从模块14A确定目的地ID0x0000与存储在从模块14A的存储器中的目的地ID 46A的值相匹配。在该示例中，从模块14A将接收到的报文内的命令目的地ID标识为具有十六进制值0x0001。从模块14A将值0x0001存储为目的地ID 46A，并将新存储的值0x0010和从模块14A的标识信息上行发送到主控制器12。

响应于从从模块14A接收到响应报文，主控制器12将在响应中接收到的从模块14A的接收标识信息和目的地ID 0x0001存储在主控制器12的存储器中。主控制器12可以将串联连接的从模块14A-14N相对顺序标识为初始化过程期间接收到的标识信息的顺序。因此，主控制器12可以将从从模块14A接收到的标识信息标识(并存储)为串联连接的从模块14A-14N内的串行第一从模块(即，初始从模块)。

如图4B中所示，从模块14A根据在途4A的示例中发送到从模块14A的命令目的地ID存储具有值0x0001的目的地ID 46A。响应于从从模块14A接收到响应报文，主控制器12向下行发送新标识类报文。新标识类报文包括定义为对应于未初始化模块的目的地ID和不同于与从模块14A相关联的目的地ID的命令目的地ID。例如，如图4B中所示，主控制器12可以发送包括具有值0x0000的目的地ID(即，对应于该示例中的未初始化模块)和具有值0x0002的命令目的地ID的标识报文。虽然图4B的示例将主控制器12示出为将命令目的地ID递增值1，但应当理解，可以利用任何唯一的命令目的地ID(即，与主控制器12的存储器内的从模块不相关联的任何命令目的地ID)。

在图4B的示例中，从模块14A接收包括具有值0x0000的目的地ID的标识类报文，将目的地ID与目的地ID 46A的存储值进行比较，并且确定下行报文中包括的目的地ID与目的地ID 46A的存储值不匹配(即，在该示例中的值为0x0001)。作为响应，从模块14A向下行重新发送标识类报文。

如图4B中所示，从模块14B从从模块14A接收标识类报文，并且将报文中包括的目的地ID的值与存储在从模块14B的存储器中的目的地ID 46B的值进行比较。在该示例中，从模块14B确定下行报文中包括的目的地ID的值(即，0x0000)与目的地ID 46B的存储值(即，0x0000)匹配。作为响应，从模块14B将值0x0002存储为目的地ID 46B，并且将新存储的值0x0002和从模块14B的标识信息朝向主控制器12上行发送。从模块14A接收上行标识类报文，并且将报文向上行重新发送到主控制器12。

响应于从从模块14B接收到响应报文，主控制器12将接收到的从模块14B的标识信息和目的地ID 0x0002存储在主控制器12的存储器内。主控制器12进一步将从模块14B标识为串联连接的多个从模块的相对顺序中的下一个(即，相对于被标识为图4A的示例中的串行第一的从模块14A的下一个)。

如图4C中所示，从模块14A存储具有值0x0001的目的地ID 46A，并且从模块14B存储具有值0x0002的目的地ID 46B。响应于从从模块14B接收到响应报文，主控制器12向下行发送新标识类报文。新标识类报文包括在该示例中定义为对应于未初始化模块的具有值0x0000的目的地ID、以及具有十六进制值0x000F(即，对应于十进制值十五)的命令目的地ID。从模块14A接收下行标识类报文，确定包括的目的地ID(0x0000)与目的地ID 46A的存储值(即，0x0001)不匹配，并且向下行重新发送该报文。从模块14B接收下行标识类报文，确定包括的目的地ID(0x0000)与目的地ID 46B(0x0002)的存储值不匹配，并且向下行重新发送该报文。从模块14N接收下行标识类报文，确定包括的目的地ID(0x0000)与目的地ID 46N(0x0000)的存储值匹配。作为响应，从模块14N将命令目的地ID(0x000F)的值存储为目的地ID 46N，并且向上行发送响应，该响应包括新存储的目的地ID(0x000F)的值和从模块14N的标识信息。

从模块14B和14A依次接收上行标识类报文并且向上行重新发送该报文。主控制器12接收上行响应，并且将接收到的从模块14N的标识信息和目的地ID 0x000F存储在主控制器12的存储器中。主控制器12进一步将从模块14N标识为多个从模块14A-14N的相对顺序中的下一个。

如图4D中所示，从模块14A存储具有值0x0001的目的地ID 46A，从模块14B存储具有值0x0002的目的地ID 46B，并且从模块14N存储具有值0x000F的目的地ID 46N。响应于从从模块14N接收到响应报文，主控制器12向下行发送新标识类报文。新标识类报文包括在该示例中定义为对应于未初始化模块的具有值0x0000的目的地ID，以及具有十六进制值0x0010(即，对应于十进制值16)的命令目的地ID。

从模块14A-14N中的每一个接收下行标识类报文，确定包括的目的地ID(0x0000)与相应从模块的目的地ID的存储值不匹配，并且向下行重新发送该报文。在图4D的示例中，从模块14N是串行最后一个从模块，因此不连接到任何下行从模块。因此，在该示例中没有从模块响应下行报文，并且没有上行响应被传送到主控制器12。

响应于确定了阈值时间量已经过去而没有接收到响应报文(例如，一秒、两秒、三秒或其他阈值时间量)，主控制器12可以确定从模块14N(即，最后一个要响应的从模块)是串行最后一个从模块。在一些示例中，主控制器12可以一次、两次、三次或更多次重新发送具有对应于未初始化模块的目的地ID的标识类报文，以确定是否在阈值时间量内接收到响应。响应于确定了从模块14N(即，最后一个要响应的从模块)是串行最后一个从模块，主控制器12将对应于从模块14N(在该示例中为0x000F)的目的地ID存储为对应于终端从模块。

如图4E中所示，响应于确定了从模块14N是通信系统10中的终端从模块，主控制器12向下行发送标识类报文，该标识类报文包括对应于从模块14N(0x000F)的目的地ID和终端模块配置命令。具有与从模块14A或14B中的任何一个都不匹配的目的地ID的标识类报文通过从模块14A和14B向下行发送到从模块14N。

响应于接收到包括与目的地ID 46N(0x000F)相匹配的目的地ID和终端模块配置命令的标识类报文，从模块14N重新配置成作为终端从模块进行操作。因此，从模块14N被配置在通信系统10内以响应于接收到下行命令报文而生成返回报文，并且朝向主控制器12向上行发送返回报文。

因此，主控制器12可以确定从模块14A-14N中的每一个的标识以及通信系统10内从模块14A-14N的串联连接的相对顺序。因此，任何类型、数量和顺序的从模块可以与主控制器12串联连接，而无需为从模块14A-14N或主控制器12预先提供与从模块类型、从模块的数量或通信系统10内从模块的连接顺序。

实现本发明的技术的通信系统10可以通过低电压连接而在主控制器设备与多个从模块之间实现高速传递大数据包，这利于可能涉及可燃烟气或其他危险品的工业过程中的本质安全。使用可以由主控制器和从模块中的每一个存储的通信调度使得报文能够与多个从模块相关联，而无需将与每个报文相关联的每个从模块的标识信息包括在报头信息中。此外，使用通信调度可以使从模块能够有效地标识并且在某些示例中预测报文，从而实现从模块的快速响应时间以减少系统的处理延迟。因此，本发明的技术可以通过减少系统处理延迟并增加通信系统中的可用带宽来实现高速通信，该通信系统可以与需要系统部件的本质安全的工业过程一起使用。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等效物替代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教示。因此，本发明意欲不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种用于工业过程的通信系统，所述通信系统包括：

主控制器；以及

与所述主控制器串联连接的多个从模块，所述多个从模块包括：

初始从模块；以及

终端从模块；

其中，所述主控制器被配置成：

存储通信调度，所述通信调度定义有序的报文的序列、和与所述报文中的每一个相关联的标识符；

根据所述通信调度，将具有所述标识符的所述报文通过所述初始从模块沿下行方向发送到所述终端从模块；以及

接收源自所述终端从模块且由所述终端从模块通过所述初始从模块沿上行方向发送到所述主控制器的返回报文；

其中，所述初始从模块被配置成：

接收下行报文；

基于所述下行报文中包括的所述标识符，标识所述下行报文是否与来自所述初始从模块的响应信息相关联；以及

将所述响应信息插入到具有与所述下行报文中的报文标识符对应的标识符的上行报文中；以及

其中，所述终端从模块被配置成：

接收所述下行报文；

生成具有与所述下行报文中包括的标识符对应的标识符的所述上行报文；以及

沿所述上行方向发送所述上行报文。

2.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述多个从模块还包括一个或多个中间从模块，所述一个或多个中间从模块连接在所述初始从模块与所述终端从模块之间；

其中，所述主控制器被配置成：

根据所述通信调度，将具有所述标识符的报文通过所述初始从模块和所述一个或多个中间从模块沿所述下行方向发送到所述终端从模块；以及

接收源自所述终端从模块并由所述终端从模块通过所述一个或多个中间从模块和所述初始从模块沿所述上行方向发送到所述主控制器的返回报文；以及

其中，所述一个或多个中间从模块被配置成：

接收所述下行报文；

基于所述下行报文中包括的标识符，标识所述下行报文是否与来自相应从模块的响应信息相关联；以及

将所述响应信息插入到所述上行报文中，所述上行报文具有与所述下行报文中的报文标识符对应的标识符。

3.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述多个从模块中的每一个包括：

第一收发器，被配置成接收和发送所述下行报文；以及

第二收发器，被配置成接收和发送所述上行报文。

4.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述终端从模块还被配置成：

基于所述下行报文中包括的报文标识符，标识所述下行报文是否与来自所述终端从模块的响应信息相关联；以及

将所述响应信息插入到所述上行报文中，所述上行报文具有与所述下行报文对应的所述报文标识符。

5.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，与所述报文中的每一个相关联的标识符包括调度标识符，所述调度标识符指示所述报文在由所述通信调度定义的所述有序的报文的序列内的位置。

6.根据权利要求5所述的通信系统，

其中，所述多个从模块中的每一个存储所述通信调度；以及

其中，所述多个从模块中的每一个被配置成：基于所述调度标识与存储在所述相应从模块处的通信调度的比较，标识所述下行报文是否与来自所述相应从模块的响应信息相关联。

7.根据权利要求6所述的通信系统，

其中，所述通信调度进一步针对所述多个从模块中的每一个来定义：

与所述相应从模块相关联的所述下行报文中的每一个的本地存储器地址；

与所述相应从模块相关联的所述下行报文中的每一个下行报文的大小；

与所述相应从模块相关联的所述下行报文内的存储器偏移值，其中与所述相应从模块对应的信息位于所述下行报文内；以及

上行报文内的存储器偏移值，其中所述相应从模块将响应信息在所述上行报文内的存储器偏移值处插入到所述上行报文中。

8.根据权利要求6所述的通信系统，

其中，所述主控制器被配置成向所述多个从模块中的每一个发送所述通信调度。

9.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述主控制器被配置成确定所述通信调度。

10.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述主控制器被配置成将与所述报文相关联的标识符作为报文报头发送，所述报文还包括与所述多个从模块中的一个或多个对应的报文有效载荷信息。

11.根据权利要求1所述的通信系统，

其中，所述主控制器被配置成：在所述通信系统的初始化阶段期间，标识串联连接的所述多个从模块的相对顺序、以及所述从模块中的每一个的标识。

12.根据权利要求11所述的通信系统，

其中，所述多个从模块中的每一个被预设置为将位置标识符存储在所述相应从模块的计算机可读存储器内，所述位置标识符具有被定义为与未初始化的从模块对应的值；以及

其中，所述主控制器被配置成通过迭代地进行以下项来标识所述从模块中的每一个的标识和相对顺序：

沿下行方向发送标识类报文，所述标识类报文包括：

具有被定义为与所述未初始化从模块对应的值的位置标识符；以及

命令位置标识符；以及

将所述多个从模块中与在上行标识类报文中接收到的标识信息对应的相应一个从模块标识为串联连接的所述多个从模块的所述相对顺序中的下一个。

13.一种用于在通信系统中进行通信的方法，所述通信系统包括主控制器和与所述主控制器串联连接的多个从模块，所述方法包括：

根据存储在所述主控制器的存储器中的通信调度，通过初始从模块沿下行方向从所述主控制器向终端从模块发送下行报文和所述下行报文的标识符；

当所述报文向下行传递时，在所述多个从模块中的每一个处接收所述下行报文；

由所述多个从模块中的每一个，基于所述下行报文中包括的标识符来标识与来自相应从模块的响应信息相关联的下行报文；

在所述终端从模块处接收所述下行报文；

由所述终端从模块生成具有与所述下行报文中包括的标识符对应的标识符的上行报文；

将所述上行报文从所述终端从模块通过所述初始从模块沿上行方向发送到所述主控制器；

由所述多个从模块将所述响应信息插入到上行报文中，所述上行报文具有与标识为与来自所述相应从模块的响应信息相关联的所述下行报文对应的标识符；以及

在所述主控制器处接收所述上行报文。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，通过所述初始从模块沿所述下行方向从所述主控制器向所述终端从模块发送所述下行报文和所述下行报文的所述标识符包括：通过所述初始从模块和连接在所述初始从模块与所述终端从模块之间的一个或多个中间从模块沿下行方向从所述主控制器向所述终端从模块发送所述下行报文和所述下行报文的所述标识符；以及

其中，将所述上行报文从所述终端从模块通过所述初始从模块沿所述上行方向发送到所述主控制器包括：将所述上行报文从所述终端从模块通过所述一个或多个中间从模块和所述初始从模块沿所述上行方向发送到所述主控制器。

15.根据权利要求13所述的方法，

其中，由所述多个从模块中的每一个接收和发送所述下行报文包括：使用所述多个从模块中的相应一个的第一收发器来接收和发送所述下行报文；以及

其中，由所述多个从模块接收和发送所述上行报文包括：使用所述多个从模块中的相应一个的第二收发器来接收和发送所述上行报文。

16.根据权利要求13所述的方法，

其中，与所述报文中的每一个相关联的所述标识符包括：调度标识，所述调度标识指示所述报文在由所述通信调度定义的有序的报文的序列内的位置。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中，所述多个从模块中的每一个将所述通信调度存储在计算机可读存储器中；以及

其中，由所述多个从模块中的每一个，基于所述下行报文中包括的标识符来标识与来自所述相应从模块的响应信息相关联的下行报文包括：由所述多个从模块中的每一个，基于所述调度标识与存储在所述相应从模块的计算机可读存储器中的所述通信调度的比较来标识与来自所述相应从模块的响应信息相关联的所述下行报文。

18.根据权利要求17所述的方法，

其中，所述通信调度进一步针对所述多个从模块中的每一个来定义：

与所述相应从模块相关联的所述下行报文中的每一个的本地存储器地址；

与所述相应从模块相关联的所述下行报文中的每一个的大小；

与所述相应从模块相关联的所述下行报文内的存储器偏移值，其中与所述相应从模块对应的信息位于所述下行报文内；以及

上行报文内的存储器偏移值，其中所述相应从模块将响应信息插入到所述上行报文中。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

将所述通信调度从所述主控制器发送到所述多个从模块中的每一个。

20.根据权利要求13所述的方法，还包括：

由所述主控制器确定所述通信调度。

21.根据权利要求13所述的方法，还包括：

在所述通信系统的初始化阶段期间，由所述主控制器标识串联连接的所述多个从模块的相对顺序、以及所述多个从模块中的每一个的标识。

22.根据权利要求21所述的方法，

其中，所述多个从模块中的每一个被预设置为将位置标识符存储在所述相应从模块的计算机可读存储器内，所述位置标识符具有被定义为与未初始化的从模块对应的值；以及

其中，标识串联连接的所述多个从模块的所述相对顺序和所述多个从模块中的每一个的标识包括迭代地进行以下项：

沿下行方向发送标识类报文，所述标识类报文包括：

具有被定义为与所述未初始化的从模块对应的值的位置标识符；以及

命令位置标识符；以及

将所述多个从模块中与在上行标识类报文中接收到的标识信息对应的相应一个从模块标识为串联连接的所述多个从模块的所述相对顺序中的下一个。

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