CN114390116A - 异构通讯方法和多协议混合的异构通讯控制器 - Google Patents

异构通讯方法和多协议混合的异构通讯控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异构通讯方法和多协议混合的异构通讯控制器。异构通讯方法用于多协议混合的异构通讯控制器。异构通讯方法包括：步骤S100：获取第一协议的第一协议帧；步骤S102：将第一协议帧分为帧头、应用数据、帧尾；步骤S104：提取应用数据的数据位起始；步骤S106：将数据位存入中央处理器的缓冲器；步骤S108：在第二协议需要和第一协议通讯时，调用数据位起始；步骤S110：将数据位按照第二协议的规则进行封包，形成按照第二协议的规则执行的数据包，并传输数据包，完成不同协议之间的通讯。

Description

异构通讯方法和多协议混合的异构通讯控制器
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种异构通讯方法、一种多协议混合的异构通讯控制器。
背景技术
现代水下装备系统发展趋势逐步向高复杂度和高可靠性的方向迈进。随着武器系统越来越庞大，往往同时存在基于不同通讯协议进行信息交互的设备或组件(比如电动力系统中，电池管理器采样通常采用SPI接口，水声设备大多采用 RS232或RS485串口通讯、电机控制普遍使用CAN通讯协议、而信息系统则往往基于UDP/TCP的以太网协议)，不同的协议规范有特定的应用场合和优势，如CAN通讯具有短帧、高速、高实效性的特点，适用于电机运动控制等领域；以太网具有大容量，远距离传输的特点，适用于大量数据汇总处理的信息系统；而水声组件的通讯速率较慢，且容易产生误码和失码，因此往往采用数据结构最简洁的串口通讯协议。为了将这些不同通讯模式的设备有效整合到全系统中进行有效管控，需要优先解决所有功能组件间的异构数据交互问题。
发明内容
本发明提供了一种异构通讯方法和一种多协议混合的异构通讯控制器，以解决系统内各组部件间的异构数据交互的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种异构通讯方法，用于多协议混合的异构通讯控制器，异构通讯控制器用于多个协议之间的通讯，包括：
步骤S100：获取第一协议的第一协议帧；
步骤S102：将第一协议帧分为帧头、应用数据、帧尾；
步骤S104：提取应用数据的数据位起始；
步骤S106：将数据位存入中央处理器的缓冲器；
步骤S108：在第二协议需要和第一协议通讯时，调用数据位起始；
步骤S110：将数据位按照第二协议的规则进行封包，形成按照第二协议的规则执行的数据包，并传输数据包，完成不同协议之间的通讯。
进一步地，步骤S102具体包括：
解算第一协议帧的帧头、帧尾的关键字；
计算第一协议帧的字节数；检查校验位；
根据关键字、字节数和校验位，确定应用数据的位置和长度；
步骤S104具体包括：
根据应用数据的位置和长度，逐个字节提取第一协议帧中的应用数据的数据位。
在上述任一项技术方案中，第一协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、 SPI协议、RS485串口协议。
在上述任一项技术方案中，第二协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、 SPI协议、RS485串口协议，第一协议和第二协议相同或不同。
第二方面，本发明的实施例提供了一种多协议混合的异构通讯控制器，包括：第一隔离芯片，第一隔离芯片用于实现CAN协议通讯；PHY芯片，PHY芯片用于实现UDP/TCP协议通讯；第二隔离芯片，第二隔离芯片用于RS485串口协议通讯；IO接口单元，IO接口单元用于控制数据的输入或输出；SPI接口，SPI 接口用于实现SPI协议通讯；存储设备，存储设备用于存储数据；晶振电路，晶振电路用于生成驱动处理器运行的时钟；电源电路，与隔离型CAN芯片、晶振电路、存储设备、PHY芯片、SPI接口分别连接，电源电路用于供电；中央处理器，与第一隔离芯片、PHY芯片、第二隔离芯片、SPI接口分别连接，中央处理器用于实现不同协议之间的通讯，中央处理器包括缓冲器，缓冲器用于存储协议帧解析出的数据位，中央处理器还与IO接口单元、存储设备、晶振电路、电源电路分别连接；中央处理器还包括解算模块，解算模块用于解析第一协议帧的数据位；中央处理还包括打包模块，打包模块用于将数据位打包成第二协议帧。
相对于现有技术，本发明实施例提供的异构通讯方法和异构通讯控制器具有以下显著的优越效果：
本发明的实施例建立了一套在大型系统中能够有效整合各电子组件的异构通讯控制器。本发明的实施例提供的异构通讯控制器可作为标准化的通讯单元节点，最大限度地保持通讯规则的统一性，包括接口层、协议层和应用层的规范化管理。异构通讯控制器的体积微小，在使用过程中不仅可以整合系统内的电子组件，也方便将外部设备纳入到系统中实时管理。
附图说明
图1为本发明提供的一个实施例的异构通讯控制器的结构原理示意图；
图2为本发明提供的一个实施例的异构通讯控制器的数据交互示意框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明第一方面的实施例提供了一种异构通讯方法，用于多协议混合的异构通讯控制器，异构通讯控制器用于多个协议之间的通讯，异构通讯方法包括：
步骤S100：获取第一协议的第一协议帧；
步骤S102：将第一协议帧分为帧头、应用数据、帧尾；
通过分解第一协议帧，可以提取有效的应用数据，从而便于重新组帧，以实现不同协议之间的通讯。
步骤S104：提取应用数据的数据位起始；
通过数据位起始的提取，便于第二协议进行调用，从而有利于实现不同协议之间的通讯。
步骤S106：将数据位存入中央处理器的缓冲器；
步骤S108：在第二协议需要和第一协议通讯时，调用数据位起始；
步骤S110：将数据位按照第二协议的规则进行封包，形成按照第二协议的规则执行的数据包，并传输数据包，完成不同协议之间的通讯。
进一步地，步骤S102具体包括：
解算第一协议帧的帧头、帧尾的关键字；计算第一协议帧的字节数；检查校验位；根据关键字、字节数和校验位，确定应用数据的位置和长度；
步骤S104具体包括：
根据应用数据的位置和长度，逐个字节提取第一协议帧中的应用数据的数据位。
在上述任一项技术方案中，第一协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、 SPI协议、RS485串口协议。
在上述任一项技术方案中，第二协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、 SPI协议、RS485串口协议。
第一协议和第二协议相同或不同。例如，第一协议为CAN协议，而第二协议可以同样是CAN协议，也可以是SPI协议。或者，第一协议为UDP/TCP协议，第二协议为RS485串口协议。
如图1所示，本发明第二方面的实施例提供了一种多协议混合的异构通讯控制器，包括：第一隔离芯片(即图1中的隔离CAN芯片)，第一隔离芯片用于实现CAN协议通讯；PHY芯片，PHY芯片用于实现UDP/TCP协议通讯；第二隔离芯片(即图1中的隔离型RS485芯片)，第二隔离芯片用于RS485串口协议通讯；IO接口单元，IO接口单元用于控制数据的输入或输出；SPI接口，SPI 接口用于实现SPI协议通讯；存储设备，存储设备用于存储数据；晶振电路，晶振电路用于生成驱动处理器运行的时钟；电源电路，与隔离型CAN芯片、晶振电路、存储设备、PHY芯片、SPI接口分别连接，电源电路用于供电；中央处理器，与第一隔离芯片、PHY芯片、第二隔离芯片、SPI接口分别连接，中央处理器用于实现不同协议之间的通讯，中央处理器包括缓冲器，缓冲器用于存储协议帧解析出的数据位，中央处理器还与IO接口单元、存储设备、晶振电路、电源电路分别连接；中央处理器还包括解算模块，解算模块用于解析第一协议帧的数据位；中央处理还包括打包模块，打包模块用于将数据位打包成第二协议帧。
本实施例的异构通讯控制器需将所有通讯节点的数据传输格式标准化，如匹配不同协议间的传输速率，解析和规范不同的数据结构、定义基于时间的传输转换规则等。
本发明的实施例提供的异构通讯控制器，可实现系统内各组部件间的信息交互。
本发明的实施例包括完整的嵌入式软件和硬件，能有效处理SCI、CAN、以太网和SPI之间的通讯和数据交互，从而能够全面的实现系统级的整合能力，并且结构紧凑，外扩方便。异构通讯控制器的软件和硬件架构是本发明的重点内容。
可以理解，不同通讯协议的数据交互规则具有很大差异性，主要包括：接口差异、数据结构类型差异、交互逻辑差异、通讯速率差异、通信容量大小差异以及传输规则差异。为满足异构通讯标准化的要求，本发明的实施例给出嵌入式配置其硬件和软件如下：
如图1所示，硬件电路包括：32位嵌入式的中央处理器、隔离型CAN芯片，PHY(PortPhysical Layer端口物理层)芯片，以太网变压器、隔离型RS485芯片(基于SCI协议规则)、IO接口单元、SPI接口、存储设备、晶振电路、电源等。
如图2所示，软件架构包括：UDP/TCP协议栈、CAN协议栈、SCI协议栈、 SPI协议栈、数据解析和变换策略、校验仲裁机制、异构通讯协议信息交互逻辑、文件管理、IO(input/output输入输出)控制。
为适应当前水下系统的多用途、信息化要求，本发明的实施例的有益成果在于建立了一套在大型系统中能够有效整合各电子组件的异构通讯控制器。本发明的异构通讯控制器可作为标准化的通讯单元节点，最大限度地保持通讯规则的统一性，包括接口层、协议层和应用层的规范化管理。其微小的体积在使用过程中不仅可以整合我方设计的电子组件，也方便将外方提供的电子设备纳入到我方系统中实时管理。
具体地，多协议混合的异构通讯控制器的原理图如图1所示。异构通讯控制器主要包括中央处理器1、电源电路2、隔离型CAN芯片3、隔离型RS485芯片 4、晶振电路5、存储设备6、PHY芯片7、以太网变压器8、SPI接口9、IO接口单元10。中央处理器1分别通过片上专用IO连接隔离型CAN芯片3、隔离型RS485芯片4、PHY芯片7、SPI接口9、IO接口单元10。电源电路2与中央处理器1、隔离型CAN芯片3、隔离型RS485芯片4、晶振电路5、存储设备6、 PHY芯片7、SPI接口9均有连接，晶振电路5和存储设备6只与中央处理器1 连接，以太网变压器8只与PHY芯片7连接。
异构通讯控制器中，中央处理器1是异构通讯协议处理的核心单元，通过连接隔离型CAN芯片3，隔离型RS485芯片4，PHY芯片5，SPI接口9，便能实现CANopen协议，SCI协议，以太网协议的通讯底层约束，当接口层定义完成后，便能实现协议层和应用层的开发。IO单元可作为独立的输入输出单元，既可作为控制输入，也可作为状态输出。
理论上，不同协议的通讯是不能相互信息交互的，为解决异构通讯的问题，本发明的实施例提供的异构通讯方法，采用了特定的数据解析方法。基本思路是将不同协议帧的数据帧头，帧尾等多余数据剔除，解析出有效的应用数据后进行再组帧。由于SCI，CAN，以太网，SPI等不同协议的数据帧定义方式各不相同，所以解析方法也不相同，组帧是其逆过程。
1.以太网协议
Figure BSA0000261486950000061
以太网通常采用UDP和TCP协议，本发明的实施例的软硬件架构均可支持两种协议，是内容不同但本质类似的数据规范。以UDP协议规范为默认配置，将UDP协议分为帧头(帧头包含MAC头部、IP头部和UDP头部三种信息类别) +应用数据+帧尾(FCS校验)的结构，字节数可达1024个字节，信息量大，属于长帧结构，其中MAC头部包含源MAC地址和目的MAC地址，IP头部包含版本号、首部长度、服务类型、总长度、源IP地址和目的IP地址，UDP头部为源端口号、目的端口号和套接字等字段；FCS一般是CRC校验位。UDP协议数据的交互流程是，首先解析UDP头部的源端口号和目的端口号，建立UDP协议的门通道；然后解析IP头部中包含的协议数据信息(最关键的是有效应用数据长度和起始位)；再解析MAC头部，通过发送ARP地址询问报文查找对应的 MAC地址，当找到正确的MAC地址后，完成UDP协议帧的数据交互。不同于 CAN协议和SCI协议，以太网协议是一种点对点的高效传输协议。由于应用数据处于协议帧的中间位置，须知UDP协议中应用数据的大小和位置是基于应用环境的协议规则变化而变化，若没有正确解析整条协议帧，则不能提取出真实的数据段(即数据位)。
当PHY芯片完成以太网数据的信号抓取，会转化为2进制数打包发送给 ARM中央处理器。中央处理器基于通讯协议逐字节解析本次数据帧的关键字，提取出本次数据帧的来源和目的，当判断为正确数据后，继续解析全帧的字节数、数据段起始位置、数据长度、校验位。其中帧头帧尾的含义可理解为数据的识别信息，在异构通讯中不表征命令和状态，因此当识别正确后需被删除，仅保留有效的应用数据，随后存入中央处理器的buffer缓冲器待其它协议的外设调用。本发明的实施例的异构通讯方法能适配不同应用场景下的UDP协议规范，解析出有效的应用数据。本质上异构通讯是一种剔除原数据识别信息，找出有效的应用数据再封包为目的识别信息的一种技术方式。
2.CAN协议
帧起始 仲裁段 控制段 数据段(应用数据) CRC段 ACK段 帧结束
CAN协议数据帧长度不超过8个字节，且总线上所有节点都能收到，这样的短帧结构使总线不会被长期占用，从而具有很好的实时性。CAN协议中可发现数据结构的内容和含义，与以太网协议是完全不同的。在解析CAN数据时，帧起始定义CAN协议帧是标准帧还是扩展帧；仲裁段定义该数据帧的优先级；控制段定义显性或隐性电平；数据段的应用数据同样位于CAN协议帧的中部；解析方法与UDP协议一样，计算起始位置和字节数。由于CAN协议比较规范，起始位置和字节数是一般是不变的，无需做特定适配。解析并保留数据段的应用数据后存入中央处理器的buffer缓冲器中待其他协议的外设调用。
3.SCI协议
起始位 设备地址 功能代码 数据段(应用数据) CRC 结束符
RS485是基于SCI协议的一种通用异步通讯接口，具有协议简单、配置灵活的特点。从传输特性上看，RS485是串口通讯的升级版。串口通讯需在异构通讯控制器中设置波特率、停止位、数据段、奇偶校验等通讯参数。提取数据段中应用数据的方法与其他协议一致，都是解算整条数据帧后，计算应用数据的初始位置和字节长度，随后存放入buffer缓冲器。
4.SPI协议
SPI是一种广泛使用的接口，它定义主从设备的时钟、片选、数据输入和输出，是一种单工主从通讯，也是异构通讯协议必不可少的接口方式。SPI没有所谓的协议规范，核心算法是依照时钟极性的跳变来建立通讯连接。建立通讯后传输的都是应用数据。
综上，本异构通讯控制器的异构通讯方法，核心算法在于解析不同协议的数据帧后，将提取其中有效的应用数据，并存入中央处理器的buffer缓冲器中，然后根据不同外设的协议请求，将buffer缓冲器中的应用数据按照对应外设的协议请求复用到相应协议层中。调用协议规则进行数据封包后传输给外设使用，从而实现异构通讯功能。本发明的实施例也可改变buffer缓冲器中应用数据的结构类型，例如改变数据顺序，数据内容，修改数据时间，合并前后数据等加密措施)开发应用于特殊保密环境的专用化内部通讯策略，加密算法可固化到芯片内，用户只需配置一些基本参数，包括波特率，通道选择，ID识别，源或目的IP，MAC，端口号配置，数据结构定义，组帧方式，传输速率等即可完成特定任务。
本发明的异构通讯控制器也是一种标准化的异构通讯模块，功能模式即可配置为通用模式也可配置为专用模式：
1.通用模式：即接收到什么便转发什么；
2.专用模式，基于特定用户规则(自定义协议)，如将应用数据加密处理、在应用数据中引入时间向量、特殊字符串、数据类型标识或引入特定逻辑规则等，即可用于安全和保密通讯等领域。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种异构通讯方法，用于多协议混合的异构通讯控制器，所述异构通讯控制器用于多个协议之间的通讯，其特征在于，包括：
步骤S100：获取第一协议的第一协议帧；
步骤S102：将所述第一协议帧分为帧头、应用数据、帧尾；
步骤S104：提取所述应用数据的数据位起始；
步骤S106：将所述数据位存入中央处理器的缓冲器；
步骤S108：在第二协议需要和所述第一协议通讯时，调用所述数据位起始；
步骤S110：将所述数据位按照所述第二协议的规则进行封包，形成按照第二协议的规则执行的数据包，并传输所述数据包，完成不同协议之间的通讯。
2.根据权利要求1所述的异构通讯方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：
解算所述第一协议帧的帧头、帧尾的关键字；
计算所述第一协议帧的字节数；
检查校验位；
根据所述关键字、所述字节数和所述校验位，确定应用数据的位置和长度；
所述步骤S104具体包括：
根据所述应用数据的位置和长度，逐个字节提取所述第一协议帧中的应用数据的数据位。
3.根据权利要求1或2所述的异构通讯方法，其特征在于，
所述第一协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、SPI协议、RS485串口协议。
4.根据权利要求1或2所述的异构通讯方法，其特征在于，
所述第二协议至少包括：CAN协议、UDP/TCP协议、SPI协议、RS485串口协议，所述第一协议和所述第二协议相同或不同。
5.一种多协议混合的异构通讯控制器，其特征在于，包括：
第一隔离芯片，所述第一隔离芯片用于实现CAN协议通讯；
PHY芯片，所述PHY芯片用于实现UDP/TCP协议通讯；
第二隔离芯片，所述第二隔离芯片用于RS485串口协议通讯；
IO接口单元，所述IO接口单元用于控制数据的输入或输出；
SPI接口，所述SPI接口用于实现SPI协议通讯；
存储设备，所述存储设备用于存储数据；
晶振电路，所述晶振电路用于生成驱动处理器运行的时钟；
电源电路，与所述隔离型CAN芯片、所述晶振电路、所述存储设备、所述PHY芯片、所述SPI接口分别连接，所述电源电路用于供电；
中央处理器，与所述第一隔离芯片、所述PHY芯片、所述第二隔离芯片、所述SPI接口分别连接，所述中央处理器用于实现不同协议之间的通讯，所述中央处理器包括缓冲器，所述缓冲器用于存储协议帧解析出的数据位，所述中央处理器还与所述IO接口单元、所述存储设备、所述晶振电路、所述电源电路分别连接；
所述中央处理器还包括解算模块，所述解算模块用于解析第一协议帧的数据位；
所述中央处理还包括打包模块，所述打包模块用于将所述数据位打包成第二协议帧。
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