CN114205057B - 数据通信冗余电路及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数据通信冗余电路及其通信方法，包括二个ARM处理器ARM1和ARM2，前端I/O数据采集器采集的测量数据分别通过两个RS485网络口接入对应的ARM1和ARM2处理器，ARM1和ARM2处理器输出端口分别通过两个RS485网络口接分布式控制系统DCS和数据采集系统DAS，ARM1和ARM2处理器之间连接有S0、S1两信号线和一个INT中断请求信号线。用电路模块化及旁路分散设计方法，提高扩展性，不但可以降低软硬件设计维护成本，而且能提高系统之间数据通信的实时性、可高性，以及降低单一电路故障风险。

Description

数据通信冗余电路及其通信方法
技术领域
本发明涉及一种通信技术，特别涉及一种数据通信冗余电路及其通信方法。
背景技术
在工业生产过程控制中，温度是极为重要的热工参数之一，并且温度测点信号数量众多。工业上温度测量，普遍采用热电阻、热电偶一次元件测温传感器。为了节约信号电缆及工程安装费用，一般采用就地式安装的前端I/O数据采集器来采样热电阻、热电偶温度信号。前端I/O数据采集器通过RS485通信总线把测量数据传送到分布式控制系统DCS。由于前端I/O数据采集器就地安装，具有抗干扰能力强、测量精度高等优点，并且现场安装工程成本低，因此被工业生产过程广泛采用。
为了更好地实现前端I/O数据采集器与DCS系统之间的数据通信，往往需要用通信控制器进行通信管理。工业生产过程中，数据通信一般要求双网冗余通信。通常，通信控制器采用多UART口的32位ARM处理器来实现冗余通信要求比较普遍。但双网冗余通信一般只是对两个系统之间而言，三个系统之间数据冗余通信比较麻烦。比如，前端I/O数据采集器采集的温度数据既要送到DCS系统，又要送到DAS系统。
一般通信控制器实现双网冗余通信典型电路如图1所示，通信控制器采用ARM1、ARM2双ARM处理器结构，每个ARM处理器管理上位机(DCS分布式控制系统)、下位机(前端I/O)一个网络链路的数据通信。ARM1处理器由UART1口从RS485网络1得到前端I/O数据采集器的测量数据，然后ARM1处理器由UART2口从RS485网络3把测量数据传送给DCS系统；同样，ARM2处理器由UART1口从RS485网络2得到前端I/O数据采集器的测量数据，然后ARM2处理器由UART2口从RS485网络4把测量数据传送给DCS系统。这样，用双ARM处理器实现数据双网冗余通信。这种数据双网通信冗余电路缺点系统扩展性差，如果测量数据还需要送到其它系统(比如DAS系统)，就不能实现了。虽然可以采用带三个UART口的ARM处理器来解决这个问题(如图2)，但这种方式的缺点是DCS、DAS二个系统每一个数据通信网络对应相同的ARM处理器，硬件电路过于集中，电路故障风险分散性不够。
发明内容
针对现有的数据双网通信冗余电路扩展性差问题，提出了一种数据通信冗余电路及其通信方法，用模块化硬件电路及旁路分散通信方法实现数据冗余通信并把数据实时、可靠地传送给二个系统。
本发明的技术方案为：一种数据通信冗余电路，包括二个ARM处理器ARM1和ARM2，前端I/O数据采集器采集的测量数据分别通过两个RS485网络口接入对应的ARM1和ARM2处理器，ARM1和ARM2处理器输出端口分别通过两个RS485网络口接分布式控制系统和数据采集系统，ARM1和ARM2处理器之间连接有S0、S1两信号线和一个INT中断请求信号线。
一种数据通信冗余电路，，包括两个相同的ARM处理器模块，每个ARM处理器模块由ARM1和ARM2二个处理器构成，两个ARM处理器模块一端分别通过一个RS485网络口接前端I/O数据采集器，两个ARM处理器模块中另一端的其中一个处理器接分布式控制系统，两个ARM处理器模块中的另一个处理器接数据采集系统，每个ARM处理器模块中的两个处理器之间连接有S0、S1两信号线和一个INT中断请求信号线。
一种所述数据通信冗余电路的通信方法，所述ARM1处理器发起和接收数据通信请求，通过S0、S1两信号线确定通信工作状态，通过一个INT中断请求信号线保证与ARM2处理器同步，实现ARM1、ARM2处理器同时接收通信数据，然后将通信数据分别发送两个系统。
进一步，所述数据通信冗余电路的通信方法，包括如下步骤：
2)所述ARM1处理器置S0、S1信号线都为“0”电平，表示要向设备地址为1的前端I/O数据采集器发起数据通信请求，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,即INT信号线电平从“1”变为“0”；ARM2处理器的外部中断服务程序判断S0、S1信号线电平，得到ARM1处理器本次与之交换数据的前端I/O数据采集器设备地址信息，ARM1处理器从其UART1口经对应的RS485网络发送设备地址为1的通信请求帧数据，前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据；在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性；然后，ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束；ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息；
2)ARM1处理器置S1信号线电平为“0”，S0信号线电平为“1”，表示本次与之通信的设备地址为上次设备地址加1，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令；ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，得到设备地址加1的信息；ARM1处理器从UART1口经对应的RS485网络发送通信请求帧数据,本机地址与请求帧中的设备地址相同的前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据；在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性；ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束；ARM2处理器在中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息；
3)ARM1处理器收到分布式控制系统通信请求帧数据，从ARM1处理器的UART2口经对应RS485网络把应答帧数据传送给分布式控制系统；ARM2处理器收到数据采集系统通信请求帧数据，从ARM2处理器的UART2口经对应RS485网络把应答帧数据传送给数据采集系统。
进一步，所述数据通信冗余电路的通信方法，当ARM1处理器出现故障，ARM2处理器得不到ARM1处理器的INT中断信号时，ARM2处理器自行发送通信请求帧数据，得到前端I/O数据采集器的应答帧数据。
本发明的有益效果在于：本发明数据通信冗余电路及其通信方法，用电路模块化及旁路分散设计方法，提高扩展性，不但可以降低软硬件设计维护成本，而且能提高系统之间数据通信的实时性、可高性，以及降低单一电路故障风险。
附图说明
图1为双网冗余通信典型电路图；
图2为本发明带三个UART口的ARM处理器构成的双网冗余通信典型电路图；
图3为本发明数据通信双网冗余电路实施例一示意图；
图4为本发明数据通信双网冗余电路实施例二示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图3为数据通信双网冗余电路图,电路主要由二个高性能、低功耗32位ARM处理器ARM1、ARM2及相应外围电路组成，ARM1、ARM2二个ARM处理器之间用S0、S1、INT三根控制信号线相连。ARM1为主通信处理器，ARM2为旁路从通信处理器，ARM2在ARM1通信出现问题时，也可转为主通信处理器。
图3电路的工作原理：
1、ARM1、ARM2处理器从前端I/O数据采集器得到数据
1.1、ARM1处理器置S0、S1信号线都为“0”电平，表示要向设备地址为1的前端I/O数据采集器发起数据通信请求，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,即INT信号线电平从“1”变为“0”。ARM2处理器的外部中断服务程序(中断优先级设为最高)判断S0、S1信号线电平，得到ARM1处理器本次与之交换数据的01#前端I/O数据采集器设备地址信息。ARM1处理器从UART1口经RS485网络1发送设备地址为1的通信请求帧数据，01#前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据。在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理01#前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性。然后，ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束。ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息。如表1所示设备地址信息及通信状态。
表1
S1 S0 功能
0 0 设备地址为1
0 1 设备地址加1
1 1 本次通信结束
1.2、ARM1处理器置S1信号线电平为“0”，S0信号线电平为“1”，表示本次与之通信的设备地址为上次设备地址加1，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令。ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，得到设备地址加1的信息。ARM1处理器从UART1口经RS485网络1发送通信请求帧数据,本机地址与请求帧中的设备地址相同的前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据。在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性。ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束。ARM2处理器在中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息。
依次，设备地址从1加到64，完成与01#～64#前端I/O数据采集器的数据通信，返回步骤1.1过程。
1.3、如网络RS485网络1出问题了，以RS485网络2进行数据通信，这时以ARM2处理器为主导处理器，主动权交于ARM2处理器，控制方法如上述相同。
1.4、此数据通信双网冗余方式，主要根据用户对通信控制器从前端I/O数据采集器得到测量数据须双网冗余及冗余数据送给DCS系统、DAS系统只需单网的需求。
2、ARM1、ARM2处理器把通信数据传输给DCS、DAS系统
ARM1处理器收到DCS系统通信请求帧数据，从UART2口经RS485网络3把应答帧数据传送给DCS系统；ARM2处理器收到DAS系统通信请求帧数据，从UART2口经RS485网络5把应答帧数据传送给DAS系统。
3、图3电路的优点
ARM1、ARM2二个ARM处理器之间用S0、S1、INT三根控制信号线传递设备地址信息及通信状态，简单可靠。采用ARM1处理器发出数据通信请求，ARM1、ARM2二个处理器同时接收数据的方法，快速高效，避免了先用ARM1处理器得到前端I/O数据采集器的数据，然后再把数据传送给ARM2处理器传统数据交换方法的繁琐。并且，当ARM1处理器出现故障，ARM2处理器得不到ARM1处理器的INT中断信号时，可以自行发送通信请求帧数据，得到前端I/O数据采集器的应答帧数据。这种电路旁路分散通信方法，既可以方便地从一个网络把数据传送给一个或二个系统，又可以减少单一电路故障风险集中问题。并且，前端I/O数据采集器的测量数据只需传送给一个系统(比如DCS系统)时，旁路通信的ARM2处理器就可以作为ARM1处理器的冗余处理器。这样，通信控制器不但实现数据双网通信冗余，而且也实现了每一路网络数据通信冗余。
ARM1、ARM2二个ARM处理器之间用S0、S1、INT三根控制信号线相连交换设备地址信息及通信状态，简单可靠。并且，如果前端I/O数据采集器的测量数据只需传送给一个系统时，旁路通信的ARM2处理器就可以作为ARM1处理器的冗余处理器。这样，通信控制器不但实现双网数据通信冗余，而且也实现了每一路网络数据通信冗余。
图4为另一数据通信双网冗余电路示意图，由两个相同的ARM处理器模块组成，每个ARM处理器模块由二个ARM处理器ARM1和ARM2构成，两个ARM处理器模块一端分别接一个RS485网络连到前端I/O数据采集器，另一端模块中的其中一个ARM处理器接DCS系统，另一个ARM处理器接DAS系统，每个ARM处理器模块中的两个处理器之间连接有S0、S1两信号线和一个INT中断请求信号线。工作原理与上相同，此数据通信双网冗余方式，主要根据用户对通信控制器从前端I/O数据采集器得到测量数据须双网冗余及DCS系统、DAS系统从通信控制器得到测量数据也须双网冗余的需求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种数据通信冗余电路，其特征在于，包括两个相同的ARM处理器模块，每个ARM处理器模块由ARM1和ARM2二个处理器构成，两个ARM处理器模块一端分别通过一个RS485网络口接前端I/O数据采集器，两个ARM处理器模块中另一端的其中一个处理器接分布式控制系统，两个ARM处理器模块中的另一个处理器接数据采集系统，每个ARM处理器模块中的两个处理器之间连接有S0、S1两信号线和一个INT中断请求信号线；
所述ARM1处理器发起和接收数据通信请求，通过S0、S1两信号线确定通信工作状态，通过一个INT中断请求信号线保证与ARM2处理器同步，实现ARM1、ARM2处理器同时接收通信数据，然后将通信数据分别发送两个系统。
2.根据权利要求1所述数据通信冗余电路的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)所述ARM1处理器置S0、S1信号线都为“0”电平，表示要向设备地址为1的前端I/O数据采集器发起数据通信请求，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,即INT信号线电平从“1”变为“0”；ARM2处理器的外部中断服务程序判断S0、S1信号线电平，得到ARM1处理器本次与之交换数据的前端I/O数据采集器设备地址信息，ARM1处理器从其UART1口经对应的RS485网络发送设备地址为1的通信请求帧数据，前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据；在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性；然后，ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束；ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息；
2)ARM1处理器置S1信号线电平为“0”，S0信号线电平为“1”，表示本次与之通信的设备地址为上次设备地址加1，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令；ARM2处理器在外部中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，得到设备地址加1的信息；ARM1处理器从UART1口经对应的RS485网络发送通信请求帧数据,本机地址与请求帧中的设备地址相同的前端I/O数据采集器收到请求帧数据并校验正确后，发送响应帧数据；在ARM1、ARM2处理器的通信接收中断服务程序中，接收处理前端I/O数据采集器的响应帧数据，判断应答帧中的设备地址与请求帧中设备地址是否相同，并校验接收的数据正确性；ARM1处理器置S0、S1信号线都为“1”电平，并向ARM2处理器发出INT中断请求命令,提示ARM2处理器本次通信结束；ARM2处理器在中断服务程序中判断S0、S1信号线电平，从而完成本次通信及得到ARM1处理器完成本次通信信息；
3)ARM1处理器收到分布式控制系统通信请求帧数据，从ARM1处理器的UART2口经对应RS485网络把应答帧数据传送给分布式控制系统；ARM2处理器收到数据采集系统通信请求帧数据，从ARM2处理器的UART2口经对应RS485网络把应答帧数据传送给数据采集系统。
3.根据权利要求2所述数据通信冗余电路的通信方法，其特征在于，当ARM1处理器出现故障，ARM2处理器得不到ARM1处理器的INT中断信号时，ARM2处理器自行发送通信请求帧数据，得到前端I/O数据采集器的应答帧数据。
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