CN114448963B - 一种融合控制架构下外设共享通信的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种融合控制架构下外设共享通信的方法及系统，该方法将设置的共享外设接口指定分配给设定的中心服务器，将与列车运行控制相关的各个控制系统与融合控制架构中的各虚拟机关联配置，并设置各虚拟机为中心服务器的客户端，基于该架构部署利用单个共享外设接口接收各个外部设备的外设数据信号，进而由中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应。采用本发明的方案能够解决现有融合控制应用设想中无法有效共享物理外设资源的障碍，可以实现所有控制系统共用单个外设接口进行网络通信的功能，显著降低硬件成本，提高硬件资源利用率，改善了硬件安装部署的空间占用率。
Description
技术领域
本发明涉及列车融合控制应用技术领域，尤其涉及一种融合控制架构下外设共享通信的方法及系统。
背景技术
轨道交通实现通信和控制的现有技术中，TCMS系统、传动控制系统、制动控制系统、信号系统分布于列车内协同运行实现列车的各方面控制，各个系统均需配置通信板卡，通过以太网或MVB组成网络进行数据通信，这样使系统的硬件成本居高不下，同时也加大了列车控制系统安装与部署的空间消耗。例如，在传统列车控制领域，各控制系统采用分布式架构，每个控制系统运行于不同的机箱或单板上；各系统通常采用PCIE、以太网或MVB等方式与外部设备进行通信。传统的列车控制系统采用如图1中所示的部署方案，其中的控制系统1～N均需要通过外设接口与外部设备1～N进行通信，为满足通信需求，每个控制系统需要单独分配一个物理外设接口，各个控制系统通过外部接线与所有设备组成一个通信网络，这样的分布式控制系统为了支持日益复杂的功能，只能增加控制系统规模和设备安装数量，一方面增加了硬件成本，另一方面增加了控制系统部署安装空间的开销，因此，传统分布式控制系统逐渐无法满足市场需求。
随着轨道交通控制技术趋向自动化和智能化发展，对列车控制系统的灵活性要求以及硬件成本的可观性要求越来越高，各子系统之间的融合控制成为一种重要趋势。研究中发现随着半导体技术的飞速发展，嵌入式处理器的发展达到一个新的高度，低功耗、高性能、高度集成化的多核处理器不断涌现，这些高性能处理器能够支撑日益复杂的功能需求，采用高性能多核处理器，将传动控制，TCMS，制动等控制系统融合在一块单板上，利用虚拟化技术，所有融合控制系统共用一个物理外设接口接入网络进行数据通信，以降低系统复杂度，降低系统硬件成本，节约安装空间，但是在融合控制架构下，采用虚拟化技术，所有控制系统运行于同一单板不同虚拟机内，由于外设硬件资源有限，无法为每个虚拟机都分配一个物理外设接口，并且嵌入式领域虚拟化技术还不够成熟，同一个外设资源只能被一个虚拟机(控制系统)独占，无法直接被所有虚拟机共享，因此未能形成实质有效的完整控制方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种融合控制架构下外设共享通信的方法，在一个实施例中，所述方法包括：
步骤S1、设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器；
步骤S2、令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端；
步骤S3、通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；
步骤S4、由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应。
优选地，一个实施例中，在所述步骤S1中，设置所述中心服务器独自享有所述共享外设接口的访问权限。
一个实施例中，所述方法还包括，设置所述中心服务器享有对各个控制系统虚拟机进行配置和管理的权限。
进一步地，一个实施例中，在所述步骤S3中，所述通信总线包括PCI总线、RS485总线、MVB总线和I2C总线。
一个实施例中，在所述步骤S4中，包括：
分别在各个客户端与所述中心服务器之间设置用于暂置被接收数据的输入共享空间和用于暂置待发送数据的输出共享空间。
进一步地，一个实施例中，在所述步骤S4中，通过以下操作实现外设数据信号的接收：
中心服务器对已接收外设数据信号进行分析处理，识别其目的客户端；
由中心服务器将所述外设数据信号置入该目的客户端与所述中心服务器之间的输入共享空间；
进而生成核间中断信号以通知该目的客户端有外部设备数据需接收；
目的客户端响应来自中心服务器的核间中断信号，从对应的输入共享空间中读取外设数据信号，完成外设数据的接收。
一个实施例中，在所述步骤S4中，通过以下操作实现外设数据信号的响应：
目的客户端生成待发送的响应数据，将所述响应数据写入对应的输出共享空间；
由目的客户端生成核间中断信号，通知中心服务器有响应数据需要发送；
中心服务器接收来自目的客户端的核间中断信号，基于其识别客户端的身份并从对应的输出共享空间中获取响应数据；
中心服务器通过共享外设接口将所述响应数据输出至通信总线或以太网，返回至对应的外部设备，完成外设数据信息的响应。
一个可选的实施例中，所述方法还包括，所述中心服务器控制各客户端对应的控制系统虚拟机通过所述共享外设接口实现数据的发送和接收。
基于上述任意一个或多个实施例中提供的方法，本发明还提供一种存储介质，在一个实施例中，该存储介质上存储有可实现上述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码。
基于上述任意一个或多个实施例中所提供方案的其他方面，本发明还提供一种融合控制架构下外设共享通信的系统，在一个实施例中，该系统包括：
外设接口及服务器管理模块，其用于设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器；
客户端配置模块，其用于配置令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端；
中间传输模块，其用于通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；
共享通信模块，其配置为由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应。
与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
本发明提供的一种融合控制架构下外设共享通信的方法及系统，基于融合控制架构提出一种有效共享外设实现多方数据通信的方案，能够突破当前物理外设资源的限制，实现所有控制系统共用一个物理外设接口进行网络通信的功能，由中心服务器控制外设接口有序处理通信数据对象，采用单个共享外设接口实现多个外部设备与多个控制系统之间的数据通信，避免设置多个外设接口的硬件消耗，显著节省硬件安装部署占用的空间，提高硬件资源利用率，且适用范围广，能够灵活应用于各种通信总线以及以太网交换器，有利于列车运行控制的智能管理和优化发展。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的传统列车控制系统部署方案示意图；
图2是本发明一实施例中融合控制架构下外设共享通信的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中融合控制架构下外设共享通信的方法的融合控制架构部署原理图；
图4是本发明另一实施例提供的融合控制架构下外设共享通信的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
轨道交通现有技术中，TCMS系统(Train Control and Management System，列车控制管理系统)、传动控制系统、制动控制系统、信号系统分布于列车内，各个系统配置通信板卡，通过以太网或MVB组成网络进行数据通信。这样增加了系统的硬件成本，同时也加大了列车控制系统安装与部署的空间消耗。随着信息技术的飞速发展，列车控制系统必然朝着功能多样化，数据多元化方向发展，传统的分布式控制系统为支持日益复杂的功能，只能增加控制系统规模和设备安装数量，这一方面增加了硬件成本，另一方面增加了控制系统部署安装空间的开销，因此，传统分布式控制系统逐渐无法满足市场需求，控制系统融合成为趋势。随着轨道交通自动化和智能化发展，对列车控制系统的灵活性与硬件成本的可观性越来越关注，各子系统之间的融合控制成为一种趋势。
研究中发现随着半导体技术的飞速发展，嵌入式处理器的发展达到一个新的高度，低功耗、高性能、高度集成化的多核处理器不断涌现，这些高性能处理器能够支撑日益复杂的功能需求，采用高性能多核处理器，将传动控制，TCMS，制动等控制系统融合在一块单板上，利用虚拟化技术，所有融合控制系统共用一个物理外设接口接入网络进行数据通信，以降低系统复杂度，降低系统硬件成本，节约安装空间，但是在融合控制架构下，为了充分利用处理器资源，发挥多核处理器的性能优势以实现融合控制，嵌入式领域逐渐引入虚拟化技术，该技术旨在利用软硬件技术方式将物理资源进行抽象化管理，从而将底层的物理资源虚拟出多份独立资源，实现不同子系统安全共享硬件资源，提高设备资源的利用效率，但是采用这种方式时，所有控制系统运行于同一单板不同虚拟机内，由于外设硬件资源有限，无法为每个虚拟机都分配一个物理外设接口，并且嵌入式领域虚拟化技术还不够成熟，同一个外设资源只能被一个虚拟机(控制系统)独占，未能形成实质有效的完整控制方案，外设资源无法直接被所有虚拟机共享。
基于上述现状，本文提出一种融合控制架构下外设共享通信的方法及系统，用于解决系统融合架构下不同控制系统无法共用同一外设接口进行通信的问题，该方法包含但不局限于PCI、以太网，同样支持所有总线通信和以太网通信的外设数据信号，例如RS485，MVB，I2C等通信总线。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。
实施例一
图2示出了本发明实施例一提供的融合控制架构下外设共享通信的方法的流程示意图，参照图2可知，该方法包括如下步骤。
首先，将适用的物理外设接口指定分配给服务器，该服务器独自享有外设接口的访问权限，并对所有客户端(控制系统所对应的虚拟机)进行配置和管理。因此有步骤S110、设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器(Sever)；
实际应用时，通常根据控制系统的架构部署和实际的数据处理需求选取满足要求的物理外设接口作为共享外设接口，以保障其能够适用于多个控制系统的数据通信。如以太网接口和PCI接口等。实际应用时，还可以设置备用的物理外设接口，当使用中的共享外设接口出现故障时，启动备用的物理外设接口，能够有效地避免数据处理的延迟和任务堆积，避免因数据处理中断影响列车的正常运行。
进一步地，一个实施例中，在所述步骤S110中，设置所述中心服务器独自享有所述共享外设接口的访问权限，能够通过中心服务器控制外设接口有序接收各方的外设数据信息。
在一个实施例中，所述方法还包括，设置所述中心服务器享有对各个控制系统虚拟机进行配置和管理的权限。
本发明实施例利用多核处理器资源实现融合控制，同时引入虚拟化技术利用软硬件技术方式将物理资源进行抽象化管理，因此，需要基于融合控制架构的特性对各个控制系统进行虚拟化设置，因此，有步骤S120、令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端(Client)，具体地，实际应用时，由中心服务器控制实现各个控制系统与其对应各个控制系统虚拟机的关联设置。
现有的列车整体运行系统中，必然存在多个不同类型的外部设备，当各外部设备根据实际需求生成外部设备数据后，通常通过通信总线或以太网的形式发布出去，因此，一个实施例中，在步骤S130、通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；其中，所述通信总线包括PCI总线、RS485总线、MVB总线和I2C总线等。需要说明的是，本发明中任意一个或多个实施例中的技术手段也适用于领域内除上述总线之外的其他通信总线，本发明实施例对此不予特别限定。
基于上述设置步骤后，与列车运行相关的所有控制系统1～N运行于融合架构中核心控制板对应的虚拟机1～N上，并通过Server/Client模式共享外设接口与外部设备进行通信，其部署方案如附图3所示。
进一步地，为了能够基于单个共享外设接口实现多个外部设备数据的通信，本发明实施例为每个Client与Server之间分配两块共享内存空间，分别称之为Tx block和Rxblock，用于Client与Server之间数据通信，因此，一个实施例中，在实施外设数据通信之前，所述方法还包括：分别在各个客户端与所述中心服务器之间设置用于暂置被接收数据的输入共享空间(Rx block)和用于暂置待发送数据的输出共享空间(Tx block)。
基于已有的融合控制架构部署，本发明实施例通过以下步骤基于所述共享外设接口实现外设数据信号的接收和响应：步骤S140、由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应。
实际应用时，Server实时接收外部设备发送的数据，识别数据目的端，并将数据搬入对应Rx Block，然后由Server产生核间中断(interrupt)，通知对应Client有外部设备数据需要接收，当Client接收到中断后响应Server发送的中断信号，从对应Rx Block区域读取数据，完成外部设备数据的接收功能。因此，一个实施例中，在所述步骤S140中，通过以下操作实现外设数据信号的接收：
中心服务器对已接收外设数据信号进行分析处理，识别其目的客户端；其中，可根据所接收数据内的目的端字段进行识别和区分；
由中心服务器将所述外设数据信号置入该目的客户端与所述中心服务器之间的输入共享空间；
进而生成核间中断信号以通知该目的客户端有外部设备数据需接收；
目的客户端响应来自中心服务器的核间中断信号，从对应的输入共享空间中读取外设数据信号，完成外设数据的接收。
进一步地，当Client准备好需要发送的数据后，将数据写入对应的Tx block，然后产生核间中断，通知Server有数据需要发送。然后由Server接收到中断后响应Client发送的中断请求，识别Client的身份并从对应的Tx Block中获取数据，并将数据通过外设接口发送至外部网络，完成Client数据发送功能。因此，一个实施例中，通过以下操作实现外设数据信号的响应：
目的客户端生成待发送的响应数据，将所述响应数据写入对应的输出共享空间；
由目的客户端生成核间中断信号，通知中心服务器有响应数据需要发送；
中心服务器接收来自目的客户端的核间中断信号，基于其识别客户端的身份并从对应的输出共享空间中获取响应数据；
中心服务器通过共享外设接口将所述响应数据输出至通信总线或以太网，返回至对应的外部设备，完成外设数据信息的响应。
需要说明的是，所述方法还包括：所述中心服务器控制各客户端对应的控制系统虚拟机通过所述共享外设接口实现数据的发送和接收，即Client之间也可以通过Server独享的外设接口进行数据通信。
另外的，基于上述各实施例中提供的方法，本发明实施例还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现上述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码。
本发明基于融合控制架构，为了克服物理外设资源的限制以及针对目前虚拟化技术还不够成熟的情况，提出了一种外设共享通信方法，该方法可以实现所有控制系统共用一个物理外设接口进行网络通信的功能。
采用本发明上述实施例中的方案能够将不同控制系统进行融合，各控制系统共用单一共享外设端口与外部设备进行数据通信，可有效降低硬件成本，提高硬件资源利用率；不同控制系统运行于同一单板上，通过共享外设接口与外部设备组成通信网络，减少了系统开销，节约了现场安装部署的占用空间。
实施例二
基与上述任意一个或多个实施例中方案的其他方面，为了实现上述方法的自动运行，本发明还提供一种融合控制架构下外设共享通信的系统，该系统执行上述任意一个或多个实施例中所述的方法和步骤。
具体地，图4示出了本发明实施例所提供融合控制架构下外设共享通信的系统的结构示意图，如图4所示，该系统包括：
外设接口及服务器管理模块41，其用于设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器；
客户端配置模块43，其用于配置令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端；
中间传输模块45，其用于通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；
共享通信模块47，其配置为由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应。
进一步地，一个实施例中，所述外设接口及服务器管理模块41具体用于：设置所述中心服务器独自享有所述共享外设接口的访问权限。
一个实施例中，所述系统的外设接口及服务器管理模块41还用于：设置所述中心服务器享有对各个控制系统虚拟机进行配置和管理的权限。
一个可选的实施例中，所述通信总线包括PCI总线、RS485总线、MVB总线和I2C总线。
实际应用中，一个实施例中，所述共享通信模块47具体用于：
分别在各个客户端与所述中心服务器之间设置用于暂置被接收数据的输入共享空间和用于暂置待发送数据的输出共享空间。
一个实施例中，所述共享通信模块47通过以下操作实现外设数据信号的接收：
中心服务器对已接收外设数据信号进行分析处理，识别其目的客户端；
由中心服务器将所述外设数据信号置入该目的客户端与所述中心服务器之间的输入共享空间；
进而生成核间中断信号以通知该目的客户端有外部设备数据需接收；
目的客户端响应来自中心服务器的核间中断信号，从对应的输入共享空间中读取外设数据信号，完成外设数据的接收。
一个实施例中，所述共享通信模块47通过以下操作实现外设数据信号的响应：
目的客户端生成待发送的响应数据，将所述响应数据写入对应的输出共享空间；
由目的客户端生成核间中断信号，通知中心服务器有响应数据需要发送；
中心服务器接收来自目的客户端的核间中断信号，基于其识别客户端的身份并从对应的输出共享空间中获取响应数据；
中心服务器通过共享外设接口将所述响应数据输出至通信总线或以太网，返回至对应的外部设备，完成外设数据信息的响应。
进一步地，所述共享通信模块47还通过中心服务器控制各客户端对应的控制系统虚拟机通过所述共享外设接口实现数据的发送和接收。
本发明实施例提供的融合控制架构下外设共享通信的系统中，各个模块或单元结构可以根据实际的通信需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种融合控制架构下外设共享通信的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器；
步骤S2、令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端；
步骤S3、通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；
步骤S4、由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应；所述中心服务器独自享有所述共享外设接口的访问权限，各个控制系统共用一个物理外设接口进行网络通信。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，设置所述中心服务器享有对各个控制系统虚拟机进行配置和管理的权限。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述通信总线包括PCI总线、RS485总线、MVB总线和I2C总线。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，包括：
分别在各个客户端与所述中心服务器之间设置用于暂置被接收数据的输入共享空间和用于暂置待发送数据的输出共享空间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过以下操作实现外设数据信号的接收：
中心服务器对已接收外设数据信号进行分析处理，识别其目的客户端；
由中心服务器将所述外设数据信号置入该目的客户端与所述中心服务器之间的输入共享空间；
进而生成核间中断信号以通知该目的客户端有外部设备数据需接收；
目的客户端响应来自中心服务器的核间中断信号，从对应的输入共享空间中读取外设数据信号，完成外设数据的接收。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过以下操作实现外设数据信号的响应：
目的客户端生成待发送的响应数据，将所述响应数据写入对应的输出共享空间；
由目的客户端生成核间中断信号，通知中心服务器有响应数据需要发送；
中心服务器接收来自目的客户端的核间中断信号，基于其识别客户端的身份并从对应的输出共享空间中获取响应数据；
中心服务器通过共享外设接口将所述响应数据输出至通信总线或以太网，返回至对应的外部设备，完成外设数据信息的响应。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，所述中心服务器控制各客户端对应的控制系统虚拟机通过所述共享外设接口实现数据的发送和接收。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有可实现如权利要求1～7中任一项所述方法的程序代码。
9.一种融合控制架构下外设共享通信的系统，其特征在于，所述系统包括：
外设接口及服务器管理模块，其用于设置一物理外设接口作为共享外设接口，将其指定分配给设定的中心服务器；
客户端配置模块，其用于配置令与列车运行控制相关的各个控制系统运行于融合控制架构中的对应控制系统虚拟机中，并将各个控制系统虚拟机设置为所述中心服务器的客户端；
中间传输模块，其用于通过所述共享外设接口接收各个外部设备通过通信总线或以太网发送的外设数据信号；
共享通信模块，其配置为由所述中心服务器控制通过设置在各客户端与所述中心服务器之间的共享空间实现所述外设数据信号的接收和响应；所述中心服务器独自享有所述共享外设接口的访问权限，各个控制系统共用一个物理外设接口进行网络通信。
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| CN109542831A (zh) * | 2018-10-28 | 2019-03-29 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 机载平台多核虚拟分区处理系统 |
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-
2020
- 2020-10-30 CN CN202011184982.6A patent/CN114448963B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103888420A (zh) * | 2012-12-20 | 2014-06-25 | 中国农业银行股份有限公司广东省分行 | 一种虚拟服务器系统 |
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| CN114448963A (zh) | 2022-05-06 |
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